ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料性能影響*

馬 峰，侯英杰，傅 珍,劉松然，楊希旺

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064； 2. 長安大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

增塑劑常應(yīng)用于塑料制品或樹脂中，用來提高其可加工性、柔韌性、塑性和可拉伸性能[1-2]。從微觀上來看，因為增塑劑的加入使分子間的范德華力減小，從而增加分子間的移動性，進(jìn)而降低了分子鏈的結(jié)晶性，同時增強其柔韌性[3-5]。因增塑劑有多種優(yōu)異性能，近年來多被廣泛應(yīng)用于塑料制品中。借鑒增塑劑在塑料工業(yè)中的成功應(yīng)用，國內(nèi)申萬青[6-7]、孔志峰[8]、楊希旺等[3]嘗試在瀝青中加入增塑劑進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)增塑劑可以使瀝青混合料的低溫性能得到明顯改善。然而以鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)為代表的鄰苯二甲酸酯類增塑劑存在有毒致癌，難以降解等[9,10]缺點，在許多國家中被限制使用。與傳統(tǒng)增塑劑相比，乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)具有毒性弱[11]，對環(huán)境負(fù)面影響小[12-13]等特點。此外，ATBC增塑劑可以提高材料的柔韌性和伸長率[14-15]，而且高低溫性能良好[16]。因為ATBC增塑劑擁有以上優(yōu)勢，且其優(yōu)點契合實際工程中對于瀝青改性劑的需求[17-18]，故本文采用乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)作為瀝青改性劑。

本研究對不同摻量ATBC增塑劑改性后的瀝青及瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)試驗，探究ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響，為增塑劑改性瀝青的研究提供一定參考。

1 試驗材料及方案

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本研究采用的3種基質(zhì)瀝青分別為：中海90#、SK90#、SK70#，瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 3種基質(zhì)瀝青指標(biāo)Table 1 Index of three kinds of base asphalt

1.1.2 集料級配

在本研究中，粗骨料為石灰?guī)r礫石。細(xì)骨料為石灰石機制砂，含泥量為0.5%，其中砂的平均硒當(dāng)量為70%。礦粉是細(xì)度大于96%的石灰石。瀝青混合料的級配類型為AC-13型，級配范圍為中值。

1.1.3 ATBC增塑劑

本試驗采用ATBC增塑劑，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 ATBC增塑劑技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of ATBC plasticizer

1.2 試驗方案

制備改性瀝青：首先將3種基質(zhì)瀝青放置于140 ℃的烘箱中加熱1.5h至流動狀態(tài)，用電子秤稱取500g瀝青于缸中，相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]指出ATBC增塑劑在改性瀝青中的適宜摻量為2%到3%，同時考慮到經(jīng)濟性，本研究選擇加入2%、2.5%、3%、3.5%摻量的ATBC增塑劑，之后用剪切機剪切10 min，整個過程中控制溫度在130 ℃左右，得到4種摻量的改性瀝青。對制備的改性瀝青進(jìn)行延度試驗、脆點試驗、軟化點試驗及針入度試驗，通過比較添加ATBC增塑劑前后瀝青性能指標(biāo)的變化，研究瀝青高低溫性能和感溫性能因不同ATBC摻量產(chǎn)生的區(qū)別。

制備瀝青混合料：先將拌和鍋設(shè)置到150 ℃進(jìn)行預(yù)熱，依次放入粗細(xì)集料、改性瀝青和礦粉，拌和1.5 min。將拌和好的瀝青混合料分別制成馬歇爾試件、車轍板試件和棱柱體小梁試件。對制備的瀝青混合料試件分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗等試驗并根據(jù)結(jié)果對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，探究ATBC增塑劑對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

2 ATBC增塑劑對瀝青性能的影響

2.1 低溫性能

為研究增塑劑對基質(zhì)瀝青低溫性能的影響，將ATBC增塑劑按照0%、2%、2.5%、3%、3.5%的摻量分別加入到SK70#、SK90#、中海90#瀝青中，對得到的改性瀝青進(jìn)行5 ℃和10 ℃延度試驗和脆點試驗分析。

2.1.1 延度

SK70#、SK90#、中海90# 3種基質(zhì)瀝青在4種摻量下5 ℃延度如圖1所示。

圖1 3種瀝青結(jié)合料5 ℃延度Fig 1 5 ℃ ductility of asphalt binder

由圖1可以看出，摻入ATBC增塑劑后，3種瀝青5 ℃時的延度均有明顯提升，延度的上升與摻量的增加呈正相關(guān)性。不同種類瀝青受到ATBC增塑劑的影響程度并不相同。3種基質(zhì)瀝青(SK70#、SK90#、中海90#)5 ℃時延度分別為4.7、5.6和5.5 cm，添加3.5%ATBC增塑劑后，延度分別增加到69、77.61和81.4 cm，增長率分別為1 368.08%、1 285.89%、1 371.69%。表明ATBC增塑劑可以提高瀝青的延度，進(jìn)而表現(xiàn)為瀝青低溫時的拉伸性能增加。這是因為添加ATBC會導(dǎo)致基質(zhì)瀝青四組分中的重組分瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量占比減少，相反輕組分芳香分和飽和分含量占比增大，使分子間范德華力減小，從而增加分子流動性，進(jìn)而降低了分子鏈的結(jié)晶性，同時增強其柔韌性。

3種基質(zhì)瀝青在2%ATBC摻量下10 ℃時延度大小如表3所示。

表3 3種瀝青結(jié)合料10 ℃延度Table 3 10 ℃ ductility of asphalt binder

由表3可見，10 ℃下，3種基質(zhì)瀝青在2%摻量ATBC增塑劑時，其延度都大于150 cm，因試驗設(shè)備最大伸展尺寸所限，無法測出其最終延度，同時有關(guān)文獻(xiàn)指出，瀝青延度大于150 cm的數(shù)據(jù)意義已不大，故對其不再進(jìn)行分析，但從表3可以得出ATBC增塑劑對3種瀝青的10 ℃延度改善效果十分顯著。

2.1.2 當(dāng)量脆點

SK70#、SK90#、中海90# 3種基質(zhì)瀝青在4種摻量下的當(dāng)量脆點如圖2所示。

圖2 瀝青結(jié)合料當(dāng)量脆點Fig 2 Equivalent brittle point of asphalt binder

由圖2可以看出，3種瀝青在加入ATBC增塑劑后，其當(dāng)量脆性點均開始下降，且隨著摻量的增大而進(jìn)一步減小。添加3.5%ATBC增塑劑后，SK70#基質(zhì)瀝青的當(dāng)量脆性點達(dá)到-23.88 ℃，降低了132%，SK90#基質(zhì)瀝青的當(dāng)量脆性點達(dá)到-23.44 ℃，下降了89.36%，中海90#基質(zhì)瀝青的當(dāng)量脆性點達(dá)到-26.16 ℃，降低了63.96%。3種瀝青結(jié)合料脆點溫度受ATBC增塑劑影響不全相同，其中中海90#在加入ATBC增塑劑后效果最好。脆點降低表示瀝青材料出現(xiàn)斷裂時的溫度越低，即瀝青的低溫性能越好。結(jié)合延度試驗和當(dāng)量脆點試驗可知，ATBC增塑劑能夠明顯提升瀝青結(jié)合料的低溫性能。

2.2 高溫性能

本研究中改性前后瀝青結(jié)合料的高溫性能選用實測軟化點和當(dāng)量軟化點進(jìn)行評價。圖3是SK70#、SK90#、中海90# 3種基質(zhì)瀝青在4種摻量下實測軟化點和當(dāng)量軟化點的變化情況。

圖3 瀝青結(jié)合料的實測軟化點和當(dāng)量軟化點Fig 3 Measured softening point and equivalent softening point of asphalt binder

由圖3(a)可知，添加ATBC增塑劑后，3種瀝青的實測軟化點均有所下降，且隨著ATBC含量的增加，軟化點不斷下降，其中SK90#瀝青的實測軟化點下降最明顯。添加3.5%ATBC增塑劑后，測得的軟化點降低了18.56%。圖3(b)中當(dāng)量軟化點與ATBC含量的變化關(guān)系成反比，這與實測軟化點的趨勢相同。實測軟化點和當(dāng)量軟化點有較大差異是因為國產(chǎn)瀝青的含蠟量普遍較高，在測量當(dāng)量軟化點時除去了蠟含量的影響。當(dāng)添加3.5%ATBC時，當(dāng)量軟化點下降幅度最大，達(dá)到15.50%?？梢钥闯鯝TBC增塑劑會對瀝青結(jié)合料的高溫性能造成較大損失。

2.3 感溫性能

為研究增塑劑對基質(zhì)瀝青感溫性能的影響，在中海90#，SK90#、SK70#基質(zhì)瀝青結(jié)合料中分別加入4種不同摻量的ATBC增塑劑，進(jìn)行針入度試驗和瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)得到針入度指數(shù)PI和粘溫指數(shù)VTS，對比加入ATBC增塑劑前后兩個指標(biāo)的變化，分析感溫性能。

2.3.1 針入度指數(shù)PI

一定范圍內(nèi)，針入度指數(shù)PI值越大，瀝青的感溫性能越好。在中國的相關(guān)規(guī)范中，該范圍要求在-1.5和1.0之間。AlgPen表示感溫系數(shù)，其是線性擬合回歸方程的系數(shù)b，AlgPen數(shù)值越小，代表瀝青性能越好。本研究根據(jù)線性擬合出的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.997。不同摻量ATBC增塑劑對3種瀝青針入度指數(shù)PI的影響結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，3種瀝青的針入度指數(shù)PI隨ATBC增塑劑摻量的增加而增大，同時AlgPen數(shù)值卻伴隨摻量的增加而減小。SK70#基質(zhì)瀝青針入度指數(shù)PI為-1.10，AlgPen數(shù)值為0.0474，加入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升86.4%和13.7%；SK90#基質(zhì)瀝青針入度指數(shù)PI為-1.12，AlgPen數(shù)值為0.0476，摻入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升73.6%和12.2%；中海90#基質(zhì)瀝青針入度指數(shù)PI為-0.53，AlgPen數(shù)值為0.043，加入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升69.8%和5.3%。瀝青PI值由-1向0靠攏，表示ATBC的加入會使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)從溶-凝膠型向凝膠型發(fā)展，導(dǎo)致瀝青的溫度敏感性降低，進(jìn)而使其在低溫環(huán)境下的抗裂性能得到一定的提升。

圖4 針入度指數(shù)PI和AlgPen系數(shù)Fig 4 Penetration index PI and AlgPen coefficients

2.3.2 粘溫指數(shù)VTS

瀝青在測試溫度范圍內(nèi)的溫度敏感性可以通過粘溫曲線的斜率m來表征。一般來說，瀝青的感溫性能與粘溫曲線的斜率m的大小成反比，m值越小瀝青的感溫性能越好，反之則越差。粘溫指數(shù)VTS與瀝青的感溫性能關(guān)系恰相反，VTS越大，瀝青的感溫性能越差。本研究粘溫指數(shù)VTS的試驗溫度為T1=60 ℃，T2=175 ℃。圖5是3種不同瀝青結(jié)合料加入不同摻量ATBC后粘溫指數(shù)VTS的變化情況。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，添加ATBC增塑劑后，3種瀝青結(jié)合料的粘溫指數(shù)VTS均有不同程度的上升。表明ATBC增塑劑可以降低瀝青的溫度敏感性，當(dāng)ATBC摻量逐漸增加，瀝青的溫度敏感性持續(xù)降低，這一表現(xiàn)有利于瀝青路面的拌合施工。因為粘溫指數(shù)VTS上升幅度并不大，最大增幅只有3.99%，所以實際效果可能并不明顯。

圖5 瀝青結(jié)合料粘溫指數(shù)VTSFig 5 Viscosity temperature index VTS of asphalt binder

3 ATBC增塑劑對瀝青混合料性能的影響

由上文可知，ATBC增塑劑對中海90#瀝青的改善效果最為明顯，故選用中海90#瀝青制備瀝青混合料試件，并通過低溫彎曲試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究路用性能的變化。

3.1 低溫抗裂性能

制備ATBC增塑劑摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#瀝青混合料進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗，通過最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強度兩個指標(biāo)來評價瀝青混合料低溫性能，結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，在加入ATBC增塑劑后，中海90#瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變呈提高趨勢，且隨摻量的增加而增大，當(dāng)增塑劑含量為3.5%時，最大應(yīng)變在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上增幅達(dá)13.7%。從圖6(b)可知，摻入ATBC增塑劑后，中海90#瀝青混合料的抗彎拉強度逐漸增加，表明ATBC增塑劑可以提高瀝青混合料的低溫性能。同時摻量越多，抗彎拉強度也越大，3.5%摻量混合料的抗彎拉強度與原混合料相比，提高了9.6%，考慮到經(jīng)濟性的因素，本研究只做到3.5%ATBC摻量。由圖6可知，增塑劑摻量的不同對瀝青混合料影響效果不同，兩者呈正相關(guān)，摻量越多，低溫抗裂性能就越好?？紤]到瀝青試驗中，在基質(zhì)瀝青中加入ATBC增塑劑后，瀝青的當(dāng)量脆性點和低溫延度均有所提高，從而提高瀝青混合料骨料與瀝青界面之間的粘結(jié)力，綜上ATBC增塑劑的加入可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖6 不同摻量下低溫性能指標(biāo)變化Fig 6 Variation of low temperature performance index with different content

3.2 高溫穩(wěn)定性能

制備ATBC增塑劑摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#混合料進(jìn)行車轍試驗分析。通過動穩(wěn)定度評價瀝青混合料高溫性能，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，中海90#瀝青混合料45 min和60 min累計車轍深度大小與ATBC增塑劑的摻量成正相關(guān)，其中45 min的累計車轍深度增幅更加明顯。

與之相反，圖7(b)中動穩(wěn)定度的變化與ATBC增塑劑的摻量成反比，中海90#瀝青混合料中增塑劑摻量越大，動穩(wěn)定度越小。與基質(zhì)瀝青混合料相比，摻量3.5%ATBC瀝青混合料的動穩(wěn)定度下降了37.07%，對于混合料的高溫穩(wěn)定性能影響較大。瀝青混合料動穩(wěn)定度的下降與瀝青試驗中軟化點和當(dāng)量軟化點的下降有一定相同性。綜上所述，ATBC增塑劑的添加對瀝青混合料的高溫性能造成了較大的不利影響。

圖7 瀝青混合料累積變形和動穩(wěn)定度Fig 7 Cumulative deformation and dynamic stability of asphalt mixture

3.3 水穩(wěn)定性

制備ATBC摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見圖8。

由圖8可知，隨著ATBC增塑劑的加入，瀝青的殘余穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比有一定程度的提高。3.5%ATBC摻量的混合料殘余穩(wěn)定度與基質(zhì)瀝青混合料相比提升了5.84%。相對于殘余穩(wěn)定度，混合料加入ATBC增塑劑后的凍融劈裂強度比提升比較顯著，線性增長關(guān)系也更清楚。基質(zhì)瀝青混合料的凍融劈裂強度比只有72.55%，ATBC增塑劑摻量2.5%時，增長了1.8%，摻量3.5%時，達(dá)到8.58%。這可能是因為ATBC增塑劑在瀝青結(jié)合料和集料表面之間起到橋梁作用，促進(jìn)附著力，抵抗水的作用。這通常是因為ATBC分子具有極化的末端，其電荷吸引另一種材料的相反電荷，使其能夠瀝青結(jié)合到骨料表面，并與瀝青粘合劑相容。可以看出，ATBC增塑劑對于瀝青混合料的水穩(wěn)定性有較好的改善效果。

圖8 瀝青混合料殘余穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比Fig 8 Residual stability and freeze thaw splitting strength ratio of asphalt mixture

4 結(jié) 論

選用SK70#、SK90#、中海90#3種瀝青，分別加入4種不同摻量ATBC增塑劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，并選用改性后的中海90#瀝青制備瀝青混合料試件，通過一系列試驗對比加入ATBC增塑劑前后多種指標(biāo)的變化，分析了ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料的影響，主要結(jié)論如下。

(1)ATBC增塑劑能顯著改善瀝青結(jié)合料的低溫性能，但會降低高溫性能，增塑劑摻量越高，上述效果越明顯；在感溫性能方面，ATBC增塑劑的加入使得瀝青結(jié)合料的感溫性能略有提高。

(2)摻加ATBC增塑劑的瀝青混合料抗彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變均有所提高，3.5%ATBC摻量可以使瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提升13.74%，兩指標(biāo)隨著ATBC增塑劑摻量的增加而提高，表明ATBC增塑劑的添加對瀝青混合料的低溫性能有所提升。

(3)當(dāng)ATBC增塑劑摻量不斷增加時，瀝青混合料的高溫動穩(wěn)定度數(shù)值隨之減小，當(dāng)增塑劑摻量為3.5%時，動穩(wěn)定度數(shù)值下降37.07%，瀝青混合料高溫性能明顯降低。

(4)在瀝青混合料水穩(wěn)定性方面，添加ATBC增塑劑的瀝青混合料的殘余穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均有所提高，且隨增塑劑摻量的逐漸增加，瀝青混合料的殘余穩(wěn)定度可提高5.84%，凍融劈裂強度比提升8.58%，其對提高瀝青混合料抗水損害方面有一定提升。