硬質(zhì)瀝青復(fù)合基質(zhì)瀝青性能影響研究

孫 科

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著全球變暖和交通量激增，車輛重載、超載現(xiàn)象頻繁，對我國瀝青路面提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。普通的道路石油瀝青已無法滿足路面的使用需求，道路瀝青的選擇有向低標(biāo)號瀝青方向發(fā)展的趨勢[1-3]。硬質(zhì)瀝青作為一種剛度高、抗車轍能力強(qiáng)的路面材料逐漸引起研究者的廣泛關(guān)注，硬質(zhì)瀝青或高模量外摻劑添加進(jìn)瀝青中，提高瀝青混合料性能是道路鋪筑發(fā)展趨勢之一[4]。

國外經(jīng)驗(yàn)表明，硬質(zhì)瀝青的使用可以提高瀝青路面抗車轍能力、延長路面使用壽命、減薄路面厚度并增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)[5]。由于硬質(zhì)瀝青低溫性能不佳，我國對硬質(zhì)瀝青的研究和應(yīng)用普遍較少。鑒于基質(zhì)石油瀝青良好的低溫性能和硬質(zhì)瀝青突出的高溫性能，筆者將硬質(zhì)瀝青以不同比例分別加入到基質(zhì)瀝青中制備出復(fù)合瀝青，對復(fù)合瀝青各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測，以期得到硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 主要原材料

基質(zhì)瀝青為加德士AH-70，硬質(zhì)瀝青源于澤浩化工公司。

1.2 試驗(yàn)工藝

稱取一定量基質(zhì)瀝青將其加熱為流動狀態(tài)，而后向其內(nèi)分別加入8%、16%、24%、32%和40%基質(zhì)瀝青重量的硬質(zhì)瀝青，混合均勻后制備出不同硬質(zhì)瀝青摻量的復(fù)合瀝青，對上述復(fù)合瀝青進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測。黏度測試儀器為Brookfield 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，流變儀為美國TA 流變儀，接觸角測試儀器為梭倫接觸角測定儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬質(zhì)瀝青與基質(zhì)瀝青的紅外光譜分析

研究中為分析硬質(zhì)瀝青與基質(zhì)瀝青在分子結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)信息上的特征，筆者先對兩者進(jìn)行紅外光譜測試，分析兩者在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的差異。圖1為70 號基質(zhì)瀝青和硬質(zhì)瀝青的紅外光譜圖。

圖1 硬質(zhì)瀝青與基質(zhì)瀝青紅外譜圖

紅外光譜FTIR 測試結(jié)果顯示，硬質(zhì)瀝青的最強(qiáng)譜帶位于2 921 cm-1附近，肩峰為2 848 cm-1附近，與基質(zhì)瀝青的最強(qiáng)譜帶位置基本一致；次強(qiáng)譜帶位于1 455 cm-1附近，對應(yīng)肩峰為1 377 cm-1處；鄰峰為1 606 cm-1處，亦與基質(zhì)瀝青出峰位置接近。硬質(zhì)瀝青和基質(zhì)瀝青在紅外光譜測試中的出峰位置幾乎完全相同，均出現(xiàn)烷烴伸縮振動吸收峰、烷烴彎曲振動吸收峰、芳香環(huán)C-H 彎曲振動吸收峰和烷烴C-H 彎曲振動吸收峰，及羰基和亞砜基吸收峰。兩種瀝青所含官能團(tuán)極為一致，只是強(qiáng)度略有差別，因而理論上兩者具有良好的相溶性。

2.2 硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青常規(guī)指標(biāo)影響

不同硬質(zhì)瀝青摻量的復(fù)合瀝青三大指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。綜合看來，隨硬質(zhì)瀝青摻量增加，復(fù)合瀝青的針入度降低、軟化點(diǎn)升高、延度下降，表現(xiàn)為高溫性能得到增強(qiáng)，低溫性能減弱。PI 數(shù)值隨硬質(zhì)瀝青摻量增多而減小，表現(xiàn)為復(fù)合瀝青體系對溫度的敏感性降低。這是由于硬質(zhì)瀝青自身高溫性能顯著而低溫性能不足導(dǎo)致，且硬質(zhì)瀝青中較多的重質(zhì)組分會鈍化體系的感溫性能。

表1 復(fù)合瀝青的三大指標(biāo)

2.3 硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青黏度影響

由于硬質(zhì)瀝青自身高黏的特點(diǎn)，它的加入必然會使復(fù)合瀝青的黏度增加。但摻量對復(fù)合瀝青黏度的提高幅度及對施工溫度的影響程度不得而知，為此筆者對制備的復(fù)合瀝青進(jìn)行不同溫度范圍下的布氏黏度進(jìn)行測試。表2 為復(fù)合瀝青黏度檢測結(jié)果。與預(yù)期一致，整體上復(fù)合瀝青的黏度隨硬質(zhì)瀝青摻量的增加呈上升趨勢。當(dāng)溫度升高至135℃時瀝青黏度驟降，這說明在110℃～135℃范圍內(nèi)存在瀝青的黏彈性轉(zhuǎn)變。硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青體系黏度的影響幅度隨溫度升高而減弱，即溫度越高，硬質(zhì)瀝青摻量對黏度的影響越不顯著，這是由于溫度越高瀝青體系呈牛頓性流體的趨勢愈明顯。

表2 復(fù)合瀝青黏度 Pa·s

根據(jù)黏溫曲線的關(guān)系，對上述黏度取雙對數(shù)，對溫度取對數(shù)，對上述瀝青進(jìn)行直線回歸，回歸方程見表3。

表3 復(fù)合瀝青黏溫方程

t 為試驗(yàn)溫度，℃；η 為黏度，cp。

按照回歸的黏溫關(guān)系，推得黏度為0.19 Pa·s 和0.15 Pa·s 時的拌和溫度以及黏度為 0.3 Pa·s 和0.26 Pa·s 時的壓實(shí)溫度，具體結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合瀝青拌和與壓實(shí)溫度℃

由表4 中數(shù)據(jù)可見，硬質(zhì)瀝青摻量每增加8%，絕大多數(shù)復(fù)合瀝青拌和與壓實(shí)溫度的增幅為2℃～3℃，但24%和32%摻量下復(fù)合瀝青的黏度差異不大，拌和與壓實(shí)溫度差值小于1℃。盡管硬質(zhì)瀝青的加入會使施工溫度提高，即使40%硬質(zhì)摻量的施工溫度也低于常規(guī)聚合物改性瀝青施工溫度，因此研究摻量范圍內(nèi)，硬質(zhì)瀝青的加入未明顯提高施工溫度和增加施工能耗。

2.4 硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青接觸角影響

潤濕性可以反映固體表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)和與之接觸的液體表面與界面性質(zhì)以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現(xiàn)，其具體過程可通過接觸角大小體現(xiàn)。根據(jù)液體與固體接觸角的大小可對固體表面的親水性進(jìn)行判斷，通常若固體表面與水滴的接觸角小于90°則為親水狀態(tài)，大于90°為疏水狀態(tài)。

瀝青混合料水穩(wěn)定性是指瀝青與集料形成黏附層后，水存在時由于水對瀝青的置換作用而導(dǎo)致瀝青剝落的抵抗程度[6]。瀝青與水潤濕性越好則水對瀝青的置換作用越顯著，即瀝青與水的接觸角越大，潤濕性越差，越有利于提高混合料的水穩(wěn)定性。為此筆者對不同硬質(zhì)瀝青摻量的復(fù)合瀝青進(jìn)行接觸角測試，以期對復(fù)合瀝青親疏水性做出評價。

試驗(yàn)中水滴與瀝青表面接觸后成像，通過測定水滴高度H 與寬度2R 可根據(jù)反推出兩者的接觸角，如圖2 所示。

圖2 小液滴測量法

表5 復(fù)合瀝青與水接觸角 （°）

由表5 數(shù)據(jù)可見，上述瀝青與水的接觸角均大于90°，體現(xiàn)為疏水特性。復(fù)合瀝青與水的接觸角隨硬質(zhì)瀝青摻量增加而變大，體現(xiàn)為疏水性逐漸增強(qiáng)。由于水是極性物質(zhì)，根據(jù)相似相溶原理，瀝青中極性組分越多則越易與水吸附，而瀝青中極性組分絕大多數(shù)存在于輕質(zhì)組分內(nèi)。由于硬質(zhì)瀝青內(nèi)部重組分多輕組分少，所以復(fù)合硬質(zhì)瀝青后會使極性組分比例降低，體現(xiàn)為與水接觸角增大，疏水性增強(qiáng)，有利于提高水穩(wěn)定性能。

2.5 硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青車轍因子影響

瀝青材料作為典型的黏彈性體，從低溫到高溫過渡時會出現(xiàn)從彈性體向塑性體轉(zhuǎn)變的過程，且瀝青黏度隨溫度的升高會呈現(xiàn)非線性指數(shù)倍數(shù)降低，高溫階段瀝青模量出現(xiàn)顯著降低。SHRP 計(jì)劃推薦采用車轍因子表征材料抵抗永久變形的能力，筆者對上述瀝青進(jìn)行流變測試，分析不同硬質(zhì)瀝青摻量對復(fù)合瀝青車轍因子的影響。

圖3 復(fù)合瀝青車轍因子

由圖3 可見，各瀝青車轍因子均隨溫度升高而降低，表明溫度越高材料抵抗變形的能力越弱。硬質(zhì)瀝青重質(zhì)組分多、黏度大、彈性行為顯著，它的加入可使瀝青體系模量增加，彈性增強(qiáng)。隨硬質(zhì)瀝青摻量增加，復(fù)合瀝青的車轍因子不斷增大，表現(xiàn)為硬質(zhì)瀝青摻量越多越有利于提升體系抵抗高溫變形的能力。

3 結(jié)論

a）紅外光譜結(jié)果顯示，硬質(zhì)瀝青和基質(zhì)瀝青的出峰位置相同，兩種瀝青所含官能團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)相似度高，理論上相溶性好。

b）隨硬質(zhì)瀝青摻量增加，復(fù)合瀝青針入度降低、軟化點(diǎn)升高、延度下降，復(fù)合瀝青體系對溫度的敏感性降低。

c）復(fù)合瀝青的黏度隨硬質(zhì)瀝青摻量的增加呈上升趨勢，摻量每增加8%，復(fù)合瀝青拌和與壓實(shí)溫度的增幅約為2℃～3℃，研究摻量范圍內(nèi)的施工溫度均低于常規(guī)聚合物改性瀝青施工溫度。

d）復(fù)合瀝青與水的接觸角隨硬質(zhì)瀝青摻量增加而變大，體現(xiàn)為疏水性逐漸增強(qiáng)，硬質(zhì)瀝青的加入有利于提高體系水穩(wěn)定性。

e）復(fù)合瀝青的車轍因子隨硬質(zhì)瀝青摻量增加而不斷增大，越有利于提升體系抵抗高溫變形的能力。