新型TPS改性瀝青的高低溫及感溫性能

趙少宗，董飛龍，陳陽陽， 郭 創(chuàng)， 王佳偉

1. 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200082

2. 長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064

0 引言

排水瀝青路面因具有特殊的結構而有著排水、降噪、抗滑以及雨天減輕水漂、水霧等多種功能，大大提高了行車的安全性。法國是推廣排水瀝青路面最快、最為廣泛的國家，其將排水路面中的黏結材料聚合物采用改性瀝青、橡膠瀝青以及纖維，從而提高混合料的抗松散、剝落的性能[1]。英國早在20世紀60年代就已經(jīng)開始鋪筑過排水性瀝青路面，但是由于當時用普通瀝青作為混合料的黏結材料，所以使用效果不佳，英國認為在保證高溫下不發(fā)生瀝青析漏的前提下應盡量采用較多的瀝青[2]。日本對于排水瀝青路面的研究不是很早，但是其技術研究較深入、成熟，提出了自己的設計方法和標準，累計鋪筑面積已經(jīng)達到3 000萬m2[3]。日本自主研究出一種名為TPS的高黏改性劑，用于制作高黏改性瀝青。在2003年，陜西的公路建設部門同日本的某公司合作，在咸陽國際機場的高速路上鋪設了厚度為50 mm的排水性瀝青路面[4-6]，其中瀝青改性劑采用的就是日本的TPS高黏改性劑。結果顯示，高黏改性劑的加入確實解決了排水路面常見的病害，明顯增強了集料與瀝青之間的黏結力。TPS高黏改性瀝青以其優(yōu)異的黏性和黏附能力，已在排水路面中得到了廣泛應用[7-8]，在中國當前排水路面中使用的高黏改性瀝青多數(shù)是進口改性瀝青，價格的高昂成為制約排水

瀝青路面推廣、發(fā)展的關鍵性因素。中國的高黏改性劑研究正處于起步階段，并沒有形成一個成熟的材料評價體系和標準。所以，本文主要研究一種新型的國產TPS高黏改性劑，并將這種TPS改性瀝青與SBS改性瀝青和日本的TPS改性瀝青進行溫度性能的對比，目的在于研究新型TPS改性劑的最佳摻量，為國內的排水瀝青路面建設打下良好基礎。

1 原材料的技術指標

1.1 瀝青

本文共采用4種瀝青，包括3種基質瀝青和1種改性瀝青。基質瀝青分別為甘肅機械化生產的70號瀝青、殼牌70號瀝青以及昆侖90號基質瀝青，改性瀝青為昆侖SBS I-C，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對各種瀝青指標進行試驗，結果見表1~3。

由表1~3中數(shù)據(jù)可知，各瀝青的基本指標均滿足規(guī)范要求。

2 TPS高黏改性瀝青的制備

2.1 TPS高黏瀝青的制備過程

本文選取2種70號基質瀝青進行TPS改性瀝青的制備，按照高黏瀝青的制備工藝[9-10]，采用高速剪切機進行剪切制備。

表1 70號基質瀝青指標

表2 90號基質瀝青指標

表3 昆侖SBS I-C瀝青指標

將剪切之后的高黏瀝青在低速攪拌機中，于170 ℃攪拌30 min，使其產生一定的高溫溶脹，得到形態(tài)結構更加穩(wěn)定的高黏瀝青，進而達到高黏和耐久的特性[11-12]。本文用以對比的日本TPS高黏改性劑摻量為12%。

2.2 儲存穩(wěn)定性試驗

本文對8%、13%和18%改性劑摻量的高黏瀝青進行鋁管離析試驗[13]，結果見表4。

從試驗結果可以看出，高黏瀝青的頂部軟化點要比底部高，原因是在高溫狀態(tài)下聚合物在瀝青中會出現(xiàn)上浮的情況。其軟化點差均在規(guī)范要求的2.5 ℃之下，此高黏改性劑與瀝青的相容穩(wěn)定性比較好。

3 高黏瀝青的溫度指標

3.1 高溫性能

本文對高黏改性瀝青的高溫性能研究選擇軟化點以及60 ℃動力黏度2個試驗指標。中國當前規(guī)范中對高黏瀝青各項指標的要求是參照日本96版的規(guī)范制定的。

3.1.1 60 ℃動力黏度

對2種70號基質瀝青進行改性得到的高黏瀝青進行60 ℃動力黏度的測試，結果見表5和圖1、2。

從圖1、2和表5可以看出，隨著新型TPS的加入，2種基質瀝青的動力黏度均得到了大幅度的提高，本文所選取的SBS瀝青動力黏度介于新型TPS摻量為3%和8%時高黏瀝青的黏度，SBS改性瀝青的60 ℃動力黏度測試結果為8 837Pa·s，摻量在13%時，2種基質瀝青的60 ℃動力黏度均已超過了20 000 Pa·s，滿足了規(guī)范對高黏瀝青的要求。

表4 離析試驗結果

表5 動力黏度

圖1 動力粘度變化圖

圖2 動力黏度比較

由于油源之間的差異導致相同標號不同種類的基質瀝青改性效果也存在著不同，在TPS摻量由3%增大到18%的過程中，甘肅機械化生產的70號瀝青的黏度一直高于殼牌瀝青，分析其原因應該是，甘機瀝青的瀝青質相對較少，使得瀝青與TPS改性劑的相容性較好。假如在瀝青質含量較多的瀝青中沒有足夠多的芳香烴，則其改性的穩(wěn)定性就會下降[14]。本文中不同基質瀝青的改性效果相差不大，從60 ℃動力黏度來看均取得了良好的效果。在TPS摻量為18%時，瀝青黏度的測定就已經(jīng)十分困難，達到了50 000~60 000 Pa·s，新型TPS黏度的提高方面與日本TPS改性劑存在著差異，其摻量達到18%時的60 ℃動力黏度才僅次于日本TPS摻量為12%的動力黏度。但是，黏度過高會大幅提高施工溫度而且泵送困難，所以從黏度角度推薦新型TPS摻量為13%~18%。本文后續(xù)試驗只選擇甘肅機械化70號基質瀝青作為對比瀝青。

3.1.2 軟化點

各個瀝青的軟化點試驗結果見圖3、4。從圖3、4可以看出，隨著新型TPS摻量的增加，瀝青軟化點逐漸升高，SBS的軟化點介于新型TPS摻量3%~8%時的軟化點，日本TPS摻量為12%的瀝青軟化點并未像60 ℃動力黏度那樣超出新型TPS摻量為18%的瀝青，而是介于摻量為13%~18%的瀝青的軟化點?？傮w而言，從軟化點來看，新型TPS的加入顯著提高了瀝青的軟化點，滿足規(guī)范要求（80 ℃）。

圖3 軟化點變化

圖4 軟化點對比

3.2 低溫性能

本文選擇低溫延度對新型TPS高黏改性瀝青的低溫性能進行研究。

基質瀝青的低溫延度一般在10 ℃，改性瀝青一般在5 ℃下測量，本文選擇這2種溫度對不同摻配比例的TPS改性瀝青進行延度試驗，其試驗結果見表6和圖5。

從圖5和表6中可以看出，無論是5 ℃延度還是10 ℃延度，均隨著新型TPS摻量的增加而變大，但是變化幅度很小，即使摻量達到18%時，相對于基質瀝青的提高幅度也在20 cm以內。從圖6中可以看出，SBS瀝青的5 ℃和10 ℃延度均明顯高于新型TPS高黏改性瀝青，是其2倍左右，12%日本TPS改性瀝青的延度也要比摻入新型TPS的高黏瀝青的大，分析原因應該是由該TPS改性劑的組成成分所致。TPS中含有部分樹脂類的物質，它不但不會改善瀝青的低溫性能，甚至有降低瀝青低溫性能，起負面作用，與日本TPS改性劑的差異來源于其成分比例的不同?？梢奣PS改性劑對于瀝青低溫性能的提高并不明顯，但是延度僅僅是從低溫塑性的變形方面來考察的，其低溫下應力的累計和應力松弛還是要通過彎曲梁蠕變試驗來研究，而且即使是5 ℃延度也并不能比較真實地模擬瀝青在路面中所處的真正低溫環(huán)境[15]。由于TPS本身是一種熱塑性的彈性體，隨著其在瀝青中的摻量逐漸增加，會形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結構。當摻量較少的時候，網(wǎng)狀交聯(lián)結構未能完全形成，此時基質瀝青為連續(xù)相，TPS則分散在瀝青介質中，隨著摻量的繼續(xù)增加，膠結料分散狀態(tài)將發(fā)生變化，網(wǎng)狀交聯(lián)結構逐步增強，TPS由開始的分散相逐漸變?yōu)檫B續(xù)相，所以后期趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)[16]。

表6 各瀝青延度

圖5 延度變化圖

圖6 延度比較

3.3 感溫性能

本文選擇多種指標進行高黏瀝青感溫性能的測試，首先對各個TPS摻量的高黏改性瀝青和SBS瀝青在15 ℃、25 ℃和30 ℃的針入度進行試驗，并用布氏黏度儀對其135 ℃的表觀黏度進行測試，結果見表7和圖7~9。

由表7和圖7、8可以看出，瀝青的針入度均隨著新型TPS摻量的增加而降低；而且隨著溫度的升高，針入度的降低幅度會逐漸變大。由圖8可以看出，各溫度下高黏瀝青的針入度要明顯低于SBS改性瀝青，日本TPS摻量為12%的高黏瀝青也表現(xiàn)出較硬的狀態(tài)，其各個溫度下的針入度同新型TPS摻量為18%的高黏瀝青相差不多，甚至更低。

表7 各瀝青黏溫指數(shù)指標

圖7 針入度變化

如圖9所示，135 ℃的表觀黏度隨著新型TPS摻量的增加呈現(xiàn)出階梯狀緩慢上升，日本TPS摻量為12%的高黏瀝青的表觀黏度介于新型TPS摻量的13%~18%的高黏改性瀝青之間，僅次于摻量為18%的新型TPS高黏瀝青；摻量為13%的瀝青表觀黏度和SBS改性瀝青相當，但是由于高黏瀝青非牛頓流體的特性，其135 ℃表觀黏度的測試只能在同試驗條件下對不同瀝青之間的定性比較，并不能以此數(shù)值來估計其對施工溫度的影響。

圖9 135 ℃粘度比較

根據(jù)各個瀝青的基本試驗指標，進行瀝青感溫性評價指標計算，得到不同瀝青的各個指標值，如表8、圖10所示。

由表8和圖10可以看出，從針入度指數(shù)（PI）、以25℃針入度和60 ℃黏度計算得到的針入度黏度指數(shù)（PVN25-60）和以25 ℃針入度和135 ℃黏度計算得到的針入度黏度指數(shù)（PVN25-135）來看，瀝青感溫性均隨著新型TPS摻量的增加而降低。從針入度指數(shù)來看，各個瀝青均屬于溶-凝膠型結構，雖然隨著TPS摻量增加其感溫性降低了不少，但遠不及SBS改性瀝青的感溫性低。從PVN25-60來看，由于高黏瀝青在60 ℃具有高黏的特性，其針入度-黏度指數(shù)急劇增加，在摻量達到8%時就已經(jīng)高出SBS改性瀝青，PVN25-135指數(shù)同樣增加很明顯，但各個摻量之間的感溫性區(qū)分不是很大，在TPS摻量為18%時接近了SBS改性瀝青，這與PI的表現(xiàn)有很大的差異。

表8 各瀝青感溫指

黏溫指數(shù)VTS則表現(xiàn)出與前2個指標完全相反的結論，高黏瀝青和SBS改性瀝青的黏溫指數(shù)均小于基質瀝青，而依據(jù)黏溫指數(shù)的表征意義，高黏改性劑的加入會使得瀝青的感溫性增加，因此VTS并不適合用于高黏瀝青的感溫性評價。

4 結語

通過測試各高黏瀝青的溫度指標得出，隨著新型TPS摻量的增加，瀝青的各項性能均得到了改善。

（1）新型TPS摻量達到8%時，各項高溫指標同SBS改性瀝青相當；日本TPS摻量為12%改性瀝青的各項性能均介于新型TPS摻量13%~18%的高黏瀝青之間，接近于摻量為18%的TPS高黏瀝青；但是無論是新型TPS還是日本TPS高黏瀝青的低溫性能均遠不及SBS改性瀝青的低溫性能好。

（2）由于SBS改性劑的摻量一般在3%~5%，所以其60 ℃動力黏度遠沒有高黏瀝青的黏度大，導致在PVN指數(shù)中的表現(xiàn)規(guī)律不同，但總體來看新型TPS的加入明顯改善了瀝青的感溫性能。

（3）通過對高黏瀝青各摻量下性能的對比，以及與高黏瀝青指標要求和日本TPS高黏改性瀝青之間的對比，本文推薦新型TPS的摻量為13%~18%。