兩種溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青膠結(jié)料高低溫性能的影響研究

彭 剛，姚城熙，徐 波，于 新

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098）

溫拌瀝青路面和傳統(tǒng)的熱拌瀝青路面相比性能相當(dāng)，卻可以降低施工溫度20-50℃，節(jié)約能源30%，同時(shí)大幅度減少CO2、SO2、NOX等氣體的排放。在能源日趨緊張，對(duì)減排要求越來越高的“低碳時(shí)代”，溫拌技術(shù)在瀝青路面建設(shè)中得到了越來越多的應(yīng)用[1]。國(guó)外已有相當(dāng)一部分的瀝青路面采用了溫拌技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果[2-4]。2002 年美國(guó)開始關(guān)注溫拌瀝青技術(shù)。2004 年以后，以美國(guó)瀝青技術(shù)研究中心（NCAT）為代表的著名研究機(jī)構(gòu)，選取3個(gè)具有代表性的溫拌瀝青技術(shù)，展開了綜合性的室內(nèi)外研究工作。2008年，美國(guó)公路合作研究組織啟動(dòng)了3個(gè)溫拌瀝青混合料設(shè)計(jì)方法研究課題[5-6]。

我國(guó)的溫拌劑技術(shù)始于2005 年在北京昌平鋪筑的第一條溫拌瀝青混合料路面。2006 年西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目《溫拌瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)研究》立項(xiàng)，在各地組織實(shí)施多條試驗(yàn)路。2008年7月，浦東路橋公司完成了針對(duì)SMA的溫拌性能評(píng)估，得出的動(dòng)穩(wěn)定度和抗疲勞顯著改善的結(jié)論與NCAT 和交通部公路科研院的研究結(jié)論基本吻合。研究表明，溫拌技術(shù)能夠有效提高瀝青混合料的施工和易性，降低瀝青混合料的生產(chǎn)施工操作溫度。課題組結(jié)合項(xiàng)目的工程實(shí)際，選用Evotherm和Sasobit兩種溫拌劑，研究他們對(duì)SBS改性瀝青的高溫和低溫性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1）瀝青采用SBS 改性瀝青。按規(guī)范［7］對(duì)SBS 改性瀝青的基本性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2）溫拌劑：Sasobit是一種固體石蠟，在通常狀態(tài)下以薄片或粉末的形式存在，熔點(diǎn)約為100℃，25℃的密度約為0.94 g·cm-3，在使用過程中可直接加入到熱瀝青中，只需要經(jīng)過簡(jiǎn)單攪拌即可完全溶于熱瀝青。Evotherm 溫拌技術(shù)是基于乳化平臺(tái)的一種溫拌技術(shù)，通過化學(xué)表面活性劑，配置成乳化皂液直接加入拌缸，與熱瀝青、熱石料進(jìn)行混合攪拌。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Tab.1 Properties of the SBS modified asphalt

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)是瀝青的三大性能指標(biāo)之一，指的是瀝青從粘塑狀態(tài)到粘流狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，在實(shí)質(zhì)上反映的是瀝青的等粘溫度。軟化點(diǎn)常用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，軟化點(diǎn)高，高溫穩(wěn)定性良好［8］。實(shí)驗(yàn)采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-2806E型全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器。

對(duì)添加不同摻量Evotherm 和Sasobit 溫拌劑的SBS改性瀝青膠結(jié)料進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 SBS改性瀝青軟化點(diǎn)Tab.2 Softening point of the SBS modified asphalt

從上表可以看出：Sasobit和Evotherm溫拌劑的摻入都會(huì)在一定程度上提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)，從軟化點(diǎn)這個(gè)指標(biāo)看，溫拌劑的摻入能夠改善SBS改性瀝青的高溫性能。相比之下，Sasobit溫拌劑使SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的增幅更明顯，3%Sasobit劑量時(shí)增幅已經(jīng)達(dá)到25.4%；而Evotherm溫拌劑的劑量達(dá)到9%時(shí)，增幅僅為9.5%。

從機(jī)理上分析，Sasobit 作為一種有機(jī)蠟，加入SBS 改性瀝青中促使瀝青中形成一種大蠟晶結(jié)構(gòu)，并與SBS改性瀝青之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得SBS改性瀝青膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起軟化點(diǎn)顯著升高。

2.2 破壞溫度

Superpave瀝青規(guī)范采用G*/sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能指標(biāo)，與以往的針入度、粘度指標(biāo)相比有了很大的進(jìn)步，因?yàn)樗幵趧?dòng)荷載作用下，表征了瀝青的動(dòng)粘彈性質(zhì)［9-10］。通過DSR溫度掃描試驗(yàn)，取得試驗(yàn)溫度在25～80 ℃范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的車轍因子（G*/sinδ），并對(duì)曲線進(jìn)行回歸分析，得到SBS 改性瀝青在車轍因子（G*/sinδ）為1 kPa時(shí)的破壞溫度，由此判斷摻加溫拌劑后的SBS改性瀝青的高溫性能。破壞溫度值越大，表明材料的高溫性能越好。試驗(yàn)使用美國(guó)TA-AR1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

分別對(duì)不同的瀝青試樣進(jìn)行車轍因子（G*/sinδ）測(cè)試，以確定不同溫拌劑摻量下的SBS改性瀝青膠結(jié)料的破壞溫度，車轍因子測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 SBS改性瀝青車轍因子Tab.3 G*/sin δ of the SBS modified asphalt

從表3中得到從25 ℃～80 ℃范圍內(nèi)的不同的溫度（T）對(duì)應(yīng)的車轍因子（G*/sinδ），建立車轍因子對(duì)數(shù)值（log（G*/sinδ））～溫度T曲線圖，如圖1、圖2所示。

圖1 摻加/未摻加Evotherm的SBS改性瀝青l(xiāng)og（G*/sinδ）-T關(guān)系圖Fig.1 Logarithm of the G*/sinδ of SBS modified asphalt with/without the Evotherm

圖2 摻加/未摻加sasobit的SBS改性瀝青l(xiāng)og（G*/sinδ）-T關(guān)系圖Fig.2 Logarithm of the G*/sinδ of SBS modified asphalt with/without the sasobit

根據(jù)回歸擬合的公式，計(jì)算G*/sinδ=1kPa時(shí)的溫度，即fail temperature。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 SBS改性瀝青破壞溫度Tab.4 Fail temperature of the SBS modified asphalt

分析表4：隨著溫拌劑摻量的增加，SBS 改性瀝青的破壞溫度逐漸增大。摻加9%的Evotherm 溫拌劑后，SBS 改性瀝青破壞溫度的增幅達(dá)到13.4%，高溫性能得到改善，當(dāng)Evotherm 的摻量繼續(xù)增加至10%和11%時(shí)，其破壞溫度與9%摻量時(shí)的變化不明顯。摻加3%的sasobit溫拌劑后，SBS改性瀝青的破壞溫度明顯提升，增幅達(dá)到20.4%。隨著sasobit溫拌劑的摻量繼續(xù)增加至4%和5%時(shí)，其破壞溫度值繼續(xù)增加，但幅度不大。兩者相比，sasobit使SBS改性瀝青的破壞溫度值提升更為顯著，改善效果更好。

2.3 延度試驗(yàn)

延度反映了瀝青膠結(jié)料的延伸性能，體現(xiàn)了瀝青路面抵抗低溫開裂的能力。具有方法簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，一直為眾多國(guó)家所采用，尤其在我國(guó)，延度是評(píng)價(jià)膠結(jié)料低溫性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)采用LYY-7C型調(diào)溫調(diào)速瀝青延伸儀。

對(duì)添加不同的瀝青試樣進(jìn)行延度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為5℃，其測(cè)試結(jié)果如表5所示。

從表5 可以看出：SBS 改性瀝青的延度隨著Evotherm劑量的增加而增大，摻加9%的Evotherm溫拌劑后，SBS改性瀝青的延度增幅為25.4%，說明Evotherm溫拌劑能夠在一定程度上提高SBS 改性瀝青的延度。而SBS 改性瀝青的延度隨著Sasobit 劑量的增加而減少且低于未添加溫拌劑時(shí)的瀝青延度，延度指標(biāo)顯示Sasobit 溫拌劑的加入對(duì)SBS 改性瀝青的延度影響是不利的，這是因?yàn)镾asobit 是一種石蠟，當(dāng)膠結(jié)料溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，Sasobit會(huì)在瀝青中結(jié)晶析出網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，增大瀝青的粘度使得瀝青變硬變脆。

表5 SBS改性瀝青延度Tab.5 Ductility of the SBS modified asphalt

2.4 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

美國(guó)SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范里，提出了在彎曲梁流變儀（Bending Beam Rheometer，簡(jiǎn)稱BBR）上進(jìn)行的的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)參數(shù)蠕變勁度S和蠕變速率m能很好的反映瀝青膠結(jié)料的低溫性能。規(guī)范規(guī)定蠕變勁度S不能過大，同時(shí)松弛速率m不能太小。在Surperpave設(shè)計(jì)體系和瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中要求的是60 s時(shí)的S值和m值［11］。試驗(yàn)采用美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀。

BBR試驗(yàn)選用-12 ℃，-18 ℃，-24 ℃的蠕變勁度S和蠕變速率m作為瀝青膠結(jié)料低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)所得60 s的S和m值如表6所示。

表6 SBS改性瀝青試驗(yàn)60 s的S和m值Tab.6 Creep stiffness S and m-value of the SBS modified asphalt

通過表6 可以看出：隨著Evotherm 溫拌劑劑量的增加，SBS 改性瀝青的勁度模量也隨之增加，這表明，SBS 改性瀝青的彎曲流變性能在變差，Evotherm 溫拌劑會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響。在-18 ℃條件下，當(dāng)Evotherm溫拌劑劑量≥11%時(shí)，勁度模量S值才大于未添加溫拌劑的SBS改性瀝青的勁度模量，說明溫拌劑只有達(dá)到一定的劑量才會(huì)對(duì)SBS改性瀝青產(chǎn)生不利的影響?？傮w來說，Evotherm對(duì)BBR試驗(yàn)結(jié)果影響并不顯著。

隨著Sasobit溫拌劑劑量的添加，SBS改性瀝青的彎曲流變性能在變差，在-12℃時(shí)，當(dāng)Sasobit溫拌劑劑量≥4%時(shí)勁度模量才大于未添加溫拌劑的SBS改性瀝青勁度模量，低溫性能才降低。總體來說，Sasobit溫拌劑的添加對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能是不利的。

3 結(jié)論

1）通過分析和比較不同Evotherm和Sasobit摻量下的SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)和fail temperature值，可以看出兩種溫拌劑都可以較為顯著地提高其高溫性能，但Sasobit對(duì)其改善效果更為明顯。

2）從延度指標(biāo)來看，Evotherm 溫拌劑可以在一定程度上提高SBS 改性瀝青的延度；Sasobit 溫拌劑使SBS改性瀝青的延度降低。從蠕變勁度模量S值和蠕變曲線斜率m值來看，Evotherm溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青的低溫抗裂性能影響不大；Sasobit溫拌劑的添加對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3）兩種溫拌劑相比，Sasobit溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能影響較為明顯，而Evotherm對(duì)其低溫性能影響較小，并且延度指標(biāo)作為SBS改性瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)不大適合。使其軟化點(diǎn)和破壞溫度值的最大增幅為25.4%和20.4%。

[1]孫大權(quán),王錫通,湯士良,等.環(huán)境友好型溫拌瀝青混合料制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油瀝青,2007,21(4):54-57.

[2]JOE W B, CINDY E, ANDREW W. A synthesis of warm-mix asphalt[R]. Texas: Texas Transportation Institute and Texas A&M University System College,2007.

[3]DIEFENDERFER S, MCGHEE K, DONALDSON B. Installation of warm mix asphalt projects in virginia[R]. Virginia: Virginia-Transportation Research Council,2007.

[4]孫國(guó)生.歐美溫拌瀝青混合料枝術(shù)現(xiàn)狀[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2010(8):68-70.

[5]THOMAS P H.Summer of training warm mix asphalt[Z].Washington D.C.:Federal Highway Administration, 2011.

[6]程一鳴.美國(guó)溫拌瀝青混合料研究進(jìn)展及設(shè)計(jì)方法綜述[J].標(biāo)準(zhǔn)解讀與應(yīng)用,2013(17):8-11.

[7]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20-2011)[S].北京:人民交通出版社,2011.

[8]趙軍,劉兆平,曹衛(wèi)東,等.高彈性改性瀝青的路用性能試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2010,65(5):102～105.

[9]呂天華,章毅.布敦巖瀝青改性瀝青高溫動(dòng)態(tài)流變性能研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(4):13～17.

[10]徐鴻飛.基于重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué),2012.

[11]欒自勝,雷軍旗,屈仆,等.SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010(2):15-18.