彩色瀝青用基礎淺色膠結(jié)料的調(diào)配與性能研究★

康金玲，王黎明，孫思達

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

用彩色瀝青混合料鋪筑的路面顏色艷麗，可以起到美化路容和引導交通的作用，隨著應用規(guī)模的擴大，已經(jīng)逐漸成為一種受到重視的鋪面材料。性能類似瀝青的淺色膠結(jié)料是制備彩色瀝青路面的基礎，俗稱明色瀝青，現(xiàn)階段的制備方法有兩種: 瀝青脫色法和淺色有機化工產(chǎn)品調(diào)配法，其中后者的生產(chǎn)工藝簡單、性能易于調(diào)節(jié)且成本較低，目前已經(jīng)成為制備技術(shù)的主流[1-5]。

自20 世紀80 年代以來，國內(nèi)外不同學者進行了淺色有機化工產(chǎn)品調(diào)配淺色瀝青技術(shù)的研究，趙亮等[6]采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 復合改性C9 樹脂和高含量芳烴減壓餾分油獲得了淺色瀝青膠結(jié)料，對比考察了國內(nèi)外同類產(chǎn)品和70 號基質(zhì)瀝青組成和流變性能。劉開文等[7]采用芳烴油、萜烯樹脂、鄰苯二甲酸丁二酯(DBP) 等原材料制備出噴涂速凝彩色防水材料。詹成根等[8]使用乳化劑、膠乳改性劑、70 號明色瀝青，制備了明色改性乳化瀝青。汪建平等[9]改變剪切速率、剪切溫度、剪切時間制備彩色高黏瀝青，并確定其最佳施工溫度。Afroditi Synnefa 等[10]對5 種彩色薄層瀝青樣品與常規(guī)黑色瀝青樣品相比較，證明彩色薄層瀝青有助于減輕熱島效應。隨著研究和國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，調(diào)配法或物理共混法制備淺色膠結(jié)料逐漸取得較為統(tǒng)一的技術(shù)認識，即參考瀝青的化學組成關(guān)系，以芳烴油(芳香烴質(zhì)量分數(shù)70% ～87%的減壓餾分油) 和樹脂(松香和萜烯樹脂等天然樹脂，C9 石油樹脂或古馬隆樹脂等合成樹脂) 為基礎，混溶淺色彈性高聚物(如EVA，SBR，SBS 等) 形成穩(wěn)定膠體。以高、中、低溫黏度作為關(guān)鍵控制指標，確定各種比例的調(diào)配水平[11-17]。為滿足基礎路用性能，我國交通行業(yè)標準JT/T 1128—2017 彩色瀝青結(jié)合料中所規(guī)定的淺色膠結(jié)料的技術(shù)指標和標準與本行業(yè)中對瀝青的相關(guān)規(guī)定基本相同。但是，由于作為制備淺色膠結(jié)料的上游化工產(chǎn)品，芳烴油、樹脂、高分子聚合物等原材料的品質(zhì)和性質(zhì)受生產(chǎn)工藝和成本的影響較大，迄今為止，行業(yè)內(nèi)并未形成如何依據(jù)技術(shù)標準調(diào)配淺色膠結(jié)料的統(tǒng)一方法。

本文采用芳烴油，C9 石油樹脂，EVA，SBR 四種常用調(diào)配原材料，研究了基于正交試驗確定最佳調(diào)配比例的方法，明確了材料比例對調(diào)配性能的影響規(guī)律，并引入DSR 和BBR 試驗用以驗證調(diào)配出的淺色膠結(jié)料的路用性能。本文的調(diào)配和驗證方法可以為其他基于類似組成材料調(diào)配彩色路面用淺色膠結(jié)料提供參考依據(jù)。

2 試驗概況

2．1 試驗原材料

本試驗采用的原材料為芳烴油、C9 石油樹脂以及丁苯橡膠(SBR) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 。原材料性質(zhì)如表1 所示。

表1 原材料基本性質(zhì)

2．2 制備工藝

按比例量取C9 石油樹脂，芳烴油，丁苯橡膠(SBR)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) ，樹脂黏度較高，為使溶液充分溶解，先將芳烴油加熱至160 ℃后將EVA 和SBR分次加入反應容器中攪拌溶解，然后將C9 石油樹脂加入反應容器中，參考文獻[6]中制備淺色膠結(jié)料的方法，采用高速剪切，溫度控制在160 ℃，時間為60 min，使各成分充分融合后160 ℃保溫1 h，待溶液冷卻后即制得淺色瀝青。

3 淺色膠結(jié)料的調(diào)配規(guī)律

3．1 試驗與結(jié)果

本研究調(diào)配法制備淺色瀝青的原材料有4 種，按照有機化學相似相溶的原理及前人研究經(jīng)驗[18]，4 種成分可較好地物理混溶，但不會發(fā)生顯著化學反應。4 種成分對調(diào)配結(jié)果的影響或調(diào)配規(guī)律可以通過全面交叉試驗得到，當考慮各成分的不同變化水平時，其試驗工作量巨大。鑒于各種成分物理混溶而無化學反應的特征，各成分可看作是對調(diào)配結(jié)果的獨立因素，本文設計正交試驗以縮減試驗工作量，并基于正交試驗結(jié)果分析各因素的調(diào)配結(jié)果(產(chǎn)品性能) 的影響規(guī)律和最佳調(diào)配比例。

在4 種成分中，芳烴油和C9 石油樹脂在化學特性方面接近，二者混溶比例的最直接影響結(jié)果是改變混溶物的黏度，因此取油脂比(芳烴油與C9 石油樹脂的質(zhì)量比) 作為獨立因素，取EVA 摻量和SBR 摻量分別為另外兩個獨立影響因素，分別命名為A，B，C。基于L9(33) 正交表設計三因素三水平的試驗，根據(jù)經(jīng)驗，三因素的變化水平分別安排為A(1．25∶1，1．5∶1，1．75∶1) ，B(2．0%，4．0%，6．0%) ，C(0%，2．0%，4%) ，其中B，C 的比例為占油+脂(100) 的外摻質(zhì)量。

按試驗設計和2．2 節(jié)標準制備工藝制備9 組試件，按我國規(guī)程JT/T 1128 和CJJT 218 選定25 ℃針入度、10 ℃延度及軟化點作為調(diào)配結(jié)果的評價指標。試驗安排和各組試驗的測試結(jié)果如表2 所示。

3．2 調(diào)配規(guī)律分析

通過正交試驗可確定各因素對針入度、延度和軟化點的影響規(guī)律以及選定最優(yōu)方案。表2 給出了油脂比、EVA 摻量和SBR 摻量影響因素的直觀分析，其中Ki表示每一列(g) 每一同種水平(i) 所對應試驗結(jié)果的算術(shù)平均值(i=1，2，3) ，R為每一列中的極差。

表2 L9(33)正交試驗方案與試驗結(jié)果

由表2 極差分析結(jié)果可知，影響針入度的主次因素為:油脂比>EVA 摻量>SBR 摻量，其中，針入度隨著油脂比的提高而提高，軟化點隨著油脂比的提高而降低。因此，從宏觀概念上來說，油脂比決定了淺色瀝青的軟硬，是決定淺色瀝青性能的基礎因素。影響10 ℃延度的主次因素為:油脂比>EVA 摻量>SBR 摻量。影響軟化點的主次因素為: 油脂比>SBR 摻量>EVA 摻量，EVA摻量變化引起的極差極小，說明其水平變化對軟化點無明顯影響。

與單因素分析相比，方差分析更能區(qū)別不同因素水平所對應的結(jié)果差異，由表3 ～表5 方差分析可知，油脂比對針入度、10 ℃延度、軟化點的影響均為極顯著水平(P<0．01) ，EVA 摻量對軟化點無顯著影響。綜上，方差分析與極差分析結(jié)果相一致。

表3 針入度方差分析表

表4 10 ℃延度方差分析表

表5 軟化點方差分析表

根據(jù)極差和方差分析綜合來看，以上述四種組分調(diào)配彩色瀝青時，應以油脂比為基礎調(diào)節(jié)瀝青的黏度(以針入度和軟化點表征) ，微調(diào)EVA 摻量和SBR 摻量改善其低溫性能(以延度表征) 。

3．3 優(yōu)選比例

根據(jù)各因素各水平所對應指標結(jié)果的平均值的大小可以確定優(yōu)選方案。如果要求指標越小越好，則取最小的平均值所對應水平;如果要求指標越大越好，則取最大的平均值所對應水平; 如果要求指標適中(固定值) ，則取適中的平均值所對應水平。

當以CJJT 218 中90 號淺色瀝青為制備目標時，其針入度應在80 ～100 之間，而此時的軟化點和延度值應越高越好。由表3 可知，油脂比對淺色瀝青的針入度、延度和軟化點的影響最大。以針入度最大值作為優(yōu)選方案，選取A2(1．5∶1) 。同理，對于EVA 摻量，以延度最大值作為優(yōu)選方案，選取B1(2%) ，但按此調(diào)配比例制備的淺色瀝青延度指標不符合CJJT 218 標準，因此調(diào)整EVA 摻量為B2(4%) ，滿足規(guī)范值，選取B2(4%) 。對于SBR 摻量，以軟化點最大值作為優(yōu)選方案，選取C2(2%) ，最終確定優(yōu)選調(diào)配比例為芳烴油∶C9 石油樹脂∶EVA∶SBR =60∶40∶4 ∶2(EVA 和SBR 外摻) ，或芳烴油∶C9 石油樹脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9(內(nèi)摻) 。

4 優(yōu)選調(diào)配比例下的性能驗證

按優(yōu)選調(diào)配比例制備彩色瀝青，對其常規(guī)的針入度、軟化點、延度等經(jīng)驗性能，及流變學指標進行評價，以驗證其是否符合JT/T 1128 中的技術(shù)標準。同時，采用一種常用中東油源盤錦90 號基質(zhì)瀝青做對比，以評價其相對普通瀝青的性能變化規(guī)律。

4．1 常規(guī)基本性能

其按JT/T 1128，CJJT 218，JTG F40 等相關(guān)規(guī)程所規(guī)定指標和標準方法進行針入度、軟化點等常規(guī)基本指標的性能檢驗，結(jié)果如表6 所示。

表6 優(yōu)選比例下的淺色瀝青指標

試驗結(jié)果表明，按芳烴油∶C9 石油樹脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9 比例調(diào)配的混溶物各項性能滿足CJJT 218 和JT/T 1128 中普通淺色瀝青技術(shù)標準。混溶物的顏色為棕褐色，在后期的混合料試驗中，可以采用不同顏色色粉調(diào)配出色澤明亮的彩色瀝青混合料。后續(xù)試驗也表明，當采用顏色更淺的芳烴油和樹脂時，其混溶物色澤也會更淺。最佳比例下制備的淺色瀝青見圖1。

圖1 最佳比例下制備的淺色瀝青

4．2 流變學性能指標

瀝青的流變學性質(zhì)包含黏溫關(guān)系及蠕變特性，研究采用60 ℃～135 ℃大范圍的黏度測試分析其黏度隨溫度的變化規(guī)律，采用動態(tài)剪切流變儀DSR 和彎曲梁流變儀BBR 測試和分析了淺色瀝青的高溫抗車轍和低溫抗開裂指標相對普通瀝青的特性。

4．2．1淺色膠結(jié)料的黏溫關(guān)系和溫度敏感性

瀝青的黏溫曲線直接體現(xiàn)了瀝青的路用性能，反映出瀝青的溫度敏感性。采用ASTM D2493 中的Walther和Saal 公式進行回歸分析，見式(1) ，擬合曲線見圖2，圖3。用黏溫曲線斜率b表征瀝青的溫度敏感性能，稱為感溫系數(shù)，b值越大瀝青的溫度敏感性越高。

圖2 淺色瀝青黏溫曲線

其中，η為瀝青黏度，Pa·s;T為溫度;b為感溫系數(shù)。

由圖2 得，通過對淺色瀝青測試黏度數(shù)據(jù)回歸，擬合曲線的方程為: lglg(η×103) =9．880 3-3．639 3lg(T+273．15) ，通過對90 號基質(zhì)瀝青測試黏度數(shù)據(jù)回歸，擬合曲線的方程為lglg(η×103) =9．551 4-0．305 2lg(T+273．15) ，擬合優(yōu)度分別為0．999 1 和0．996 7，具有較好的相關(guān)性。淺色瀝青60 ℃～135 ℃感溫系數(shù)為-3．639 3，而90 號基質(zhì)瀝青在該溫度區(qū)間的感溫系數(shù)為-3．505 2，淺色瀝青的溫度敏感性比90 號基質(zhì)瀝青略高。和大多數(shù)道路瀝青一樣，在60 ℃～135 ℃溫度范圍內(nèi)淺色瀝青黏溫關(guān)系對數(shù)坐標圖中呈線性，表現(xiàn)出牛頓流體的特性。根據(jù)曲線擬合得到其拌和黏度范圍(0．17 ±0．02) Pa·s與壓實黏度范圍(0．28 ±0．03) Pa·s 所對應的溫度范圍分別為130 ℃～134 ℃和140 ℃～146 ℃，上述溫度范圍與90 號基質(zhì)瀝青相差不大。

針入度指數(shù)PI是用以描述瀝青在常溫段的溫度敏感性的指標，針入度指數(shù)PI越大，瀝青的溫度敏感性越小。瀝青的針入度的對數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，即:

其中，lgP為不同溫度條件下測得的針入度值的對數(shù);T為試驗溫度;K為回歸方程的常數(shù)項a;AlgPen為回歸方程的系數(shù)b。

針入度指數(shù)的計算公式為:

試驗選取溫度為15 ℃，25 ℃和30 ℃，測得淺色針入度指數(shù)PI=-0． 6，90 號基質(zhì)瀝青針入度指數(shù)PI=-0．9，符合JTG F40 要求(-1．5≤PI≤1．0) ，在15 ℃～30 ℃范圍內(nèi)其感溫性能優(yōu)于90 號基質(zhì)瀝青。淺色瀝青針入度指數(shù)-2

4．2．2淺色瀝青的高溫抗車轍能力

通過動態(tài)剪切流變儀分別對老化前后的淺色瀝青進行溫度掃描試驗。溫度掃描范圍46 ℃～82 ℃，淺色瀝青和90 號基質(zhì)瀝青復數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/×sinδ和疲勞因子G*×sinδ隨溫度變化情況如圖3 ～圖5所示。

圖3 復數(shù)剪切模量影響曲線

圖4 車轍因子影響曲線

圖5 疲勞因子影響曲線

由圖3，圖4 可知，瀝青的復數(shù)剪切模量與車轍因子隨溫度升高而持續(xù)減小，與對照組變化趨勢相同;在同種溫度下，淺色瀝青的G*和G*/sinδ皆小于90 號基質(zhì)瀝青，即淺色瀝青的高溫抗變形能力低于90 號基質(zhì)瀝青。

由圖5 可知，隨著溫度升高，淺色瀝青和90 號基質(zhì)瀝青的疲勞因子G*/sinδ均降低，且淺色瀝青的疲勞因子小于90 號基質(zhì)瀝青，相比90 號基質(zhì)瀝青，淺色瀝青抗疲勞性能更好。

根據(jù)AASHTO MP1a-04 中對PG 分級的劃分，當某個溫度等級下原樣瀝青G*/sinδ≥1．0 kPa 以及RTFOT后的瀝青G*/sinδ≤2．2 kPa 時，稱最高溫度等級為瀝青的高溫PG 分級，由本試驗確定的淺色瀝青的高溫PG 分級為58。

4．2．3淺色膠結(jié)料的低溫抗開裂能力

蠕變勁度模量S反映瀝青在低溫中抵抗變形的能力，數(shù)值越小，表明瀝青在低溫環(huán)境下的柔性越好。蠕變速率m反映瀝青應力松弛能力的強弱，數(shù)值越高，表明瀝青路面抵抗低溫開裂能力越強。為了研究制備得到的淺色瀝青的低溫性能，對淺色瀝青和90 號基質(zhì)石油瀝青進行BBR 試驗，試驗溫度為-18 ℃，-12 ℃和-6 ℃，其測試結(jié)果如圖6，圖7 所示。

圖6 蠕變曲線

圖7 蠕變速率曲線

由圖6，圖7 可知，在-6 ℃，-12 ℃溫度下，淺色瀝青的勁度模量均小于基質(zhì)瀝青，且均滿足S≤300 MPa 的技術(shù)要求，在此溫度下，淺色瀝青低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，而在-18 ℃時，淺色瀝青和基質(zhì)瀝青的S值已超出S≤300 MPa 技術(shù)要求。在三個溫度下，淺色瀝青的m值比基質(zhì)瀝青的m值大，表明在-6 ℃，-12 ℃和-18 ℃溫度下，淺色瀝青產(chǎn)生的應力松弛比基質(zhì)石油瀝青好，抗低溫開裂性能強于基質(zhì)瀝青。綜合蠕變勁度模量S和蠕變速率m來看，淺色瀝青低溫抗裂能力較好。

根據(jù)AASHTO MP1a-04，淺色瀝青在-12 ℃下的蠕變勁度模量S小于300 MPa、蠕變速率m大于0．3，淺色瀝青的低溫PG 分級為-22。

5 結(jié)論

本研究基于化學調(diào)配法，以芳烴油，C9 石油樹脂，EVA，SBR 四種成為制備彩色瀝青混合料用基礎淺色膠結(jié)料，按技術(shù)目標設計正交試驗取得了組成成分的調(diào)配規(guī)律和優(yōu)選比例，并對優(yōu)選調(diào)配比例下的膠結(jié)料進行了性能評價和分析。研究結(jié)論如下:

1) 各成分比例中，油脂比對淺色瀝青黏度或軟硬程度的影響最為顯著，是決定淺色瀝青性能的基礎因素，微調(diào)EVA 摻量和SBR 摻量改善其低溫性能(以延度表征) 。由試驗確定的優(yōu)選比例，芳烴油∶C9 石油樹脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9，滿足我國90 號彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)標準。

2)60 ℃～135 ℃的大溫度范圍黏度測試和針入度指數(shù)測試表明，優(yōu)選比例下調(diào)配的淺色瀝青的黏溫關(guān)系與基質(zhì)瀝青接近，具有相近的施工溫度段和服役溫度段溫度敏感性。

3) DSR 對比溫度掃描試驗表明，淺色瀝青與普通基質(zhì)瀝青的高溫蠕變變形趨勢基本相同，但淺色瀝青的G*和G*/sinδ皆小于90 號基質(zhì)瀝青，疲勞因子大于90 號基質(zhì)瀝青，淺色瀝青的高溫抗變形能力低于基質(zhì)瀝青，耐疲勞性好于基質(zhì)瀝青。

4) BBR 對比試驗表明，在-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃溫度下，淺色瀝青的低溫抗裂能力優(yōu)于90 號基質(zhì)瀝青。

5) 根據(jù)AASHTO 標準可知，淺色瀝青的PG 分級為PG58-22。