路用新型常溫改性瀝青性能評價體系及其混合料性能研究

李 霖，張 丹，江睿南

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

0 引言

隨著節(jié)能環(huán)保、綠色低碳等理念在道路領(lǐng)域的推廣，常溫改性瀝青混合料憑借其能耗低、致癌煙塵污染低、儲存時間長及施工便捷等技術(shù)優(yōu)勢，越來越受到青睞[1-8]。Sol-Sánchez 等[9]研究了溫拌瀝青的開裂壽命，得出溫拌瀝青與熱拌瀝青在微觀和宏觀裂化發(fā)展方面具有相似的抗裂性能。Sebaaly 等[10]分析了常溫改性瀝青的抗水損害性能、抗車轍性能、疲勞開裂和熱開裂性能，認(rèn)為常溫改性瀝青混合料與熱拌瀝青混合料性能相似。Kim 等[11]基于間接拉伸試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)溫拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能低于熱拌瀝青混合料，但表現(xiàn)出良好的抗拉伸性能。張冰清[12]通過研究常溫拌和瀝青混合料薄層路面技術(shù)的應(yīng)用，認(rèn)為常溫拌和瀝青混合料具有較好的路用性能。佟禹等[13]制備了一種常溫瀝青并對其瀝青混合料的性能進(jìn)行研究，得出當(dāng)加熱溫度不高于188 ℃時，常溫瀝青熱穩(wěn)定性良好，其混合料各項(xiàng)路用性能均能達(dá)到熱拌瀝青混合料性能要求。余勝軍[14]通過分析常溫拌和瀝青性能得出，ACMP-2 混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性。羅浩原等[15]基于穩(wěn)定度試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、低溫彎曲破壞應(yīng)變測試，認(rèn)為常溫改性劑對于瀝青混合料的低溫抗裂性有良好的改善作用，但對其強(qiáng)度、高溫抗車轍性能、水穩(wěn)定性均存在劣化作用。綜上可知，目前有關(guān)常溫改性瀝青的研究主要集中在混合料路用性能方面，但對于常溫改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等路用性能并沒有達(dá)成共識，并且鮮有關(guān)于常溫改性劑及常溫改性瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的研究，常溫改性瀝青性能評價體系也尚不明確，仍需進(jìn)一步探討。

廢舊輪胎內(nèi)含有大量的甲苯基乙烯類嵌段共聚物，能顯著提高瀝青的低溫變形延展性能[16-17]。鑒于此，以橡膠烴油為基體制備常溫改性劑，采用差示掃描量熱法、紅外光譜儀以及離析試驗(yàn)，系統(tǒng)評價其微觀性能及其與瀝青的相容性。在此基礎(chǔ)上，利用常溫改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，制備常溫改性瀝青，明確常溫改性瀝青性能評價體系，全面評價常溫改性瀝青混合料路用性能并總結(jié)其強(qiáng)度增長規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

原材料主要包括基質(zhì)瀝青、常溫改性劑、集料等?；|(zhì)瀝青選用90#基質(zhì)瀝青，常溫改性劑以廢舊輪胎、塑料煉制的橡膠烴油為基體，橡膠烴油約占改性劑質(zhì)量的80%，其他輔助化工原材料占改性劑質(zhì)量的20%；粗集料選用玄武巖，細(xì)集料與礦粉選用石灰?guī)r。原材料的技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 常溫瀝青改性劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 常溫改性瀝青的制備

常溫改性瀝青制備過程一般包括裂解、降壓分離、制備稀釋劑、制備高分子樹脂改性劑、改性和調(diào)配6個步驟。

（1）裂解：分別將松焦油、熱穩(wěn)定劑（將高酸價植物油與硫磺按質(zhì)量比49∶1放入硫化鍋內(nèi)，升溫至200℃進(jìn)行硫化制得的硫化植物油）、廢舊橡膠按質(zhì)量比5～7∶1～2∶90～100 放入臥式旋轉(zhuǎn)裂解器內(nèi)，升溫至345～365℃后停止加熱。

（2）降壓分離：待臥式旋轉(zhuǎn)裂解器內(nèi)溫度降至320℃后，恒溫2h，然后自然冷卻，并將蒸發(fā)的氣體通入降壓包中進(jìn)行降壓分離，其中氣體部分向上進(jìn)入冷凝系統(tǒng)形成冷凝液，液體部分作為重組分。

（3）制備稀釋劑：將步驟（2）中得到的冷凝液中的水與高聚物分離，將得到的高聚物作為稀釋劑。

（4）制備高分子樹脂改性劑：向步驟（2）中得到的重組分液體中加入質(zhì)量為其自身質(zhì)量3%的分散劑W33 和1.5%的促進(jìn)劑CBS，攪拌均勻得到高分子樹脂改性劑。

（5）改性：將130～150℃的基質(zhì)瀝青放入酯化反應(yīng)釜中，然后分別加入質(zhì)量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量5‰的高分子樹脂改性劑和5.5%的10#瀝青，攪拌30min。

（6）調(diào)配：待酯化反應(yīng)釜內(nèi)溫度降至80～90℃時，加入質(zhì)量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量5‰的環(huán)氧樹脂E-44 和1.5‰的固化劑T-31，攪拌30min，待溫度降至60～70℃時加入質(zhì)量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量10%～30%的稀釋劑，攪拌15min，制得常溫改性瀝青。

2 常溫改性劑性能試驗(yàn)

常溫改性劑材料的微觀結(jié)構(gòu)表征能夠體現(xiàn)其宏觀性能機(jī)理。常溫改性劑與瀝青的相容性是決定其改性效果和常溫改性瀝青制備工藝的關(guān)鍵因素。因此，開展常溫改性劑微觀性能以及其與瀝青相容性的研究尤為重要。

2.1 常溫改性劑微觀表征

為探究常溫改性劑微觀結(jié)構(gòu)表征，采用差示掃描量熱法測量樣品的熔點(diǎn)以及熔融范圍，升溫速率為10℃/min；采用紅外光譜儀，研究樣品分子的結(jié)構(gòu)，鑒別其化學(xué)組成。試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著溫度的升高，樣品開始熔化，吸熱（或放熱）峰逐漸產(chǎn)生。常溫改性劑起始熔點(diǎn)較高，初始吸熱溫度為57.5℃，而且?guī)讉€峰之間距離較近，形狀也較為明顯，這表明材料的純度較高，且小分子物質(zhì)的含量較低。

常溫改性劑紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 常溫改性劑紅外光譜圖

分析圖1 可知，常溫改性劑的紅外光譜圖在y軸有3 個峰值，分別為：吸收波長在2917～2949cm-1附近的—CH2—（彎曲和伸縮振動），吸收波長在1462～1472cm-1附近的—CH2—（剪式振動），吸收波長在719～729cm-1附近的CH2面外搖擺，3個主峰都是CH 振動，未觀察到C—C振動，符合飽和直鏈烷烴的主要振動特征，表明常溫改性劑的主要成分為飽和直鏈烷烴。

吸收波長在3 603cm-1附近的為游離O—H 伸縮，在3 439cm-1附近的為締合O—H伸縮振動，在2 635cm-1附近的為—SH伸縮。吸收波長在2328cm-1附近的為—C≡≡≡C—或—C≡≡≡N—，在1 738cm-1附近的為＞C==O，在1 641cm-1附近的為C==C，在1 377cm-1附近的為—CH(CH3)2和—C(CH3)3。這些小的吸收峰表明常溫改性劑中含有少量不飽和雙鍵，以及少量的醇、酚、醚類物質(zhì)。

綜上可知，常溫改性劑起始熔點(diǎn)較高，小分子物質(zhì)含量較低，材料純度較高，主要成分為飽和直鏈烷烴，另外還含有少量的不飽和雙鍵以及醇、酚、醚類物質(zhì)。

2.2 常溫改性劑與瀝青的相容性

為了解常溫改性劑與瀝青的相容性，通過離析試驗(yàn)，詳細(xì)觀察了常溫改性瀝青在停止攪拌、冷卻后的離析情況。試驗(yàn)結(jié)果詳見表3。

表3 常溫改性瀝青離析情況

由表3 可知，常溫改性瀝青在試驗(yàn)過程中混合均勻，無結(jié)皮和沉淀，表明常溫改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性較好，無離析現(xiàn)象。

3 常溫改性瀝青性能評價

常溫改性瀝青在常溫密閉存儲條件下呈糊狀，類似潤滑油狀，在常溫條件下具有一定的流動性，經(jīng)過一定時間的揮發(fā)固化后，與聚合物改性瀝青性能相當(dāng)?，F(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中尚未有針對該類材料的性能評價體系。鑒于此，先采用道路石油瀝青與液體石油瀝青材料的性能評價體系對該類材料的性能進(jìn)行初步評價，然后根據(jù)其揮發(fā)性溶劑的技術(shù)特點(diǎn)，提出適用于常溫改性瀝青的性能評價體系。

3.1 基于道路石油瀝青的性能評價體系

為科學(xué)評價常溫改性瀝青的性能，先采用道路石油瀝青材料性能評價體系對常溫改性瀝青的性能進(jìn)行初步評價，結(jié)果如表4所示。

表4 常溫改性瀝青技術(shù)指標(biāo)性能初評（道路石油瀝青性能評價體系）

分析表4 可知，采用道路石油瀝青性能評價體系進(jìn)行常溫改性瀝青材料性能評價時，針入度超出儀器設(shè)備量程，軟化點(diǎn)為5℃，延度為0cm。并且，除溶解度、儲存穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求外，其余技術(shù)指標(biāo)均不滿足要求。因此，常溫改性瀝青性能評價不宜采用道路石油瀝青性能評價體系。

3.2 基于液體石油瀝青的性能評價體系

為進(jìn)一步明確常溫改性瀝青性能評價體系，采用液體石油瀝青性能評價體系進(jìn)行常溫改性瀝青性能評價，結(jié)果如表5所示。

表5 常溫改性瀝青技術(shù)指標(biāo)初評（液體石油瀝青性能評價體系）

分析表5 可知，采用液體石油瀝青性能評價體系進(jìn)行常溫改性瀝青性能評價時，除黏度（C25.5）不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求外，其余技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。常溫改性瀝青由于摻配溶劑比例的不同，蒸發(fā)時間有所差別，因此，應(yīng)根據(jù)摻配的揮發(fā)性溶劑的質(zhì)量比例控制蒸發(fā)質(zhì)量損失時間，并建議待揮發(fā)性溶劑全部揮發(fā)后進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的檢測。通常，該類產(chǎn)品的溶劑質(zhì)量摻配比例在內(nèi)摻15%左右，常溫通風(fēng)條件下?lián)]發(fā)14～28d 或135℃條件下通風(fēng)加熱蒸發(fā)6～24h，其質(zhì)量損失可達(dá)到12%以上，即可進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測。一般不推薦采用加熱蒸發(fā)法，因?yàn)閺暮罄m(xù)的實(shí)體工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，高于100℃時，常溫改性瀝青中的部分物質(zhì)發(fā)生變化，針入度、延度及閃點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo)的變異性較大，影響該試驗(yàn)方法的可靠度。

3.3 常溫改性瀝青性能評價體系

為更加科學(xué)合理地評價常溫改性瀝青的性能，根據(jù)氣候類型及交通量大小，并綜合考慮道路石油瀝青評價體系與液體石油瀝青評價體系下常溫改性瀝青的性能評價結(jié)果，將常溫改性瀝青按照適用區(qū)域分為以下3 種類型，其技術(shù)指標(biāo)要求如表6所示。

A型：適用于寒溫帶至中溫帶區(qū)域。

B型：適用于中溫帶至暖溫帶區(qū)域。

C型：適用于暖溫帶至亞熱帶及熱帶區(qū)域。

表6 常溫改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求

4 常溫改性瀝青混合料配合比優(yōu)化及性能評價

常溫改性瀝青混合料的強(qiáng)度完全形成需耗時半個月，在強(qiáng)度形成初期，主要靠礦料間的嵌擠能力提供初期強(qiáng)度。因此，其礦料級配與最佳油石比是決定其路用性能及強(qiáng)度增長規(guī)律的關(guān)鍵因素。

4.1 常溫改性瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

集料配合比設(shè)計(jì)采用SAC 斷級配設(shè)計(jì)法，級配設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格控制合成級配最大公稱粒徑、4.75mm和0.075mm這3個篩孔的通過率，采用冪函數(shù)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建粗細(xì)集料級配曲線。冪函數(shù)模型為：

式（1）中：y為各粒徑的通過率（%）；x為各粒徑的孔徑（mm）；a,b為級配曲線系數(shù)。

式（1）中的兩個待定參數(shù)a和b的確定方法如下：根據(jù)4.75mm,0.075mm 篩孔通過率計(jì)算細(xì)集料級配曲線的系數(shù)a,b；根據(jù)最大公稱粒徑、4.75mm 篩孔通過率計(jì)算粗集料級配曲線的系數(shù)a,b。

采用冪函數(shù)構(gòu)建的常溫改性瀝青混合料各篩孔通過率如表7所示。

表7 常溫改性瀝青混合料各篩孔通過率

4.2 基于礦料最緊密狀態(tài)的最佳油石比確定

對于任何一種礦料級配，在某一固定的壓實(shí)狀態(tài)下，隨著瀝青的摻入，由于瀝青的潤滑和填充作用，使得混合料的框架結(jié)構(gòu)越來越緊密。當(dāng)瀝青摻量達(dá)到一定程度時，混合料中自由瀝青增加，導(dǎo)致混合料的框架結(jié)構(gòu)逐漸被撐開。其中，混合料框架結(jié)構(gòu)被撐開前的狀態(tài)稱為最緊密狀態(tài)，此時對應(yīng)的油石比為混合料最緊密狀態(tài)下的最佳油石比。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，測定礦料最緊密狀態(tài)下的最佳油石比，常溫旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100 次，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 SAC-10-35常溫改性瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表8 可知，隨著油石比的增大，瀝青混合料的最大干密度呈先增大后減小的趨勢。因此，可以采用二次曲線模型回歸分析瀝青混合料的最大干密度隨油石比變化的規(guī)律，并根據(jù)二次曲線的極值特性確定混合料的最佳油石比，結(jié)果詳見圖2。

圖2 油石比與干密度關(guān)系曲線

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，很容易得到油石比與干密度（礦料最緊密狀態(tài)）的關(guān)系曲線。由圖2 中的二次拋物線系數(shù)可以計(jì)算得出最大干密度對應(yīng)的油石比為5.4%。因此，上述礦料級配對應(yīng)的最佳油石比為5.4%，此時對應(yīng)的空隙率為0.9%。

4.3 常溫改性瀝青混合料路用性能及強(qiáng)度增長規(guī)律

基于前文確定的混合料組成設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)常溫改性瀝青混合料，全面分析其高溫性能、水穩(wěn)定性以及強(qiáng)度變化規(guī)律。

（1）高溫性能

瀝青混合料應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性能，以保證材料自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為研究不同溫度與養(yǎng)生時間下常溫改性瀝青混合料的高溫性能，采用車轍試驗(yàn)分別測試試件養(yǎng)生7d 和15d 時瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 常溫改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表9 可知，養(yǎng)生7d 后，當(dāng)試驗(yàn)溫度為60℃時，瀝青混合料的相對變形較大，超出車轍試驗(yàn)設(shè)備測試量程，溫度降至50 ℃和40 ℃時，動穩(wěn)定度可以測量，但相對變形較大，均超出《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 050—2017）的要求，表明常溫改性瀝青混合料的高溫性能有待進(jìn)一步提高。但養(yǎng)生15d 后，當(dāng)試驗(yàn)溫度為60℃時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度達(dá)1 403次/mm以上，車轍試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。由于本次試驗(yàn)選用的最大公稱粒徑為9.5mm，當(dāng)選用最大公稱粒徑為16mm 時，車轍試驗(yàn)結(jié)果的動穩(wěn)定度會有所提高，混合料的高溫穩(wěn)定性能明顯增強(qiáng)。

（2）水穩(wěn)定性

路面投入使用后，將長期受到雨水等自然環(huán)境因素的影響。因此，常溫改性瀝青混合料應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性。本研究采用殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)評價常溫改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如表10、表11所示。

表10 常溫改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表11 常溫改性瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表10、表11可知，常溫改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）的要求，但推薦采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型，保證其礦料達(dá)到最緊密狀態(tài)。

（3）強(qiáng)度變化規(guī)律

常溫改性瀝青混合料經(jīng)過一定時間的揮發(fā)固化后，強(qiáng)度逐漸形成，與聚合物改性瀝青混合料性能相當(dāng)。為研究其強(qiáng)度變化規(guī)律，確定該類材料適宜的性能檢測時間，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型圓柱體試件，常溫養(yǎng)護(hù)一定齡期，考察養(yǎng)護(hù)時間對常溫改性瀝青混合料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表12和圖3所示。

表12 常溫改性瀝青混合料單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 常溫改性瀝青混合料單軸抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線

分析表12 和圖3 可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，常溫改性瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14d 時，常溫改性瀝青混合料的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為13.23MPa。因此，對該類材料進(jìn)行性能檢測試驗(yàn)時，其養(yǎng)護(hù)齡期應(yīng)大于14d。

5 結(jié)語

本文以橡膠烴油為基體制備了常溫改性劑，系統(tǒng)評價了常溫改性劑的微觀性能及其與瀝青的相容性，明確了常溫改性瀝青性能評價體系及其混合料組成設(shè)計(jì)方法，全面研究了常溫改性瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性等路用性能及強(qiáng)度增長規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）常溫改性劑的純度較高，無低熔點(diǎn)的小分子物質(zhì)，主要成分為飽和直鏈烷烴，含有少量的不飽和雙鍵以及醇、酚、醚類物質(zhì)，且其與基質(zhì)瀝青的相容性較好；

（2）常溫改性瀝青的性能評價不宜采用道路石油瀝青與液體石油瀝青的性能評價體系，因此根據(jù)氣候類型及交通量大小，將常溫改性瀝青分為A、B、C 3 種類型，提出適用于常溫改性瀝青的性能評價體系；

（3）常溫改性瀝青混合料應(yīng)采用冪函數(shù)構(gòu)建骨架礦料級配，以礦料最緊密狀態(tài)確定最佳油石比，其高溫性能有待進(jìn)一步提升；但常溫養(yǎng)生15d 的高溫性能可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；常溫改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性亦滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；

（4）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，常溫改性瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，養(yǎng)護(hù)齡期為14d 時，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為13.23MPa。因此，進(jìn)行該類材料的性能檢測試驗(yàn)時，其養(yǎng)護(hù)齡期應(yīng)大于14d。

但本文只提出了常溫改性瀝青性能評價體系，對于常溫改性瀝青混合料的性能評價體系未作深入探討，后續(xù)可建立針對常溫改性瀝青混合料的性能評價體系。此外，本文只基于室內(nèi)試驗(yàn)對常溫改性瀝青混合料的性能進(jìn)行評價，后續(xù)可結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)一步完善對常溫改性瀝青混合料的性能評價。