高黏改性劑對普通瀝青改性性能的影響研究

鄧家喜 鄒前 陳杰 歐冬 黎柱強

【摘要：】為研究高黏改性劑種類及摻量對高黏瀝青性能的影響，文章選取市場常用的四種高黏改性劑及四種摻量對泰普克70#瀝青進行改性，分別測試改性后的高黏瀝青的針入度、軟化點、5 ℃延度、布氏旋轉(zhuǎn)黏度等關(guān)鍵技術(shù)指標，分析高黏改性劑種類及摻量對各項指標性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)選高黏改性劑產(chǎn)品，確定最佳摻量。結(jié)果表明：四種高黏改性劑對泰普克70#瀝青的高溫性能及低溫性能均有大幅的提升作用，不同種類的高黏改性劑對基質(zhì)瀝青的改性效果不同;四種高黏改性劑中C改性效果最佳，根據(jù)不同摻量下各項技術(shù)指標變化規(guī)律，推薦最佳摻量為12%。

【關(guān)鍵詞：】超薄罩面;高黏瀝青;高黏改性劑;最佳摻量;預(yù)防性養(yǎng)護

U416.03A020043

0 引言

我國高速公路建設(shè)逐漸由建設(shè)為主轉(zhuǎn)向建養(yǎng)并重發(fā)展階段，瀝青路面的養(yǎng)護工作必將迎來新的高潮?？够p是當前高速公路瀝青路面存在的普遍問題，一些高速公路通車不到三年路面抗滑系數(shù)就急劇下降，最大降幅達到73%，嚴重影響了公路的使用性能和服務(wù)水平?！豆窞r青路面預(yù)防養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5142-01-2021）對預(yù)防性養(yǎng)護提出了明確的技術(shù)措施，超薄罩面是解決瀝青路面抗滑衰減的重要措施之一，瀝青膠結(jié)料性能的優(yōu)劣對超薄罩面的使用性能及耐久性具有重要影響。

添加高黏改性劑是提升瀝青膠結(jié)料性能及其混合料路用性能的主要途徑。陳加干等[1]采用SBS改性劑及高黏改性劑TS-1并輔以穩(wěn)定劑、相容劑對雙龍70#瀝青進行改性，改性后的高黏瀝青60 ℃動力黏度是普通改性瀝青的13倍，復(fù)數(shù)模量是普通改性瀝青的1.6倍，路用性能大幅提升。不同高黏改性劑與基質(zhì)瀝青的配伍性不同，對瀝青性能提高的貢獻程度不同，其高黏改性劑最佳摻量也有差異。周沛延等[2]對比了兩種高黏改性劑在8%摻量下對瀝青使用性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種高黏改性劑均能不同程度地提升瀝青的高溫性能。劉學(xué)亮等[3]采用自主開發(fā)的HVB改性劑與日本TPS改性劑對SK-90基質(zhì)瀝青的改性效果進行對比，當HVB改性劑摻量為11.5%時與TPS改性劑摻量為16.5%時的性能相當，均具有良好的路用性能。梁若翔等[4]通過對四種摻量下某高黏改性劑與SBS改性瀝青復(fù)配后的針入度、延度、軟化點、60 ℃動力黏度等指標變化規(guī)律進行分析，確定高黏改性劑最佳摻量為8%，并驗證了該摻量下得到的高黏瀝青具有良好的流變性能。而相同的改性組分改性不同品質(zhì)的瀝青，改性效果也不相同，楊三強等[5]研究了SBS、TPS等改性劑與兩種基質(zhì)瀝青的配伍性，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青品質(zhì)不同，改性瀝青指標差異較大。

如何選取與基質(zhì)瀝青具有良好配伍性的高黏改性劑產(chǎn)品以及確定最佳摻量，是影響超薄罩面路面性能和經(jīng)濟性的重要因素。本文通過選取市場上常用的4種高黏改性劑對基質(zhì)瀝青進行改性，研究改性后高黏瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標隨摻量的變化規(guī)律，并結(jié)合高黏瀝青路用性能要求，優(yōu)選高黏改性劑產(chǎn)品，優(yōu)化最佳摻量，為預(yù)防性養(yǎng)護超薄罩面建設(shè)用原材料的選擇及高黏瀝青性能質(zhì)量控制提供參考。

1 原材料

本文高黏改性劑樣品來自國內(nèi)三家公司自主研發(fā)并生產(chǎn)的高黏改性劑A、B、C，以及日本生產(chǎn)的高黏改性劑D。試驗用基質(zhì)瀝青為泰普克70#瀝青，性能指標如表1所示。

2 試驗方案

2.1 高黏瀝青制備工藝

高黏瀝青制備工藝通常分為混溶階段、高速剪切階段和發(fā)育階段，加工溫度、剪切速率及發(fā)育時間等參數(shù)對高黏瀝青性能有重要影響。本文參考已有文獻[6]采用的高黏瀝青制備工藝關(guān)鍵參數(shù)為：剪切溫度170 ℃、剪切時間50 min、發(fā)育時間120 min。

試驗室制備高黏瀝青工藝：

（1）先將基質(zhì)瀝青加熱至170 ℃，然后用燒杯稱取所需的基質(zhì)瀝青放入電熱套中保溫，保持基質(zhì)瀝青溫度在170 ℃±5 ℃。

（2）稱取所需的高黏改性劑，邊添加高黏改性劑邊用玻璃棒攪拌，添加過程應(yīng)在2 min內(nèi)完成。

（3）將攪拌均勻的瀝青與高黏改性劑混合物放置在170 ℃溫控箱中溶脹40～60 min。

（4）將溶脹后的瀝青與高黏改性劑混合物取出放入電熱套中，采用高速剪切機對基質(zhì)瀝青和高黏改性劑進行高速剪切，促進瀝青組分與高黏改性劑充分融合。高速剪切時間為50 min，剪切速率為4 000 r/min。

（5）將高速剪切后的高黏瀝青放置在170 ℃溫控箱中繼續(xù)發(fā)育120 min，即得到本試驗用的高黏瀝青樣品。

2.2 性能試驗方案

本文先通過A、B、C、D四種高黏改性劑分別在8%、10%、12%、14%四種摻量下與泰普克70#瀝青加工制備高黏瀝青A、B、C、D，然后對各種高黏瀝青的針入度、軟化點、5 ℃延度及布氏旋轉(zhuǎn)黏度等關(guān)鍵指標進行測試，進而分析高黏改性劑種類及摻量對高黏瀝青各項技術(shù)指標的影響規(guī)律。

3 試驗結(jié)果分析

四種高黏瀝青A、B、C、D性能指標如表2所示，其針入度、軟化點、5 ℃延度、165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標隨高黏改性劑摻量的變化規(guī)律如圖1～4所示。

從圖1可以看出，四種高黏改性劑均對針入度有顯著影響，隨著高黏改性劑摻量的增加，針入度指標呈減小趨勢。從高黏改性劑種類對高黏瀝青針入度指標的影響來看，當摻量<10%時，相同摻量下四種高黏改性劑改性得到的高黏瀝青針入度指標大小排序為B>D>A>C。高黏瀝青B針入度降低幅度相對較小，高黏瀝青C降低幅度最大。當摻量>10%時，隨著高黏改性劑摻量的增加，高黏瀝青B和C針入度指標均快速衰減，高黏瀝青A和D針入度指標衰減幅度較小。這表明高黏瀝青針入度對A和D兩種高黏改性劑的敏感性相對較低，對B和C兩種高黏改性劑的敏感性相對較高，四種高黏改性劑對高黏瀝青針入度指標影響敏感性排序為B>C>A>D。

從圖2可以看出，四種高黏改性劑均對高黏瀝青軟化點有顯著影響，隨著高黏改性劑摻量的增加，軟化點指標均逐漸增大。在高黏改性劑摻量<12%時，軟化點增加幅度較大;當高黏改性劑摻量>12%時，軟化點指標增加幅度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。從高黏改性劑種類對高黏瀝青軟化點的指標影響來看，相同摻量下高黏改性劑C對瀝青的軟化點指標提升幅度最大，高黏改性劑D對瀝青軟化點提升幅度最小。四種高黏改性劑對高黏瀝青軟化點提升幅度大小排序為C>A>B>D。

從下頁圖3可以看出，四種高黏改性劑均對5 ℃延度指標有顯著影響，隨著高黏改性劑摻量的增加，5 ℃延度指標整體上呈增大趨勢。從高黏改性劑摻量對高黏瀝青5 ℃延度指標影響來看，A和C兩種高黏瀝青5 ℃延度指標隨高黏改性劑摻量的增加先增大后減小，當摻量達到12%時，5 ℃延度達到最大值;而B和D兩種高黏瀝青5 ℃延度指標隨高黏改性劑摻量的增加逐漸增大。從高黏改性劑種類對高黏瀝青5 ℃延度指標影響來看，A、B、C三種高黏改性劑對5 ℃延度指標提升幅度明顯大于高黏改性劑D，對瀝青的改性效果更優(yōu)。四種高黏改性劑對5 ℃延度提升幅度大小排序為C>A>B>D。

從圖4可以看出，四種高黏改性劑均對165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度有顯著影響，隨著高黏改性劑摻量的增加，165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標均逐漸增大。在高黏改性劑摻量<12%時，四種高黏瀝青165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度增加較緩慢;當高黏改性劑摻量>12%時，165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度增加較快，表明四種高黏劑摻量>12%時，165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標對高黏改性劑摻量比較敏感。從高黏改性劑種類對165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標影響來看，高黏改性劑C對165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度提升幅度最大，高黏改性劑D對165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度提升幅度最小，四種高黏改性劑對165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度影響程度大小排序為C>A>B>D。

針入度、延度、軟化點、布氏旋轉(zhuǎn)黏度等指標是評價瀝青膠結(jié)料性能的重要指標，各項技術(shù)指標均反映瀝青膠結(jié)料某一方面的性能，部分指標之間也存在著相互制約的關(guān)系。如圖1～4所示，隨著高黏改性劑摻量的增加，高黏瀝青的5 ℃延度、軟化點、布氏旋轉(zhuǎn)黏度均大幅提升，針入度明顯下降。雖然高黏改性劑的加入顯著提升了高黏瀝青的低溫性能及高溫性能，但當高黏改性劑摻量超過一定范圍時，高黏瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度明顯增大，影響瀝青混合料的施工性能。根據(jù)《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5142-01-2021），針入度指標≥40～70（0.1 mm）、5 ℃延度指標≥40 cm、軟化點≥90 ℃、165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度≤3 Pa·s。綜合上述分析可知，當高黏改性劑C摻量達到12%時，制備的高黏瀝青性能指標均滿足路用性能要求;高黏改性劑A摻量為12%時，其軟化點和延度均較接近規(guī)范值，但繼續(xù)增加摻量，其軟化點略有提升，延度出現(xiàn)一定的下降，同時布氏旋轉(zhuǎn)黏度超過了3 Pa·s;高黏改性劑B摻量為12%時，軟化點指標相對較低，僅為78.5 ℃，繼續(xù)增加摻量雖然可以提升軟化點指標，但布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標持續(xù)增大，超過3 Pa·s，會對瀝青混合料施工性能產(chǎn)生不利影響;而高黏改性劑D摻量增加至14%時，軟化點及5 ℃延度指標仍然相對較低，雖然繼續(xù)增加摻量可以進一步提升軟化點及5 ℃延度，但布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標可能會超過3 Pa·s，且高黏改性劑摻量越高材料成本越高。因此，高黏改性劑C對泰普克70#瀝青具有較好的改性效果，建議最佳摻量為12%。

4 結(jié)語

（1）A、B、C、D四種高黏改性劑對泰普克70#瀝青路用性能均有顯著的改善作用，但不同種類的高黏改性劑改性效果差異較大。高黏改性劑C整體改性效果最佳，根據(jù)不同摻量下各技術(shù)指標變化規(guī)律，推薦最佳摻量為12%。

（2）四種高黏改性劑對泰普克70#瀝青各項技術(shù)指標的影響規(guī)律基本一致，即隨著高黏改性劑增加，5 ℃延度、軟化點及布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標整體上均呈增大趨勢，針入度指標呈減小趨勢。

（3）四種高黏改性劑對泰普克70#瀝青各項技術(shù)指標的敏感性存在明顯差異，高黏改性劑B對針入度指標更為敏感，高黏改性劑C對軟化點、5 ℃延度及165 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標更為敏感?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用場合針對瀝青膠結(jié)料性能需求優(yōu)選相應(yīng)高黏改性劑及最佳摻量。

[1]陳加干，周國寶，靳衛(wèi)華.高黏改性瀝青的制備及性能研究[J].石油瀝青，2016，30（2）：14-16.

[2]周沛延，程志豪，黎 曉，等.高黏改性劑對瀝青使用性能的影響研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2015，11（11）：56-58.

[3]劉學(xué)亮，余劍英，吳少鵬，等.高黏度改性瀝青的制備與性能研究[J].石油瀝青，2007（6）：7-10.

[4]梁若翔，付 嬌，孟勇軍.高黏改性瀝青的制備及其性能研究[J].西部交通科技，2021（5）：1-3.

[5]楊三強，劉 璐，蘇勝昔，等.聚合物高黏改性瀝青改性機理與性能試驗研究[J].公路工程，2021（4）：1-10.

[6]陳 劍，陳 杰，周智密.加工工藝對高黏瀝青性能的影響研究[J].西部交通科技，2019（6）：33-37.