ULTC溫拌彩色瀝青粘附性與流變性能研究

摘要：為了分析ULTC溫拌劑對彩色瀝青性能的影響，文章通過制備ULTC復合溫拌彩色瀝青與Sasobit溫拌彩色瀝青進行對比，測試其針入度、軟化點、延度和黏度；采用水浸法與Photoshop圖像分析法相結合，評價溫拌彩色瀝青與集料的粘附性能；通過動態(tài)剪切流變（DSR）試驗對溫拌彩色瀝青流變性能進行評價。結果表明：ULTC溫拌劑的加入，使得溫拌彩色瀝青軟化點和延度都有所提高，并且能夠改善彩色瀝青的低溫性能，提高施工和易性；ULTC溫拌彩色瀝青相比Sasobit溫拌彩色瀝青具有更好的粘附性能和抗剝落性，能夠提高彩色瀝青的彈性恢復能力，具有更好的抗車轍能力。

關鍵詞：溫拌彩色瀝青；粘附性；流變性；黏溫曲線

中圖分類號：U416.03

0 引言

彩色瀝青是一種新型的路面材料，其應用于路面將城市道路在美觀化、個性化的追求和功能實用性結合，滿足了現(xiàn)代城市對路面美學和使用性能的雙重需求［1］。彩色瀝青具有很大的發(fā)展前景，會成為未來城市道路建設的重要選擇。目前，彩色瀝青的制備方式主要有兩種：（1）通過物理方式除去道路石油瀝青中的黑色成分，從而制備一種透明瀝青，再加以顏料而成；（2）將不同石油產品通過物理共混得到的一種淺色半透明的瀝青膠結料［2-3］，然后加以顏料。溫拌彩色瀝青技術，就是在彩色瀝青中加入溫拌劑，使得彩色瀝青黏度降低，從而進一步降低彩色瀝青混合料的攤鋪和碾壓溫度，該技術是彩色瀝青技術和溫拌技術的結合，既減少了有害氣體的排放，節(jié)約了能源，又提高了路面的美感和功能性［4-5］。為了促進溫拌彩色瀝青路面技術的發(fā)展，本文選用自制的有機降黏類溫拌劑ULTC制備溫拌彩色瀝青，并通過與Sasobit溫拌彩色瀝青的對比，研究其粘附性和流變性能。

1 原材料性能與溫拌彩色瀝青制備方法

1.1 原材料性能

1.1.1 彩色瀝青

本研究選用彩色瀝青型號是HPCA70#，為西安華澤道路材料有限公司生產，采用環(huán)保型高性能樹脂及專用改性劑制成，色彩鮮艷，路用性能優(yōu)良。相關技術指標試驗測試結果見表1。

1.1.2 顏料

本研究所用顏料為氧化鐵紅，性能指標見表2。

1.1.3 溫拌劑

本研究采用自制溫拌劑，型號為ULTC，主要通過回收廢舊聚丙烯中的裂解蠟和橡膠裂解油混合，輔助以助劑制得。ULTC溫拌劑不僅實現(xiàn)了資源的回收利用，而且達到了溫拌節(jié)能的效果。其相關技術性能指標見表3。對比的溫拌劑采用Sasobit溫拌劑。

1.2 溫拌彩色瀝青制備方案

ULTC溫拌彩色瀝青的實驗室制備步驟如下：

（1）將淺色瀝青加熱至140 ℃～150 ℃，為了確保受熱均勻在加熱時勻速攪拌。

（2）添加溫拌劑，在高速剪切儀中剪切30 min。

（3）添加顏料，攪拌均勻在130 ℃～140 ℃發(fā)育20 min，得到所述溫拌彩色合成瀝青。

2 試驗結果與分析

2.1 ULTC溫拌彩色瀝青路用性能分析

2.1.1 針入度試驗

針入度試驗執(zhí)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的T0603-2011標準試驗方法［6］。選用儀器為可控溫針入度儀，控溫精度±0.1 ℃。為了更加具體地描述瀝青的溫度敏感性，選取5 ℃、15 ℃、25 ℃這三個溫度點，試驗結果見表4，三種瀝青針入度隨溫度的變化見圖1。

根據(jù)不同溫度下針入度的測試值，計算各種瀝青的針入度指數(shù)PI，這個指數(shù)能夠反映溫拌彩色瀝青的溫度敏感性，研究溫拌彩色瀝青的溫變特性。計算結果如表5所示。

分析表4、表5可得出以下結論：（1）在相同溫度下，ULTC溫拌彩色瀝青的針入度遠遠大于Sasobit溫拌彩色瀝青和彩色瀝青；（2）A值越小，溫敏性越低，A值越大，溫度敏感性越高，ULTC溫拌彩色瀝青的溫度敏感性比其他兩種瀝青小；（3）回歸直線的截距可以反映針入度的大小，截距隨針入度的增大而增大，這表明瀝青的溫拌效果和流動性較好，所以ULTC彩色瀝青有較好的溫拌特性。

2.1.2 軟化點試驗

軟化點試驗（環(huán)球法）按照JTG E20-2011中的T0606-2011標準方法進行操作。試驗儀器為可控溫軟化點儀，時間精度±0.1 s。軟化點測試結果見表6。

ULTC溫拌彩色瀝青的軟化點高于彩色瀝青，但低于Sasobit溫拌彩色瀝青。ULTC溫拌劑和Sasobit溫拌劑中都含有蠟，能夠提高彩色瀝青的高溫穩(wěn)定性，但是ULTC中蠟元素含量低于Sasobit溫拌劑，所以ULTC的軟化點大于彩色瀝青，但小于Sasobit溫拌彩色瀝青。

2.1.3 延度試驗

瀝青的延度試驗參照JTG E20-2011中的T0605-2011標準方法試驗。選用儀器為可控溫延度儀。溫度選擇10 ℃，拉伸速率為5 cm/min。延度測試結果見表7。

從試驗數(shù)據(jù)可以得出，在10 ℃時，ULTC溫拌彩色瀝青的延度具有明顯優(yōu)勢，而彩色瀝青的平均延度為87 cm，Sasobit溫拌彩色瀝青的平均延度為31 cm，充分反映了ULTC溫拌彩色瀝青在低溫時仍然具有較優(yōu)的延展性，間接表明了ULTC溫拌彩色瀝青具有較好的溫拌特性。

2.1.4 布氏旋轉黏度試驗

本試驗使用布洛克菲爾德黏度計，并嚴格按照規(guī)范JTG E20-2011中的T0625-2011制樣檢測?？紤]到溫拌彩色瀝青施工溫度較低的情況下，黏度測試的范圍為90 ℃和130 ℃，間隔為10 ℃。試驗結果見表8，黏溫曲線見圖2。

如圖2所示，在彩色瀝青中加入Sasobit溫拌劑時，在低溫時Sasobit溫拌彩色瀝青的黏度相較于彩色瀝青大大提高，原因是Sasobit溫拌劑是一種蠟，在低溫時未達到熔點，發(fā)揮不了溫拌作用。相對于彩色瀝青，ULTC溫拌彩色瀝青隨溫度的升高，黏度降低的速率更快，這種現(xiàn)象是因為在溫度＞105 ℃時，ULTC型溫拌劑已經熔融，降低了彩色瀝青的黏度。這表明添加ULTC溫拌劑可提高瀝青的施工和易性。從黏溫曲線圖可以看出，ULTC溫拌彩色瀝青在黏度為0.17 Pa·s時對應的溫度大約為122 ℃，以《公路工程瀝青及混合料試驗規(guī)程》為參考，可以將122 ℃設置為ULTC溫拌彩色瀝青的拌和溫度，與普通彩色瀝青的拌和溫度相比降低了40 ℃左右。

2.2 ULTC型復合彩色瀝青粘附性研究

利用水浸法并結合Photoshop圖像分析法評價彩色瀝青與集料的粘附性能［7-8］，試驗步驟如下：

（1）取200 g過9.5～13.2 mm篩的石灰?guī)r，洗凈，烘干。采用四分法稱取100 g洗凈烘干的石灰?guī)r，放入120 ℃的烘箱中控溫2 h。

（2）以100 g集料中加入4.5 g的比例配制瀝青。取出集料與瀝青充分拌和，使集料被瀝青膜完全覆蓋，并將均勻覆蓋瀝青膜的集料放在玻璃板上，常溫下冷卻后進行水浸試驗。

（3）將樣品放入到80 ℃±1 ℃的恒溫水槽中30 min，期間將剝離與漂浮的瀝青撈出。

（4）將放有集料的玻璃板取出放入冷水中，觀察瀝青薄膜的剝落情況并估算剝落率。

（5）使用相機對水浸后的樣品拍照，利用Photoshop圖像分析法，對同一像素下集料表面的剝落面進行顏色提取，利用直方圖查看像素面積，對剝落面積像素進行計算，得到剝落面積像素比，比值為剝落率，并按照粘附性等級表進行劃分。

從表9可以看出，對于集料選擇是石灰?guī)r的情況下，ULTC溫拌彩色瀝青的剝落率比彩色瀝青和Sasobit溫拌彩色瀝青均低，粘附性等級高。石灰?guī)r為堿性集料，其表面的堿性成分與彩色瀝青的酸性成分發(fā)生反應，所以當石灰?guī)r作為集料時，整體表現(xiàn)為較高的粘附性等級。

2.3 基于流變特性的溫拌彩色瀝青性能分析

使用動態(tài)剪切流變儀（DSR）來評估各種瀝青的流變性能。用復數(shù)剪切模量G*和相位角δ來表征瀝青膠結料的粘彈性，高溫車轍因子G*/sinδ利用G*和δ計算得到，用以評價瀝青膠結料的高溫抗車轍性能［9-10］。

2.3.1 復數(shù)剪切模量G*

復數(shù)剪切模量G*表示瀝青結合料在反復受剪力后，材料抗變形的總量。圖3繪出了彩色瀝青與ULTC溫拌彩色瀝青、Sasobit溫拌彩色瀝青在46 ℃～82 ℃的溫度范圍內的G*的結果。ULTC溫拌彩色瀝青的G*比彩色瀝青低是由于溫拌劑的加入，改變了瀝青組分的構成。ULTC溫拌劑中含有橡膠油，使得復合彩色瀝青中油分變多。在施工時，溫拌彩色瀝青的施工溫度要比熱拌瀝青的施工溫度高，溫拌劑的加入降低了瀝青在高溫時的黏度，提高了施工和易性。

2.3.2 相位角δ

相位角δ為瀝青材料承受剪切荷載作用時，應變滯后于應力的角度，δ越小表示瀝青越偏彈性，發(fā)生相同變形后彈性恢復性能越好，可用于研究溫拌彩色瀝青的性質。圖4繪出了彩色瀝青與ULTC溫拌彩色瀝青、Sasobit溫拌彩色瀝青在46 ℃～82 ℃溫度范圍內的相位角δ的結果。彩色瀝青和兩種溫拌彩色瀝青的相位角δ隨著溫度升高而升高，ULTC溫拌彩色瀝青的相位角小于彩色瀝青和Sasobit溫拌彩色瀝青，說明ULTC型溫拌劑能夠提高彩色瀝青的彈性恢復能力。

2.3.3 車轍因子G*/sinδ

車轍因子G*/sinδ是評價瀝青高溫性能的指標，G*/sinδ越大，表示高溫抗永久變形能力越強，即混合料的高溫穩(wěn)定性越好。圖5繪出了彩色瀝青與ULTC溫拌彩色瀝青、Sasobit溫拌彩色瀝青在46 ℃～82 ℃的溫度范圍內車轍因子G*/sinδ的結果。車轍因子的變化趨勢與復合模量的趨勢大致相同，在實際道路工作的溫度范圍內，ULTC溫拌彩色瀝青和Sasobit溫拌彩色瀝青的車轍因子G*/sinδ均大于彩色瀝青，在此范圍內溫拌劑能顯著提高彩色瀝青的抗車轍能力，ULTC溫拌彩色瀝青較普通彩色瀝青具有更好的抗車轍性。

3 結語

本文對ULTC溫拌彩色瀝青的常規(guī)物理性能、流變性能、粘附性進行研究，結論如下：

（1）通過研究ULTC溫拌彩色瀝青針入度、軟化點、延度指標評價ULTC溫拌彩色瀝青的常規(guī)性能。發(fā)現(xiàn)ULTC溫拌劑的加入，使得彩色瀝青軟化點和延度都有提高。但是由于ULTC溫拌劑中蠟含量比Sasobit溫拌劑低，ULTC溫拌彩色瀝青的軟化點增幅明顯低于Sasobit溫拌彩色瀝青；10 ℃延度指標隨著溫拌劑的加入有所提高，ULTC溫拌劑能夠改善彩色瀝青的低溫性能，同時ULTC溫拌彩色瀝青的針入度指數(shù)仍然符合彩色瀝青的使用要求。

（2）利用布氏旋轉黏度儀對ULTC溫拌彩色瀝青在90 ℃～130 ℃范圍內的瀝青的黏度及黏溫曲線進行了研究，發(fā)現(xiàn)添加ULTC溫拌劑可提高彩色瀝青的施工和易性。

（3）利用水浸法并結合Photoshop圖像分析法評價彩色瀝青與集料的粘附性能，研究發(fā)現(xiàn)ULTC溫拌彩色瀝青具有更好的粘附性能和抗剝落性。

（4）通過DSR評價了ULTC溫拌彩色瀝青的流變性能。分析了ULTC溫拌彩色瀝青剪切模量和相位角在不同溫度下的變化情況，發(fā)現(xiàn)ULTC溫拌劑的加入使得彩色瀝青組分的構成發(fā)生改變，能夠提高彩色瀝青的彈性恢復能力，具有更好的抗車轍能力。

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收稿日期：2024-03-25

作者簡介：趙 琪（1991—），工程師，研究方向：交通工程。