新型溫拌改性瀝青的研發(fā)及其路用性能

賀 海，王朝輝，孫曉龍，王新岐，王曉華

（1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

溫拌技術是指通過一定措施降低瀝青的黏度，使瀝青混合料能在相對較低的溫度下實現(xiàn)拌和、攤鋪與壓實，而不影響其使用性能的技術［1］.它能夠有效減緩傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料易造成瀝青老化、能源消耗較大和有害氣體排放過多的問題，在中國已取得越來越多的應用［2－3］.目前，除較常用的國外引進的Evotherm 和Sasobit外，部分國內學者和企業(yè)也進行了新型溫拌劑開發(fā)研究，如張起森等［4］對海川公司自主研發(fā)的EC120進行了性能研究；王春等［5］對基于表面活性技術和有機添加劑方法的KSH 系列溫拌瀝青混合料進行了研究，發(fā)現(xiàn)其使用性能均可滿足規(guī)范要求；袁濱等［6］研發(fā)了乳化型液體溫拌劑ZL－1，ZL－2和膏狀固體型溫拌劑DS－2，并對溫拌機理進行了研究.上述溫拌劑對瀝青混合料拌和溫度的降低效果均較明顯，但存在著對瀝青低溫性能有一定負面影響或價格較高等問題，嚴重限制了它們的推廣應用及研究進展，導致中國溫拌劑市場仍存在著自主知識產權較少、對國外技術產品和經驗依賴較重的問題［7－9］.因此，開發(fā)一種或幾種能夠在中國廣泛使用的性能較優(yōu)、價格較低的溫拌劑具有十分重要的意義.

本文針對自行研發(fā)的2種適用于溫拌瀝青改性技術要求的新型溫拌劑，系統(tǒng)研究了其對SBS改性瀝青針入度、軟化點、延度這3大指標及耐老化性能的影響規(guī)律，以及對施工溫度的降低幅度；確定了2種新型溫拌改性瀝青與集料的黏附性等級，并對新型溫拌劑的微觀作用機理進行研究，以便為中國溫拌改性瀝青技術的開發(fā)及應用提供一定的參考依據(jù).

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

SBS改性瀝青，其具體指標見表1.新型溫拌劑：A型溫拌劑是一種極性聚乙烯蠟，熔點約100℃，化學性質穩(wěn)定，溫度較高時可完全溶解于瀝青，減少聚合物分子鏈之間的摩擦力，降低聚合物熔融體黏度，改進其流動性；B型溫拌劑是一種三甲基氯化銨，白色結晶性粉末，易溶于異丙醇，震蕩時會產生大量泡沫，與陽離子、非離子、兩性表面活性劑有良好的配伍性，被廣泛應用于瀝青乳化、防水涂料乳化及乳液起泡劑等.

表1 SBS改性瀝青的物理性能Table 1 Physical properties of SBS modified asphalt

1.2 新型溫拌改性瀝青制備方法

將SBS改性瀝青加熱到（170±5）℃，然后分別把稱量好的A 型和B 型溫拌劑緩慢加入其中；恒溫下，先以1 000r／min的轉速攪拌10min，再以4 000r／min的轉速攪拌10min，最后在1 000r／min下緩慢攪拌10min，以排除高速攪拌時產生的氣泡，制得A 型和B型2種新型溫拌改性瀝青.

1.3 試驗方法

參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，分別對A 型和B 型溫拌劑摻量（質量分數(shù)，下同）為0%（即普通SBS 改性瀝青），0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和3.0%的 新型溫拌改性瀝青進行針入度、軟化點和延度試驗，以評價這2種溫拌劑對瀝青3大指標的影響；進行旋轉薄膜加熱試驗，以評價這2種溫拌劑對瀝青老化性能的影響；采用“水煮法”進行黏附性能試驗，以測定新型溫拌改性瀝青與粗集料的黏附性能；采用美國布洛克菲爾德旋轉黏度儀，測試不同溫拌劑摻量下改性瀝青在115，130，145，160，175℃時的黏度.為研究新型溫拌劑的作用機理，對改性瀝青進行紅外光譜（FTIR）試驗及熱重（TG）試驗（溫拌劑摻量均為2.0%），F(xiàn)TIR 試驗分辨率0.2cm－1，掃描次數(shù)32次，測試范圍4 000～400cm－1；TG 試驗溫度范圍為室溫～1 500℃，靈敏度0.1μg，升溫速率10℃／min，測試范圍取為常溫～600℃，N2氣氛.

2 試驗結果與討論

2.1 新型溫拌改性瀝青常規(guī)路用性能

A 型及B型溫拌改性瀝青3大指標試驗結果見表2.

由表2可見：（1）摻加A 型或B 型溫拌劑的改性瀝青25℃針入度均遠小于普通SBS 改性瀝青，表明2種溫拌劑的摻加使瀝青抵抗變形能力增加.2種溫拌改性瀝青的針入度均隨溫拌劑摻量增加而不斷減小，但減小速率有所差異：在較小摻量（0%～0.5%）下，二者隨溫拌劑摻量的增加均變化明顯，減小速率較快；當摻量為0.5%～1.5%時，二者隨溫拌劑摻量的變化較小，即此時溫拌劑摻量對瀝青針入度影響較??；當摻量大于1.5%后，溫拌劑對二者的影響再一次加大，即隨溫拌劑摻量增加其下降較快.（2）摻加A 型溫拌劑的改性瀝青軟化點隨溫拌劑摻量增大而不斷升高，表明A 型溫拌劑可明顯提高SBS改性瀝青的高溫性能；在溫拌劑摻量較低情況下，B型溫拌改性瀝青的軟化點與普通SBS改性瀝青相差甚小，而當摻量高于1.0%后，其軟化點隨著溫拌劑摻量的增加而不斷增加；在摻量相同條件下，A 型溫拌改性瀝青的軟化點高于B 型溫拌改性瀝青，表明在對瀝青高溫穩(wěn)定性的改善上A 型溫拌劑更具優(yōu)勢.（3）加入A 型溫拌劑的改性瀝青延度有所減小，而加入B型溫拌劑的改性瀝青延度均高于普通SBS改性瀝青，且隨B型溫拌劑摻量的增加而不斷增加.按照延度是對瀝青低溫性能的反映這一觀點來看，A 型溫拌劑對瀝青的低溫性能有一定負面影響，而B型溫拌劑則可改善瀝青的低溫性能.

表2 2種溫拌改性瀝青基本性能試驗結果Table 2 Performance test results of two warm－mix modified asphalts

2.2 新型溫拌改性瀝青耐老化性能

根據(jù)旋轉薄膜加熱試驗結果計算瀝青老化后的殘留針入度比、軟化點增量以及延度保留率（溫拌劑摻量為0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%），結果如表3所示.

表3 2種溫拌改性瀝青耐老化性能試驗結果Table 3 Aging test results of two warm－mix modified asphalts

由表3可見：（1）在SBS改性瀝青中加入A 型和B 型溫拌劑后，其殘留針入度比都明顯增大，在摻量為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%時，2種溫拌改性瀝青的殘留針入度比分別比SBS 改性瀝青高出5.6%，6.4%，7.9%，9.6% 和24.6%，27.4%，28.5%，31.7%，表明摻入這2種溫拌劑能增強瀝青抵抗變形的能力，從而改善其抗老化性能.（2）隨著溫拌劑摻量增加，2種溫拌改性瀝青老化前后的軟化點增量減小，且均小于普通SBS改性瀝青的軟化點增量，表明2種溫拌劑會降低SBS改性瀝青對老化的敏感程度，且溫拌劑摻量越大，這種改善效果越明顯.（3）2 種溫拌改性瀝青的延度保留率較普通SBS改性瀝青明顯提高，但均隨著溫拌劑摻量的增加而緩慢減小，當溫拌劑摻量由0.5%變?yōu)?.0%時，2種溫拌改性瀝青延度保留率分別減小3.3%和3.2%，表明溫拌劑摻量對瀝青延度保留率影響較小.

2.3 新型溫拌改性瀝青黏附性能

為評價摻加溫拌劑對瀝青與礦料黏附性的影響，對2種溫拌改性瀝青與花崗巖的黏附性進行了測試.結果發(fā)現(xiàn)當溫拌劑摻量為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%時，2種溫拌改性瀝青與粗集料的黏附性等級均為5級，表明A 型和B型溫拌劑可以很好地融入到瀝青中，且不影響SBS改性瀝青與礦料的黏附性.

2.4 新型溫拌改性瀝青混合料拌和及壓實溫度的初步確定

目前，中國瀝青混合料的施工溫度主要根據(jù)黏溫曲線確定，以瀝青黏度為（0.17±0.02）Pa·s時的溫度作為瀝青混合料拌和溫度范圍，以瀝青黏度為（0.28±0.03）Pa·s時的溫度作為瀝青混合料壓實成型的溫度范圍.為確定2種溫拌改性瀝青混合料的拌和及壓實溫度，本文將測定的旋轉黏度繪制成黏溫曲線，如圖1所示，并根據(jù)等黏溫度原則確定了2 種溫拌改性瀝青混合料的施工溫度，如表4所示（溫拌劑摻量均為0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%）.

圖1 2種溫拌改性瀝青黏溫關系曲線Fig.1 Viscosity－temperature curves of two warm－mix modified asphalts

表4 溫拌改性瀝青混合料施工溫度Table 4 Construction temperatures of warm－mix modified asphalt mixtures ℃

由表4可知，A 型和B 型溫拌劑均可明顯降低瀝青混合料的拌和及壓實溫度，且2種溫拌劑均是在摻量為2.0%時具有最為明顯的降低效果，此時它們可分別降低瀝青混合料拌和溫度27℃和25℃，壓實溫度32℃和29℃，表明采用2種溫拌劑對瀝青進行改性時，可明顯降低瀝青混合料的施工溫度，達到低溫拌和與攤鋪的目的；1.5% 和2.0%摻量下的同種溫拌改性瀝青混合料施工溫度差別不大，因此，綜合考慮降溫效果和經濟性，2 種溫拌劑均選用1.5%摻量較合適.

2.5 新型溫拌改性瀝青與其他溫拌改性瀝青性能對比

表5列出了2種新型溫拌改性瀝青及國內常用溫拌改性瀝青（溫拌劑摻量均為3.0%）的3大指標對比結果.

表5 新型溫拌改性瀝青與其他溫拌改性瀝青3大指標對比Table 5 Comparison of three main indexes of new warm－mix modified asphalt with other warm－mix modified asphalt

由表5可見，在相同摻量下，2種新型溫拌改性瀝青的針入度均小于另外3種溫拌改性瀝青，而軟化點則均大于這3種改性瀝青，表明A 型和B型溫拌劑更有利于提高瀝青的抗變形能力和高溫穩(wěn)定性；2種新型溫拌改性瀝青的延度均大于Sasobit溫拌改性瀝青，表明它們具有更好的低溫性能.因此，A 型和B型溫拌劑不僅可達到低溫施工的目的，在對瀝青某些路用性能的影響上也具有優(yōu)勢.

3 微觀機理研究

3.1 紅外光譜（FTIR）測試

圖2為2種新型溫拌改性瀝青（溫拌劑摻量均為2.0%）與普通SBS改性瀝青的FTIR 圖譜.由圖2可見，2種新型溫拌改性瀝青的主要特征峰基本沒有出現(xiàn)大的位移，因此可以判斷它們的紅外光譜中沒有大的吸熱峰產生；在波數(shù)為800～1 000cm－1處出現(xiàn)了新的次要特征峰值，對于A 型溫拌改性瀝青而言主要是C—O—C對稱伸縮吸收峰，對于B型溫拌改性瀝青而言主要是N—N 伸縮吸收峰和NH2搖擺吸收峰.表明2種溫拌劑摻入瀝青后出現(xiàn)了一些新的官能團，即2種溫拌劑與瀝青發(fā)生了化學反應.A 型溫拌劑中的C—O—C極性基易被瀝青膠質吸附，使得瀝青聚集體結構比較松，所以瀝青分子空間延伸度不大，黏度降低.B型溫拌劑的氨基活性較大，其與瀝青中的瀝青膠質黏結性較好，導致瀝青中連續(xù)相體積增加，從而降低了瀝青黏度.2種溫拌劑的加入使得瀝青黏度下降，宏觀上即表現(xiàn)為在相對較低的溫度下瀝青就有一定的流動性和較高的拌和性，從而達到溫拌目的.

圖2 3種改性瀝青FTIR 對比圖譜Fig.2 FTIR spectra of three modified asphalts

3.2 熱重（TG）分析

熱重試驗在室溫～600℃下進行，TG 及DTG曲線見圖3.

圖3 3種改性瀝青的TG，DTG 曲線Fig.3 TG and DTG curves of three modified asphalts

由圖3可見，在氮氣環(huán)境下，2種溫拌改性瀝青（溫拌劑摻量均為2.0%）和普通SBS改性瀝青隨著溫度的升高呈現(xiàn)幾乎相同的熱重變化規(guī)律.唯一區(qū)別是2種溫拌改性瀝青只有1 個失熱階段（220～530℃）.表明溫拌劑的添加減少了瀝青的失重階段及失重量級.這也說明在瀝青中加入A 型和B 型溫拌劑后，引起了瀝青內部的化學成分變化，而不只是簡單的物理混溶，從而使瀝青中的相變更加平緩.在燃燒過程中，失重速率的變化階段較少，熱失重更加穩(wěn)定，更有利于溫拌瀝青的高溫穩(wěn)定性.

4 結語

（1）摻入A 型和B型溫拌劑均可明顯提高瀝青的抗變形能力和高溫性能，且隨摻量增加，這種改善效果不斷提高；A 型溫拌劑對瀝青低溫性能有一定負面影響，但仍符合相關規(guī)范要求，B 型溫拌劑可改善瀝青的低溫性能.

（2）2種新型溫拌劑均具有明顯的降低瀝青混合料施工溫度的效果，在2.0%摻量下，A 型和B 型溫拌劑可分別降低SBS改性瀝青混合料拌和溫度27℃和25℃，壓實溫度32℃和29℃.

（3）FTIR 試驗和熱重試驗均表明，A 型和B 型溫拌劑會與瀝青發(fā)生化學反應，導致瀝青黏度降低，使這2種溫拌改性瀝青混合料能在低溫條件下施工，并且較普通SBS 改性瀝青具有更好的溫度穩(wěn)定性.

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