高黏瀝青用溫拌劑的優(yōu)選及其性能評價

劉 武，汪 婷，孫 嘯

(1 南京市路橋工程有限公司，江蘇南京 211131；2河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098)

傳統(tǒng)瀝青路面在雨天因積水會產(chǎn)生濺水和噴霧現(xiàn)象，導致路面抗滑能力大大降低，給行車安全造成較大隱患，造成大量交通事故[1-2]。而排水瀝青路面的出現(xiàn)可有效解決以上問題，具有防滑、降噪等優(yōu)點，可提高行車安全、舒適性，提升瀝青路面的品質(zhì)[3-5]。

排水瀝青路面的空隙率在20%左右，且實質(zhì)為單一粒徑碎石按照嵌擠機理形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)的開級配瀝青混合料，骨料之間為點點接觸[6-7]。因此對關(guān)鍵核心材料膠結(jié)料-高黏瀝青提出了更高的要求，要求高黏瀝青具有較好的高溫性能、粘附性、熱存儲穩(wěn)定性等，即軟化點高、60℃動力黏度大、離析溫度差小等特點[8]。但以上要求會導致高黏瀝青存在高溫黏度大、泵送困難的問題，進而要求其施工溫度高，碳排放較大，與當前國家倡導的節(jié)能減排、綠色施工的理念不符。本文擬引入溫拌技術(shù)，選取并考察了三種類型的溫拌劑，制備溫拌高黏瀝青以達到降低其高溫黏度的目的，在保證其關(guān)鍵性能指標的同時改善施工和易性，從而起到節(jié)能環(huán)保的作用。

1 試驗部分

1.1 材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

選用韓國進口的SK 70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標見表1。

表1 SK 70#基質(zhì)瀝青性能檢測結(jié)果Table 1 Performance properties of SK 70# asphalt

1.1.2 聚合物改性劑

選用巴陵石化生產(chǎn)的YH-791 SBS高分子改性劑，其性能指標見表2。

表2 SBS改性劑的主要技術(shù)指標Table 2 Technical properties of SBS modifier

1.1.3 相容劑

在改性瀝青體系中，對于SBS和基質(zhì)瀝青本身而言，其組成和結(jié)構(gòu)存在很大差異，進而導致二者相容性較差，尤其是體現(xiàn)在熱儲存穩(wěn)定性上，容易出現(xiàn)相分離和分層現(xiàn)象。故本文采用摻加相容劑的方法來改善SBS與瀝青的相容性。相容劑選用橡膠油，其成分為富芳類的餾分油，芳烴含量大于70%。

1.1.4 溫拌劑

本研究引入溫拌技術(shù)進行溫拌高黏瀝青的制備，以改善傳統(tǒng)的高黏瀝青高溫黏度大、存儲穩(wěn)定性差的問題，進而有效改善其施工和易性并降低其碳排放。擬選取Sasobit、Evotherm和LQW-0400三種類型溫拌劑進行探究，各材料性能指標詳見表3。

表3 溫拌劑的性能指標Table 3 Properties of warm mixing agents

1.2 溫拌高黏瀝青的制備

改性瀝青的制備過程中攪拌速度、剪切溫度、剪切速度、剪切時間、發(fā)育溫度、發(fā)育時間以及加料順序等都將會對改性瀝青的性能產(chǎn)生很大的影響，本研究在傳統(tǒng)成品高黏瀝青制備工藝的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，開展了大量溫拌改良高黏瀝青制備工藝的考察工作，獲得了優(yōu)化的溫拌改良高黏瀝青的制備工藝條件，具體制備工藝如圖1所示。

圖1 摻溫拌劑的高黏改性瀝青制備工藝Fig.1 Preparation of high viscosity modified asphalt with warm mixing agent

1.3 試驗方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）對所制備的高黏瀝青的軟化點、25℃針入度、5℃延度、60℃動力黏度、135℃布什黏度和離析度等指標進行評價。其中，60℃動力黏度、135℃布什黏度、熱存儲穩(wěn)定性作為溫拌改良高黏瀝青的關(guān)鍵技術(shù)指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫拌劑類型優(yōu)選

本論文基于前期工作的篩選，并結(jié)合廠家的推薦值和前期的研究基礎(chǔ)，確定了三種溫拌劑的摻量分別為2.5%、2.5%、0.6%。此外，SBS改性劑的摻量為7.0%，相容劑摻量為5.5%，穩(wěn)定劑摻量為0.2%。對所制備的溫拌改良高黏瀝青進行了性能測試，結(jié)果見表4。

表4 溫拌劑種類對高黏瀝青性能的影響Table 4 Inf luence of warm mixing agent on the properties of high viscosity asphalt

軟化點是瀝青從黏塑狀態(tài)向黏流狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，它在實質(zhì)上反映了瀝青的等黏溫度，常用于評價瀝青的高溫性能。由表4看出，對于有機蠟類溫拌劑（Sasobit、LQW-0400）而言，溫拌劑的加入可以提高高黏瀝青的軟化點，摻溫拌劑Sasobit和LQW-0400的高黏瀝青的軟化點參數(shù)比基準組瀝青分別提高了2.57%和4.39%，且LQW-0400溫拌劑對軟化點的提升幅度比Sasobit溫拌劑高1.82%；而表面活性劑類的溫拌劑Evotherm對高黏瀝青的軟化點影響不大，甚至略有降低。故從軟化點的角度來看，溫拌劑LQW-0400的效果較好。

25℃針入度可以間接表征瀝青的高溫性能，針入度越高，瀝青的抗高溫性能越差，抗低溫性能越好。不同種類的溫拌劑對高黏瀝青25℃針入度均造成降低。摻溫拌劑Sasobit、Evotherm、LQW-0400的高黏瀝青的25℃針入度參數(shù)比基準組瀝青分別降低了6.45%、1.61%、4.84%。從結(jié)果可見，表面活性劑類的溫拌劑對25℃針入度影響程度遠小于有機蠟類溫拌劑。

5℃延度可以表征改性瀝青的低溫性能。Sasobit和LQW-0400兩種有機降黏類的溫拌劑對高黏瀝青的延度影響較大，分別比基準組降低了24.31%和15.97%，且溫拌劑Sasobit對其延度的衰減幅度比溫拌劑LQW-0400大8.34%。而Evotherm表面活性劑類溫拌劑對其5℃延度基本沒有影響，僅比基準組降低了1.39%。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是兩類溫拌劑的作用機理不同，其中有機降黏類溫拌劑會在高溫環(huán)境(＞100℃)下液化，從而增加了高黏瀝青中的輕質(zhì)組分，使得高黏瀝青的高溫流動性增加；表面活性類溫拌劑的作用機理類似乳化瀝青，使高黏瀝青形成油包水的狀態(tài)，從而降低其黏度。

135℃布什黏度作為高黏瀝青的關(guān)鍵性指標，其大小可以反映高黏瀝青的施工和易性，黏度越小，其施工和易性越好，即溫拌劑對高黏瀝青的溫拌效果越好，反之越差。由表4可知，Sasobit和LQW-0400兩種有機降黏類的溫拌劑對高黏瀝青135℃運動黏度降低幅度較大，分別比基準組瀝青降低了12.5%和21.63%，其中溫拌劑LQW-0400降低最為明顯，降低幅度比Sasobit溫拌劑大9.13%，說明其溫拌效果最好。而由于降黏機理的不同，溫拌劑Evotherm對135℃運動黏度的降低不明顯，僅比基準組降低了3.13%。

60℃動力黏度是評價高黏瀝青高溫性能和粘附性的重要指標，溫拌劑的加入在提高瀝青混合料施工和易性的同時不能損傷其60℃動力黏度。由表4可知，Sasobit和LQW-0400有機降黏類溫拌劑可以大大提升高黏瀝青的60℃動力黏度，分別比基準組提高了28.89%和43.77%，且LQW-0400較Sasobit的提升幅度高14.88%。而Evotherm溫拌劑會降低其60℃動力黏度，對高黏瀝青高溫性能和粘附性產(chǎn)生不利的影響。為此，從60℃動力黏度的角度考慮，應(yīng)選擇LQW-0400作為溫拌高黏瀝青的溫拌劑材料，其在改善高黏瀝青施工和易性的同時還提高了高黏瀝青的高溫性能和粘附性。

離析度可反映體系相容性和配伍性的好壞。三種溫拌劑都降低了高黏瀝青離析度，具體表現(xiàn)為：Sasobit、LQW-0400有機蠟類溫拌劑對高黏瀝青離析度的影響較大，分別比基準組瀝青降低19.61%和25.49%；表面活性類溫拌劑對離析度的影響僅比基準組降低了11.76%。從離析度角度來看，LQW-0400溫拌劑的效果較好，其有效降低了高黏瀝青離析度參數(shù)，避免了高黏瀝青發(fā)生凝聚、離析現(xiàn)象。

綜上，得出較佳的溫拌劑為LQW-0400，為后續(xù)溫拌高黏瀝青的研發(fā)提供了合適的溫拌劑材料。

2.2 溫拌劑摻量的確定

根據(jù)以上研究，確定了溫拌劑類型為LQW-0400，在此基礎(chǔ)上考察該溫拌劑的摻量對高黏瀝青性能的影響規(guī)律，以此確定其合適摻量，其中溫拌劑的摻量分別選取2.0%、2.5%、3.0%、3.5%。

2.2.1 軟化點

由圖2可知，隨著溫拌劑摻量的增加其軟化點逐漸升高。這是因為溫拌劑不僅可以作為改善高黏瀝青施工和易性的材料，還可以明顯提升其高溫性能。同時發(fā)現(xiàn)，當溫拌劑摻量為2.5%時，軟化點的提升幅度最高，達到97.5℃，已經(jīng)滿足相關(guān)技術(shù)指標的要求，繼續(xù)提升摻量會造成材料成本的大幅增加。

圖2 溫拌劑摻量對高黏瀝青存儲穩(wěn)定性的影響規(guī)律Fig.2 Relationship between the amount of warm mixing agent and thermal storage stability

2.2.2 25℃針入度

由圖3可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，其高黏瀝青的針入度逐漸減小。這是由于溫拌劑加入至瀝青中后會吸收瀝青中的輕組分而溶脹，進而提高瀝青材料抗剪切破壞的能力，溫拌劑摻量越多其吸附的輕組分越多，最終呈現(xiàn)出高黏瀝青抗高溫性能逐漸變優(yōu)，抗低溫性能逐漸變差。同時發(fā)現(xiàn)，隨著溫拌劑摻量的增加，其25℃針入度降低幅度逐漸變大?？紤]后期材料的低溫性能和高溫性能的協(xié)同性，溫拌劑的最優(yōu)摻量選取2.5%。

圖3 溫拌劑摻量對高黏瀝青25℃針入度的影響規(guī)律Fig.3 Relationship between the amount of warm mixing agent and the penetration depth at 25℃

2.2.3 5℃延度

由圖4可知，隨著溫拌劑摻量的增加，其5℃延度逐漸降低，材料的低溫性能逐漸變差且降低幅度逐漸變大。考慮到5℃延度的技術(shù)指標要求和材料成本，確定溫拌劑的摻量為2.5%。

圖4 溫拌劑摻量對高黏瀝青5℃延度的影響規(guī)律Fig.4 Relationship between the amount of warm mixing agent and elongation at 5℃

2.2.4 135℃布什黏度

由圖5可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，其135℃布什黏度逐漸降低。當溫拌劑摻量大于2.5%時其降低幅度逐漸減小，故選取溫拌劑的合適摻量為2.5%?？梢姕匕鑴┑募尤肟梢越档透唣r青的135℃布什黏度，改善高黏瀝青的施工和易性，降低其施工溫度。

圖5 溫拌劑摻量對高黏瀝青135℃布什黏度的影響規(guī)律Fig.5 Relationship between the amount of warm mixing agent and 135℃ kinematic viscosity

2.2.5 60℃動力黏度

由圖6可知，隨著溫拌劑摻量的增加其60℃動力黏度逐漸升高，當溫拌劑摻量大于2.5%時，其60℃動力黏度增加幅度逐漸降低。故從60℃動力黏度的角度來看，溫拌劑的最優(yōu)摻量選為2.5%。

圖6 溫拌劑摻量對高黏瀝青60℃動力黏度的影響規(guī)律Fig.6 Relationship between the amount of warm mixing agent and 60℃ dynamic viscosity

2.2.6 熱存儲穩(wěn)定性

由圖7可知，溫拌劑的加入可有效降低高黏瀝青離析度，增強高黏瀝青熱存儲穩(wěn)定性，減少高黏瀝青發(fā)生凝聚、離析現(xiàn)象。當溫拌劑摻量小于2.5%時，隨著其摻量的的增加，對高黏瀝青離析度的影響逐漸增大；但當溫拌劑摻量大于2.5%時，摻量的增加對高黏瀝青離析度的影響逐漸減少。故考慮溫拌劑對高黏瀝青離析度的影響程度及經(jīng)濟成本，溫拌劑的最優(yōu)摻量定為2.5%。

圖7 溫拌劑摻量對高黏瀝青離析度的影響規(guī)律Fig.7 Relationship between the amount of warm mixing agent and segregation

綜合以上溫拌劑摻量對其高黏瀝青軟化點、25℃針入度、5℃延度、135℃布什黏度、60℃動力黏度和離析度的影響研究結(jié)果，確定溫拌劑的最佳摻量為2.5%。

3 結(jié)論

（1）溫拌劑的加入可降低高黏瀝青施工溫度、提高其施工和易性，從而達到節(jié)能減排的效果。

（2）有機蠟類溫拌劑可以顯著改善高黏瀝青的軟化點、25℃針入度、60℃動力黏度、135℃布什黏度和離析度等參數(shù)，但降低了其5℃延度，即該類型溫拌劑在改善高黏瀝青施工和易性的同時，還提高了其高溫性能、粘附性和熱存儲穩(wěn)定性，但對其低溫性能產(chǎn)生不利影響。而表面活性劑類的溫拌劑在改善高黏瀝青25℃針入度、135℃布什黏度和離析度的同時降低了其軟化點、5℃延度和60℃動力黏度參數(shù)，對高黏瀝青的高溫性能、粘附性、低溫性能和熱存儲性能產(chǎn)生不利影響。

（3）隨著溫拌劑摻量的增加，高黏瀝青的軟化點、60℃動力黏度逐漸升高，25℃針入度、5℃延度、135℃運動黏度和離析度逐漸降低。說明隨著溫拌劑摻量的增加，高黏瀝青的高溫性能、粘附性、施工和易性和熱存儲性能越來越優(yōu)，但對其低溫性能的損害不斷增大。

（4）溫拌劑的類型和摻量對高黏瀝青的性能影響較大，綜合性能分析，確定溫拌劑的種類為LQW-0400、最佳摻量為2.5%。