融雪劑對(duì)瀝青三大指標(biāo)和微觀老化性能的影響

朱 燁,季學(xué)文,沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心 蘇州市 215011)

目前，最為常用的道路除雪方法是使用氯化物，但是氯化物會(huì)導(dǎo)致路面侵蝕、內(nèi)部鋼筋銹蝕、排水管道腐蝕以及土壤生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題，對(duì)瀝青路面也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。選擇三種融雪劑，就融雪劑對(duì)瀝青的高低溫性能影響和微觀老化性能的影響進(jìn)行探索，為路面養(yǎng)護(hù)者對(duì)融雪劑的使用提供參考。

1 原材料及試樣制備方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用韓國(guó)雙龍70號(hào)基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。實(shí)驗(yàn)所用的SBS是中國(guó)石化YH-791H的熱塑性丁苯橡膠，性能指標(biāo)見表2。試驗(yàn)采用的融雪劑為氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)和乙酸鉀(CH3COOK)三種。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

1.2.1常規(guī)試樣制備

本試樣用于延度、針入度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

(1)基質(zhì)瀝青試樣制作步驟為：將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，稱取瀝青質(zhì)量1%、2%、3%、4%的融雪劑，倒入基質(zhì)瀝青中，用玻璃棒攪拌2～3min至融雪劑分散均勻，放入135℃烘箱中發(fā)育2h。

表2 SBS技術(shù)指標(biāo)

(2)SBS改性瀝青試樣制作步驟為：將SBS改性瀝青加熱至熔融狀態(tài)，稱取瀝青質(zhì)量1%、2%、3%、4%的融雪劑，倒入SBS改性瀝青中，用玻璃棒攪拌2～3min至融雪劑分散均勻，放入165℃烘箱中發(fā)育2h。

1.2.2微觀試樣制備

本試樣用于紅外光譜試驗(yàn)。具體制作步驟為：取瀝青1～2g，加入二硫化碳在高溫瓶中溶解，瀝青與二硫化碳的質(zhì)量比為1∶19，待瀝青完全溶解后進(jìn)行試驗(yàn)。老化后的樣品是取常規(guī)試樣在旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)中老化85min后，再按上述步驟制成液體試樣進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)。

2 融雪劑對(duì)瀝青三大指標(biāo)和布氏粘度的影響

2．1 融雪劑對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

采用軟化點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青試樣的高溫性能，測(cè)試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣的針入度，測(cè)試結(jié)果見圖1、圖2。圖1、圖2中NaCl、CaCl2、CH3COOK分別指加入NaCl、CaCl2、CH3COOK的瀝青試樣，下同。

由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，加入融雪劑后，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)明顯上升，而SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)降低。這是因?yàn)榛|(zhì)瀝青與融雪劑的相互作用改變了瀝青四組分的比例，瀝青的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)增加，使瀝青硬化，從而使軟化點(diǎn)升高；對(duì)于SBS改性瀝青，融雪劑既對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生作用，又對(duì)SBS與基質(zhì)瀝青結(jié)合的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，破壞了SBS與基質(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)，從而使軟化點(diǎn)降低。融雪劑對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫性能有提高作用，對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能有降低作用。

圖3是根據(jù)基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和參數(shù)如表3所示。

由于改性瀝青的軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合后線性方程相關(guān)系數(shù)R2的值過(guò)小，因此認(rèn)為擬合的線性方程不可靠，而基質(zhì)瀝青的擬合方程更具有參考價(jià)值，可以進(jìn)行分析。雖然根據(jù)線性方程的參數(shù)a可知NaCl影響后的基質(zhì)瀝青增長(zhǎng)率略高于CaCl2，但是由參數(shù)b和圖3可知CaCl2影響后的擬合直線整體高于NaCl，因此認(rèn)為，對(duì)基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)影響最大的融雪劑是CaCl2。

表3 基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)變化的參數(shù)和線性方程

2．2 融雪劑對(duì)瀝青延度的影響

采用延度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青試樣的低溫性能，測(cè)試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣的5℃延度，測(cè)試結(jié)果見圖4、圖5。

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，加入融雪劑后，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的延度都隨著融雪劑摻量的增加而降低，即低溫性能變差。對(duì)于瀝青低溫性能的降低，是因?yàn)槿谘﹦┓稚⒃跒r青中，使基質(zhì)瀝青的軟組分硬化，改變了SBS在瀝青中的排布，這直接導(dǎo)致了瀝青延度的降低。氯鹽融雪劑以離子晶體的形式存在于瀝青分子中，并且晶體結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致延度降低的程度也不同。

圖6和圖7是根據(jù)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的延度隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和影響因子如表4所示。

表4 兩種瀝青的延度變化的參數(shù)和線性方程

由表4可知，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青線性方程的參數(shù)a均為負(fù)數(shù)，且SBS改性瀝青的參數(shù)a比基質(zhì)瀝青更小，說(shuō)明兩種瀝青的延度都有所降低，其中SBS改性瀝青降低幅度更大。對(duì)于基質(zhì)瀝青，從圖6可以看出CaCl2影響后的擬合直線位置最低，同時(shí)根據(jù)表5中CaCl2基質(zhì)瀝青線性方程的參數(shù)a最小，b最大，可知對(duì)基質(zhì)瀝青延度影響最大的是CaCl2。同理，對(duì)SBS改性瀝青延度影響最大的是CH3COOK。

2．3 融雪劑對(duì)瀝青針入度的影響

測(cè)試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣25℃的針入度，測(cè)試結(jié)果見圖8、圖9。

由圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，融雪劑對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青針入度的影響略有不同，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為融雪劑使兩種瀝青的針入度均下降，基質(zhì)瀝青的下降趨勢(shì)更明顯。這是因?yàn)槿谘﹦p少了輕質(zhì)組分的含量，基質(zhì)瀝青硬化，同時(shí)又破壞了SBS顆粒與瀝青組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使針入度下降。

圖10是根據(jù)基質(zhì)瀝青的針入度隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和參數(shù)如表5所示。

表5 基質(zhì)瀝青針入度變化的參數(shù)和線性方程

由于改性瀝青的針入度數(shù)據(jù)擬合后線性方程相關(guān)系數(shù)R2的值過(guò)小，因此只參考基質(zhì)瀝青的線性方程進(jìn)行分析。從圖10中看出CH3COOK影響的擬合直線位置最低，同時(shí)比較表5中的線性方程參數(shù)a，可知CH3COOK對(duì)基質(zhì)瀝青針入度下降速率明顯高于另外兩種融雪劑，因此，對(duì)基質(zhì)瀝青針入度影響最大的是CH3COOK。

3 融雪劑對(duì)瀝青影響的紅外光譜測(cè)試

不同物質(zhì)具有不同的分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，在受到紅外光照射后，用傅里葉紅外光譜儀能夠得到不同的紅外光譜圖，從而對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行分析。對(duì)加入融雪劑后的瀝青進(jìn)行RTFOT短期老化，采用紅外光譜掃描試驗(yàn)對(duì)其分析，判斷是否有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，并利用峰面積計(jì)算羰基指數(shù)，分析融雪劑對(duì)瀝青老化產(chǎn)生的影響。

由于不同融雪劑、不同融雪劑摻量對(duì)老化基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖影響規(guī)律一致，不同融雪劑、不同融雪劑摻量對(duì)老化SBS改性瀝青的紅外光譜圖影響規(guī)律也一致，因此選擇摻入四種摻量氯化鈣后的老化基質(zhì)瀝青和老化SBS改性瀝青作為代表進(jìn)行討論。氯化鈣摻量為0～4%的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青老化后的紅外譜圖如圖11、圖12。

瀝青經(jīng)過(guò)老化后，在紅外譜圖上1700cm-1附近的位置會(huì)出現(xiàn)明顯的羰基(C=O)官能團(tuán)吸收峰，羰基數(shù)量越多，吸收峰越大?？梢酝ㄟ^(guò)羰基指數(shù)(IC=O)對(duì)瀝青中的羰基數(shù)進(jìn)行定量分析。計(jì)算公式如下：

融雪劑對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青老化后羰基指數(shù)的影響如圖13、圖14所示。

由圖13和圖14可以發(fā)現(xiàn)，隨著融雪劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的羰基指數(shù)都明顯下降，因此融雪劑對(duì)瀝青有一定抗老化作用。對(duì)于基質(zhì)瀝青，抗老化作用最顯著的是CaCl2，CH3COOK次之，NaCl的作用相對(duì)較小，但當(dāng)摻量達(dá)到4%時(shí)，摻入三種融雪劑后的基質(zhì)瀝青的羰基指數(shù)都小于1。對(duì)于SBS改性瀝青，抗老化作用最明顯的也是CaCl2，其次是CH3COOK和NaCl，但當(dāng)摻量達(dá)到4%時(shí)，摻入三種融雪劑的SBS改性瀝青的羰基指數(shù)下降到2左右。

基質(zhì)瀝青老化過(guò)程中有一些高分子長(zhǎng)鏈化合物發(fā)生了斷鏈分解，瀝青被氧化，吸收氧原子與瀝青中的碳組成羰基。含氧基團(tuán)的增加改變了瀝青的結(jié)構(gòu)和組成，芳香分和膠質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)，輕組分減少、重組分增加。添加SBS 改性劑能提高瀝青長(zhǎng)期抗熱氧老化方面的性能，因此SBS改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。而融雪劑的摻入阻礙了瀝青中高分子長(zhǎng)鏈斷鏈之后與氧自由基的結(jié)合，從而減少了羰基的生成，提高了瀝青的抗老化性能。

4 結(jié)論

(1)隨著融雪劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)升高，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)降低；兩種瀝青在融雪劑的影響下延度和針入度都降低；CaCl2對(duì)基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)影響最大，NaCl對(duì)SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)影響最大。

(2)由紅外光譜的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瀝青摻入融雪劑后，不會(huì)引起瀝青內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的改變，因此融雪劑不與瀝青和SBS發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；摻入融雪劑后的瀝青經(jīng)過(guò)老化，隨著融雪劑摻量的增加羰基指數(shù)下降，證明加入融雪劑能提高瀝青的抗老化性能。

(3)只選定了融雪劑的四種摻量，瀝青只有兩種，而且微觀方面研究不深入，因此結(jié)論有片面性，應(yīng)選用更多種類的瀝青、融雪劑、融雪劑摻量以及更先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行更全面的研究，使研究成果更具有準(zhǔn)確性和普遍性。