一種三元復(fù)合瀝青溫拌劑的研發(fā)

白雪鵬，袁福根，石鵬程，沈菊男

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州科技大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

我國高速公路快速發(fā)展，瀝青已成為路面材料的首選。瀝青路面施工時，傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料技術(shù)不僅要消耗較多能源，同時還會放出較多污染性氣體。溫拌瀝青混合料技術(shù)應(yīng)運而生。在瀝青加熱拌和過程中添加溫拌劑，不但可以降低瀝青的拌合溫度，節(jié)約能源，而且減少了環(huán)境污染。溫拌劑的作用原理主要是降低了瀝青在高溫下的粘度，提高其流動性，從而降低了瀝青的拌合和攤鋪壓實溫度。隨著時代發(fā)展，人們對道路材料要求越來越高。優(yōu)秀的溫拌劑，除了可以降低瀝青高溫粘度外，還需要對瀝青混合料的路用性能沒有破壞，甚至還有輔助提高作用。

溫 拌 劑 的 研 究 已 有 大 量 報 道，涉 及 溫 拌 劑 包 括EC130[1-2]、陸 路 邦[3]、Sasobit[3-11]、Evotherm[5，8，12]、Asphamin[4-5，8-9，13]、EWMA-1[3，13]、ZYF-B[6]、ET-3100[7，10-11]、EC120[13]、JY-W1[14]、DS-TL[15]等，種類較多，性能各異。筆者注意到，文獻研究基本以溫拌劑的應(yīng)用研究為主，即某些型號或品牌的溫拌劑對瀝青性能或者瀝青混合料路用性能的影響，這對溫拌劑的工程應(yīng)用是很有意義的，但對溫拌劑的研究開發(fā)過程報道較少[16-18]。尤其生產(chǎn)企業(yè)為了某些商業(yè)目的，對溫拌劑的組成配方進行保密，導(dǎo)致施工工程師對其作用特點理解受限。目前，溫拌劑的選用基本靠經(jīng)驗，比較盲目。筆者設(shè)想通過多組分復(fù)合，組分間取長補短，協(xié)同配合，研發(fā)一種綜合性能優(yōu)良的溫拌劑。這樣的研究還未見報道。

1 實驗部分

1.1 試劑

基質(zhì)瀝青為韓國雙龍70號基質(zhì)瀝青。萜烯樹脂，江西三峰化工有限公司生產(chǎn)。松香甘油樹脂，江西新海化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)。硬脂酰胺，上海畢得醫(yī)藥科技股份有限公司產(chǎn)品。硬脂酸，上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品。機油為增壓柴機油，API級別CD，嘉多士潤滑油有限公司生產(chǎn)。菜油為金龍魚菜籽油，非轉(zhuǎn)基因，上海嘉里食品工業(yè)有限公司產(chǎn)品。綠色環(huán)保增塑劑，1，2-環(huán)己二酸二（二乙二醇乙醚）酯，按照文獻[19]的方法制備。Sasobit為進口產(chǎn)品，德國Sasol Wax公司生產(chǎn)。

1.2 測試和儀器

瀝青的布氏粘度、針入度、軟化點、延度測試都按照交通運輸部《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)程進行。布氏旋轉(zhuǎn)粘度計，型號為NDJ-1C，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)。針入度測試在HDLZ-IV型全自動電腦瀝青針入度測試儀上（25℃）進行。軟化點測試在LD-2000型電腦瀝青軟化點試驗器上進行。延度在低溫液晶顯示延伸度測定儀上測定（10℃延度）。

1.3 溫拌瀝青的制備

在500 mL不銹鋼杯中依次稱入基質(zhì)瀝青、溫拌劑，然后置于100℃烘箱中加熱，待基質(zhì)瀝青熔融后用攪拌棒充分攪拌，溫拌劑完全溶解，得到溫拌瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫拌主劑的選擇

溫拌劑的主要作用是降低瀝青高溫條件下的粘度，促進瀝青和集料的粘合。關(guān)于溫拌劑的應(yīng)用報道較多，然而，對于其具體成分公開的很少。另外，溫拌瀝青低溫條件下的粘度也常常被忽視，關(guān)注的也不多。根據(jù)溫拌劑的應(yīng)用特點，筆者希望溫拌劑不但能降低瀝青的高溫（105℃以上）粘度，同時又不降低瀝青低溫（60～80℃）粘度，從而既可降低瀝青混合料的拌和溫度，又不影響其常規(guī)使用溫度下的路用性能。

初選萜烯樹脂、松香甘油樹脂、硬脂酰胺三種物質(zhì)作為溫拌主劑。這三種物質(zhì)的成分類型不同，熔點分別為90～100℃、85～90℃和98～102℃。在同樣4%添加量條件下，三種物質(zhì)對瀝青粘度的影響結(jié)果見表1。

表1 溫拌添加劑對瀝青粘度的影響 Pa·s

由表1可見，萜烯樹脂的添加可使瀝青在各溫度下的粘度都有所降低，且降幅很小；松香甘油樹脂的添加對瀝青低溫（60～80℃）段和高溫（105～165℃）段粘度的降低幅度都不大，所以它們不是合適的溫拌主劑。硬脂酰胺的添加不但使瀝青高溫粘度有較大幅度的降低，而且使瀝青低溫粘度有所提升，是合適的溫拌主劑。

改變硬脂酰胺的添加量，瀝青布氏粘度隨溫度變化結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)硬脂酰胺添加量為瀝青質(zhì)量的3%時，相對于基質(zhì)瀝青，溫拌瀝青的低溫粘度有所提高，而高溫粘度明顯降低，效果理想。當(dāng)硬脂酰胺添加量增加為4%時，低溫段粘度基本不變，但90～135℃段粘度卻比添加量3%時有一定提高。這種現(xiàn)象反映出硬脂酰胺與瀝青存在復(fù)雜的分子間相互作用。進一步提高硬脂酰胺添加量為5%時，溫拌瀝青低溫粘度進一步提高，而高溫瀝青粘度又有了進一步降低。繼續(xù)提高硬脂酰胺添加量為6%，溫拌瀝青高溫下的粘度會繼續(xù)降低，但70～80℃的粘度將會低于基質(zhì)瀝青。因此，硬脂酰胺添加量在4%～5%為宜。

圖1 硬脂酰胺添加量對瀝青粘度的影響

2.2 溫拌助劑的選擇

為了進一步提高瀝青溫拌劑的高溫降粘效果，考慮添加一些輔助試劑。嘗試了添加表面活性劑斯潘60（熔點56～58℃），發(fā)現(xiàn)它會造成瀝青高溫粘度和低溫粘度都降低，所以并不合適?？紤]到羧酸和酰胺會發(fā)生氫鍵作用，且硬脂酸易溶于瀝青，安全無毒，故選擇硬脂酸。硬脂酰胺和硬脂酸二元復(fù)合溫拌劑對瀝青粘度的影響情況見表2。

表2 硬脂酰胺-硬脂酸復(fù)合溫拌體系對瀝青粘度的影響 Pa·s

由表2數(shù)據(jù)可知，基質(zhì)瀝青在添加4%硬脂酰胺基礎(chǔ)上，再添加0.3%或0.4%硬脂酸，溫拌瀝青的低溫（60～80℃）粘度跟基質(zhì)瀝青相差不大，但高溫粘度（90～165℃）有明顯降低。例如，同樣在120℃，三種溫拌方案：4%硬脂酰胺、4%硬脂酰胺+0.3%硬脂酸、4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸，溫拌瀝青布氏粘度分別為0.764、0.723和0.531 Pa·s，說明硬脂酸作為輔助試劑對瀝青高溫降粘是有效的。進一步提高硬脂酸比例，溫拌瀝青的高溫降粘效應(yīng)變差，且低溫粘度會低于基質(zhì)瀝青，說明硬脂酸存在一個最佳添加量。硬脂酸添加太少，則對硬脂酰胺的輔助降粘效果不夠；硬脂酸添加太多，則會增加瀝青分子之間的結(jié)合力，粘度反而提升。4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸的搭配是比較合適的。同樣，在5%硬脂酰胺基礎(chǔ)上改變硬脂酸添加量，發(fā)現(xiàn)5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸比較合適。

以瀝青布氏粘度-溫度作圖，可得粘溫曲線。對105～165℃高溫段粘溫曲線進行回歸擬合，結(jié)果見表3。將粘度值（0.280±0.030）Pa·s代入擬合方程，可得到瀝青壓實溫度范圍[20-22]。溫拌瀝青的壓實溫度和基質(zhì)瀝青的壓實溫度之差，即為溫拌降溫幅度。4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸，溫拌降溫為13.8～17.3℃，而4%硬脂酰胺單獨使用，降溫為5.1～7.7℃，硬脂酸的輔助效果較為顯著。

表3 粘溫曲線回歸擬合結(jié)果

2.3 溫拌劑對瀝青三大指標的影響

二元復(fù)合溫拌劑可降低瀝青高溫粘度，并提高瀝青低溫粘度。但是瀝青性質(zhì)很多，粘度只是其中一項。瀝青的基本性質(zhì)主要有針入度、軟化點、延度三大指標。

溫拌劑對瀝青三大指標有很大影響，結(jié)果見表4。由表4中實驗2-3和實驗1對比可見，在基質(zhì)瀝青中添加硬脂酰胺后，瀝青的針入度降低，軟化點升高，延度降低。針入度降低，表明材料硬度提高，抗變形能力增強。軟化點提高，表明材料的耐高溫性能提升。延度降低，表明材料韌性降低，塑性變形能力變差。因此，延度降低是溫拌劑帶來的最大不利影響。文獻中大部分溫拌劑都有類似情況[3-6，13]。

為提高溫拌瀝青的延度，嘗試添加機油、菜油和增塑劑，實驗結(jié)果一并列入表4。由表4實驗6-7和實驗4-5比較可見，在硬脂酰胺和硬脂酸二元復(fù)合基礎(chǔ)上添加1.5%機油時，溫拌瀝青延度和針入度都接近基質(zhì)瀝青。由實驗8-9和實驗4-5比較可見，菜油添加量在0.9%時，溫拌瀝青的延度略大于基質(zhì)瀝青，針入度略小于基質(zhì)瀝青。增塑劑添加量為0.5%～0.6%時，溫拌瀝青延度和針入度提高到了接近于基質(zhì)瀝青水平。

表4 溫拌劑對瀝青三大指標的影響

機油、菜油、增塑劑都可以使二元復(fù)合溫拌瀝青的延度恢復(fù)，那么對瀝青布氏粘度的影響如何？實驗結(jié)果見表5。

由表5和表2數(shù)據(jù)對比可以看出，機油的添加，可使硬脂酰胺-硬脂酸溫拌瀝青60～70℃布氏粘度有所增加，但80℃粘度是降低的。菜油也有相同問題，所以機油和菜油不是理想的延度調(diào)節(jié)劑。

由表2中5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸溫拌瀝青粘度數(shù)據(jù)與表5中5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑劑溫拌瀝青粘度數(shù)據(jù)對比可以看出，在硬脂酰胺-硬脂酸溫拌瀝青中添加增塑劑后，溫拌瀝青60～70℃粘度是提高的，80℃粘度雖然有一點下降，但降低不多，仍高于基質(zhì)瀝青在80℃時的粘度，而90～165℃粘度則進一步降低，說明增塑劑是硬脂酰胺-硬脂酸體系合適的延度調(diào)節(jié)劑。5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑劑三元復(fù)合型溫拌體系是一種兼顧了高低溫粘度、瀝青三大指標的優(yōu)化溫拌劑。

2.4 三元復(fù)合溫拌劑和Sasobit比較

目前在工程上被廣泛使用和普遍認可的瀝青溫拌劑是德國Sasol Wax公司開發(fā)生產(chǎn)的Sasobit。Sasobit對瀝青三大指標影響的實驗結(jié)果一并列于表4中。由表4實驗1和實驗10-13對比可以看出，Sasobit溫拌瀝青的針入度比基質(zhì)瀝青有明顯提高，表明Sasobit溫拌瀝青比基質(zhì)瀝青更軟，受壓更容易發(fā)生變形，而5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑劑三元復(fù)合溫拌瀝青的針入度和基質(zhì)瀝青相當(dāng)，說明溫拌瀝青的受壓抗變形能力基本不變。從軟化點看，Sasobit溫拌瀝青的軟化點與基質(zhì)瀝青相當(dāng)，而三元復(fù)合溫拌瀝青的軟化點明顯高于基質(zhì)瀝青，這表明三元復(fù)合溫拌瀝青的耐高溫性能比基質(zhì)瀝青有了較大的提高。從延度來看，Sasobit溫拌瀝青延度略高于三元復(fù)合溫拌瀝青，但兩者的延度都大于基質(zhì)瀝青，這表明兩種溫拌方案都可在一定程度上改善了瀝青韌性，其中Sasobit表現(xiàn)更佳。

Sasobit和5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑劑三元復(fù)合溫拌瀝青的粘溫曲線如圖2所示。由圖2可見，Sasobit溫拌瀝青70～80℃粘度都要低于基質(zhì)瀝青。顯然，從瀝青低溫粘度的滿足度來看，Sasobit不如三元復(fù)合溫拌劑。從高溫粘度變化來看，在同等溫度下，三元復(fù)合溫拌瀝青的粘度要比Sasobit溫拌瀝青低很多，即三元復(fù)合溫拌劑的高溫降粘效果要明顯優(yōu)于Sasobit。

對兩種溫拌瀝青105～165℃高溫段粘溫曲線進行回歸擬合，結(jié)果見表6。Sasobit溫拌降溫為3.8～5.9℃，而三元復(fù)合溫拌降溫為13.7～16.8℃，三元復(fù)合溫拌降溫幅度更大。

圖2 三元復(fù)合溫拌劑和Sasobit粘溫曲線比較

表6 兩種溫拌劑粘溫曲線回歸擬合結(jié)果

3 結(jié)語

硬脂酰胺添加劑不但能夠降低瀝青高溫粘度，而且可以提高瀝青低溫粘度。硬脂酰胺和硬脂酸二元復(fù)合，溫拌瀝青高溫粘度降幅可進一步提高，但會導(dǎo)致瀝青針入度降低，軟化點提高，延度降低。硬脂酰胺-硬脂酸-增塑劑三元復(fù)合體系，不但可以保持溫拌瀝青低溫高粘和高溫低粘的特性，而且針入度、軟化點、延度三大指標均比基質(zhì)瀝青有所改善。