不同溫拌劑對(duì)于瀝青性能改性效果的流變分析

邱延峻，羅浩原*，歐陽(yáng)鋮霏，王世法，閆紅光，陽(yáng)恩慧

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司)

1 前言

溫拌瀝青技術(shù)是一項(xiàng)追求在較低溫度下施工且要求性能不低于熱拌瀝青的路面施工技術(shù)。瀝青中摻加溫拌劑可以在不損害瀝青路用性能的同時(shí)，獲得良好的施工和易性，有效地降低施工時(shí)的拌和與壓實(shí)溫度。相較于熱拌瀝青技術(shù)而言，溫拌瀝青技術(shù)具有施工溫度低、節(jié)能環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、耐久耐老化性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是與此同時(shí)也伴隨著水穩(wěn)性差、經(jīng)濟(jì)成本較高等缺點(diǎn)。中國(guó)對(duì)溫拌瀝青技術(shù)的研究起步于2005年，溫拌瀝青的實(shí)際路用性能得到眾多工程技術(shù)學(xué)者的關(guān)注和重視?，F(xiàn)階段，國(guó)際上廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程的溫拌劑可按降黏機(jī)理主要分為兩類：① 有機(jī)降黏型溫拌劑，最具代表性的是 Sasobit?和EC-120；② 表面活性型溫拌劑，其代表產(chǎn)品有Evotherm?系列溫拌劑。中國(guó)學(xué)者對(duì)Sasobit?在溫拌瀝青上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究分析后發(fā)現(xiàn)：Sasobit?能夠顯著改善瀝青的高溫性能和抗老化性能，但是對(duì)于低溫性能有一定的負(fù)面影響，另外，瀝青的長(zhǎng)期水穩(wěn)性也會(huì)有所劣化。為了探尋這種影響規(guī)律是Sasobit?溫拌劑獨(dú)有的，亦或是有機(jī)降黏型溫拌劑的共性，陳開國(guó)開始利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)添加有機(jī)溫拌劑EC-120的橡膠改性瀝青進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)EC-120也存在降低瀝青低溫抗裂性的問題。與此同時(shí)，在對(duì)表面活性型溫拌劑的研究中發(fā)現(xiàn)，表面活性型溫拌劑達(dá)到和Sasobit?相同降溫效果時(shí)，摻量遠(yuǎn)低于后者，在改善瀝青長(zhǎng)期水穩(wěn)性的同時(shí)，不僅可以減緩瀝青的老化過程，還可以有效地把短期老化后瀝青的各項(xiàng)技術(shù)性能維持在較高的水平。在此基礎(chǔ)上，王友奎等基于表面活性機(jī)理自主合成了一種新型溫拌劑HSWB-H9，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該溫拌劑可以顯著降低瀝青成型溫度、改善抗水損害性能和抗老化性能，低溫性能也有明顯提高；2016年，王朝輝等通過瀝青三大指標(biāo)測(cè)試和混合料馬歇爾測(cè)試評(píng)價(jià)了4種常用溫拌劑對(duì)瀝青及瀝青混合料路用性能的影響。但目前，中國(guó)對(duì)于溫拌瀝青的性能評(píng)價(jià)還比較籠統(tǒng)，僅對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)或其降黏降溫效果進(jìn)行考察。 該文基于瀝青流變學(xué)原理，利用AASTO規(guī)范的PG分級(jí)測(cè)試方法，選用兩種典型的溫拌劑，每種3個(gè)摻量，在全溫度水平上對(duì)溫拌瀝青結(jié)合料進(jìn)行性能比較。希望在達(dá)到降黏降溫效果的同時(shí)，分析溫拌劑對(duì)于瀝青結(jié)合料實(shí)際路用性能的改變，以驗(yàn)證將流變學(xué)測(cè)試方法應(yīng)用于溫拌瀝青比選的合理性。

2 原材料與測(cè)試方法

2.1 原材料

(1) 瀝青。選取中海110#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 110#瀝青主要性能技術(shù)指標(biāo)

(2) 溫拌劑。溫拌劑A：Sasol(中國(guó))化學(xué)有限公司生產(chǎn)的Sasobit?產(chǎn)品，白色固體顆粒狀聚烯烴類(微晶蠟)瀝青改性劑，由合成長(zhǎng)鏈飽和碳?xì)浠衔锏幕旌衔锝M成，其工作機(jī)理為：加入至瀝青或?yàn)r青混合料中，受熱升溫熔化后在瀝青中起潤(rùn)滑作用，達(dá)到物理降黏的效果，從而達(dá)到降低拌和溫度的目的。技術(shù)指標(biāo)：熔點(diǎn)：115 ℃，閃點(diǎn)286 ℃，密度0.90 g/cm3。試驗(yàn)摻量為：1%、2%和3%。

溫拌劑B：External?溫拌劑 ET-3100產(chǎn)品，為暗綠色油狀表面活性劑類瀝青添加劑。其主要機(jī)理為：加入瀝青后形成大量結(jié)構(gòu)性水膜，達(dá)到潤(rùn)滑降黏降溫的目的。但是由于其產(chǎn)生的水膜結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸揮發(fā)，揮發(fā)完畢后，溫拌瀝青的黏度與未添加時(shí)相差不大。試驗(yàn)認(rèn)為其有效降黏時(shí)間為加入瀝青后的12 h內(nèi)，其主要技術(shù)指標(biāo)為：pH=9.1，密度0.97 g/cm3。試驗(yàn)摻量為：0.2%、0.5%和0.8%。

2.2 試驗(yàn)方法

將瀝青加熱至軟化點(diǎn)以上100 ℃，分次均勻投入溫拌劑，充分?jǐn)嚢柚翛]有氣泡產(chǎn)生，得到原樣瀝青(Original Binder)。在拌和中，溫拌劑A沒有明顯反應(yīng)，而溫拌劑B產(chǎn)生白色霧氣并伴有刺激性氣味。拌和完成后立即進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試，避免溫拌劑B產(chǎn)生的水膜結(jié)構(gòu)揮發(fā)對(duì)結(jié)果造成影響。黏度降低效果是評(píng)價(jià)溫拌劑降黏降溫效果的主要依據(jù)。

在135、175 ℃時(shí)分別測(cè)試溫拌瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度，并在黏度和溫度的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下連接兩點(diǎn)繪制直線即為普通坐標(biāo)系下瀝青的黏溫預(yù)測(cè)曲線，黏度0.31～0.28 Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度范圍即為瀝青的拌和溫度范圍，而黏度0.19～0.17 Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度范圍即為瀝青混合料壓實(shí)時(shí)所應(yīng)該保證的溫度范圍。

將原樣瀝青經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)和壓力老化(PAV)分別得到短期老化和長(zhǎng)期老化試樣?；诹髯儗W(xué)進(jìn)行PG分級(jí)測(cè)試：通過對(duì)原樣和短期老化的溫拌瀝青進(jìn)行高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，測(cè)定其車轍因子(G*/sinδ)分別為1.0 kPa和2.2 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度較低者作為高溫失效溫度以評(píng)價(jià)其高溫車轍性能；通過對(duì)長(zhǎng)期老化的溫拌瀝青進(jìn)行中溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，測(cè)定其疲勞因子(G*sinδ)為5 000 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度作為中溫失效溫度以評(píng)價(jià)其中溫疲勞性能；通過在兩個(gè)溫度下對(duì)長(zhǎng)期老化的溫拌瀝青進(jìn)行彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，測(cè)定其在恒定荷載作用下加載60 s時(shí)蠕變勁度(S)為300 MPa、變化率(m)為0.3時(shí)對(duì)應(yīng)溫度的較大值作為低溫失效溫度以評(píng)價(jià)其低溫開裂性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 布氏旋轉(zhuǎn)黏度結(jié)果與分析

表2為110#瀝青試樣分別摻添兩種溫拌劑，每種溫拌劑3個(gè)摻量水平，在兩個(gè)試驗(yàn)溫度(135、175 ℃)下的黏度測(cè)試結(jié)果。

表2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出：較未添加溫拌劑的瀝青而言，在135 ℃時(shí)，添加3%A的溫拌瀝青黏度下降幅度高達(dá)69.0%，添加0.8%B的溫拌瀝青黏度下降幅度為66.3%，而在175 ℃時(shí)，兩者黏度下降幅度分別為58.9%和54.6%。對(duì)比可見，在低溫區(qū)(135 ℃)兩種溫拌劑的降黏效果都比較顯著，而在高溫區(qū)(175 ℃)時(shí)，兩種溫拌劑的降黏效果都有小幅減弱。對(duì)兩種溫拌劑的降黏機(jī)理進(jìn)行分析：溫拌劑A熔點(diǎn)為115 ℃，其依靠自身熔化降黏，屬物理降黏溫拌劑，所以在與其熔點(diǎn)接近的135 ℃，溫拌劑A迅速熔化致使黏度下降比例較大。而溫拌劑B的主要成分為對(duì)羥基苯甲醇 (C7H8O2)，其與瀝青中含羧基(-COOH)的苯系芳香化合物發(fā)生酯化反應(yīng)，放出水分子形成結(jié)構(gòu)水膜，可在一定時(shí)間內(nèi)起到降低黏度的作用。但隨著時(shí)間的推移，在高溫作用下其結(jié)構(gòu)水膜易蒸發(fā)破壞，影響降黏效果。因此，在高溫區(qū)兩者的降黏效果都有小幅下降。

通過黏溫曲線可以計(jì)算得到溫拌瀝青試樣的拌和溫度和壓實(shí)溫度范圍，兩種溫拌瀝青試樣的施工溫度范圍中值隨摻量變化關(guān)系如圖1、2所示。

圖1 溫拌瀝青A拌和、壓實(shí)溫度隨摻量變化關(guān)系

圖1、2中摻添溫拌劑A和溫拌劑B的瀝青結(jié)合料拌和溫度與壓實(shí)溫度下降均十分明顯。添加3%A溫拌劑可以降低拌和溫度25 ℃左右；添加0.8%B溫拌劑可以降低拌和溫度22 ℃左右，且與摻添2%A溫拌劑的降溫效果相近。顯然，兩種溫拌劑都可以使110#瀝青達(dá)到在較低溫度正常施工的目的。

圖2 溫拌瀝青B拌和、壓實(shí)溫度隨摻量變化關(guān)系

3.2 高溫分級(jí)(HTPG)結(jié)果與分析

通過在64、70和76 ℃3個(gè)溫度水平上對(duì)原樣和RTFOT之后的各個(gè)瀝青進(jìn)行高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)得到短期老化前后高溫分級(jí)，結(jié)果見表3 (由于試驗(yàn)的高溫失效溫度幾乎全受原樣的1.0 MPa閾值控制，所以文中僅列出原樣瀝青的高溫測(cè)試數(shù)據(jù))。由表3可知：由溫拌劑A制備的瀝青試樣隨著溫拌劑摻量的增加其失效溫度不斷提高，高溫抗車轍性能得到明顯改善。添加3%A的溫拌瀝青較未摻配溫拌劑的試樣其連續(xù)PG分級(jí)上限上升了兩個(gè)等級(jí)，由PG 64-XX達(dá)到PG 76-XX，高溫失效溫度的上升幅度高達(dá)24.5%，且A的摻量(x)和溫拌瀝青對(duì)應(yīng)的失效溫度(y)之間的關(guān)系呈強(qiáng)線性關(guān)系(y=5.14x+58.65,R2=0.993 7)。而添加溫拌劑B的瀝青試樣失效溫度變化不大，摻量增大后，各試樣的失效溫度僅在純凈瀝青的失效溫度附近小幅波動(dòng)。

由表3可以看出：

(1) 在同溫度水平下進(jìn)行掃描時(shí)，隨著溫拌劑A摻量的增大，試樣的相位角逐漸變小，表明溫拌劑A的存在使得瀝青復(fù)數(shù)剪切模量中的彈性成分變大。故溫拌劑A可以在瀝青中形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到其熔點(diǎn)前起到增加瀝青結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抵抗永久變形、減小瀝青遲滯性的改性作用。

(2) 車轍因子隨溫度升高而下降，下降速率受到溫拌劑種類和摻量的共同影響。其中，摻加溫拌劑A的瀝青試樣的車轍因子均遠(yuǎn)大于摻加溫拌劑B的瀝青試樣，且隨摻量的增大，車轍因子不斷提高，說明其抗高溫變形的能力得到加強(qiáng)。

(3) 隨著A摻量的增大其車轍因子的感溫性也不斷增大。這是由于A摻量的增大，其瀝青膠漿中微晶蠟的含量逐漸增多，車轍因子對(duì)溫度變化更為敏感。而溫拌瀝青B的各個(gè)試樣的車轍因子變化幅度則相對(duì)接近。

表3 溫拌瀝青試樣高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果(平行試驗(yàn)n=2)

3.3 中溫分級(jí)(ITPG)結(jié)果與分析

中溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)在34、22、10 ℃3個(gè)溫度水平下完成，其結(jié)果見表4。純凈瀝青和添加1%和2%的A溫拌劑的瀝青試樣中溫分級(jí)雖然是同一等級(jí)，但是其對(duì)應(yīng)的失效溫度卻不斷上升；對(duì)比22 ℃水平下A溫拌瀝青系列的數(shù)據(jù)可以看出：1%、2%和純凈瀝青在該溫度的疲勞因子均<5 000 kPa，但是其隨摻量上升不斷上升，直至摻量為3%時(shí)，其疲勞因子>5 000 kPa，中溫連續(xù)分級(jí)也變化一級(jí)；溫拌劑A摻量(x)和中溫失效溫度(y)之間呈現(xiàn)較強(qiáng)(y=1.29x+17.4,R2=0.936 2) 的線性增長(zhǎng)關(guān)系。以上數(shù)據(jù)均說明溫拌劑A降低了瀝青結(jié)合料的中溫抗疲勞性能。而對(duì)于溫拌劑B來說，其3個(gè)摻量下瀝青試樣的疲勞因子均較純凈瀝青有所變大，但是其本身之間沒有明顯的變化規(guī)律，說明摻量不是改變溫拌瀝青B系列疲勞性能的主要因素，并且溫拌劑B的存在對(duì)于瀝青結(jié)合料的抗疲勞性能有輕微劣化作用。

表4 溫拌瀝青試樣中溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果(平行試驗(yàn)n=2)

由表4可知：疲勞因子隨溫度的降低而升高，上升速率受到溫拌劑種類和摻量的共同影響。其中，摻加溫拌劑A的瀝青試樣的疲勞因子均大于摻加溫拌劑B的瀝青試樣，可見溫拌劑A對(duì)于瀝青的疲勞性能的影響非常顯著。而溫拌瀝青B各摻量的變化趨勢(shì)相對(duì)集中，略高于純凈瀝青。

3.4 低溫分級(jí)(LTPG)結(jié)果與分析

彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是通過試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)采集較短時(shí)間間隔下(一般為0.5s)，溫拌瀝青簡(jiǎn)支小梁試件承受恒力P(mN)作用下的跨中位移δ(mm)隨加載時(shí)間t(s)的變化。代入式(1)后可以得到瀝青低溫蠕變勁度S(MPa)隨加載時(shí)間t(s)的變化關(guān)系曲線。

(1)

式中：L為小梁試件的跨度(mm)；b為試件的寬度(mm)；h為試件高度(mm)。

對(duì)蠕變勁度S和時(shí)間t分別取對(duì)數(shù)后進(jìn)行二次擬合，得到三參數(shù)的二次回歸擬合方程如式(2)所示：

logS(t)=a+blogt+c(logt)2

(2)

式中:a、b和c分別為參數(shù)。

將式(2)兩側(cè)對(duì)t求導(dǎo)后可以得到蠕變勁度變化率m隨時(shí)間t變化的關(guān)系曲線：

m=b+2clogt

(3)

在-12 ℃和-18 ℃下分別進(jìn)行各溫拌瀝青試樣的低溫流變測(cè)試。選取具有代表性的 -18 ℃下?lián)郊?%A、0.8%B溫拌劑的瀝青試樣的蠕變勁度曲線與純凈瀝青的蠕變勁度曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示；三者的蠕變勁度變化率曲線如圖4所示?？梢娬麄€(gè)加載過程中，添加3%A溫拌劑的瀝青試樣的蠕變勁度遠(yuǎn)大于另外兩者，其蠕變勁度變化率則小于另外兩者，說明溫拌瀝青A在低溫條件下對(duì)于變形的適應(yīng)能力變差，較之另外兩者，相同的收縮應(yīng)變引起的內(nèi)部應(yīng)力更大，更容易在低溫條件下開裂破壞。而添加0.8%B溫拌劑的瀝青試樣則恰恰相反，整個(gè)加載過程中其蠕變勁度略小于純凈瀝青，蠕變勁度的變化率則偏大，說明溫拌劑B的存在對(duì)瀝青的低溫性能有一定的改善作用，使其低溫柔性和低溫松弛性能得到提高，不易開裂。

圖3 -18 ℃下3種溫拌瀝青試樣的蠕變勁度變化曲線

圖4 -18 ℃下3種瀝青試樣的蠕變勁度變化率

從溫拌劑的構(gòu)成上進(jìn)行分析，以上現(xiàn)象是由于：溫拌劑A的微晶蠟成分在低溫條件下會(huì)使瀝青變硬變脆，故其在低溫環(huán)境下更容易開裂破壞，嚴(yán)重降低瀝青的低溫抗裂性能；而溫拌劑B是油狀溫拌劑，加入瀝青后提高了輕組分所占的比例，起到了軟化瀝青的作用，故結(jié)合料的低溫性能有所改善。

根據(jù)AASHTO R49-09規(guī)范，由瀝青試樣的低溫失效溫度可以得到其低溫分級(jí)，如表5所示。

表5 溫拌瀝青試樣低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果(平行試驗(yàn)n=3)

由表5可知：雖然所有添加溫拌劑A的瀝青試樣低溫分級(jí)均為PG XX-22，但其低溫失效溫度有一個(gè)明顯升高的趨勢(shì)，溫拌劑A摻量(x)增加和低溫失效溫度(y)升高之間呈現(xiàn)較強(qiáng)(y=0.68x-28.25,R2=0.928 5)的線性關(guān)系。摻配3%A溫拌劑的瀝青低溫失效溫度上升幅度超過7%，說明溫拌劑A的加入削弱了瀝青的低溫性能，且摻量越大削弱程度越嚴(yán)重；溫拌劑B各摻量水平下的失效溫度有小幅下降，但考慮測(cè)試誤差后，其下降幅度并不明顯，故可以認(rèn)為溫拌劑B對(duì)于低溫性能有一定提升，且摻量越大提升越大。這與之前在蠕變勁度和勁度變化率時(shí)所得到的討論結(jié)果相近。

4 結(jié)論

(1) 選取兩種典型的溫拌劑(有機(jī)降黏型為Sasobit?，表面活性型為External?ET-3100)，每種3個(gè)摻量水平，加入110#基質(zhì)瀝青制成改性瀝青。其中，Sasobit?通過自身熔化，其微晶顆粒在瀝青各組分分子間起潤(rùn)滑作用降黏，而ET-3100則是通過酯化反應(yīng)形成水膜降黏。通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)摻配2%的A型溫拌劑和0.8%的B型溫拌劑對(duì)于110#基質(zhì)瀝青的降溫效果相近，約為22 ℃。

(2) 通過PG分級(jí)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：對(duì)于溫拌劑A而言，其對(duì)瀝青的高溫抗車轍性能有明顯的提高。但與此同時(shí)，對(duì)于中溫抗疲勞性能和低溫抗開裂性能也有明顯的削弱，且這3種改變與溫拌劑A的摻量之間都存在不同程度的線性關(guān)系;而對(duì)于溫拌劑B，其對(duì)于瀝青的高溫性能沒有明顯影響，中溫性能稍有劣化，但是其對(duì)瀝青的低溫性能卻有一定的提高作用。至于兩種溫拌劑的改性機(jī)理，有望借助原子力顯微鏡等分析手段從微觀的角度做進(jìn)一步分析。

(3) 通過實(shí)例證明：基于流變學(xué)的PG分級(jí)測(cè)試方法可以較為全面地考察摻添溫拌劑后瀝青結(jié)合料在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的路用性能變化，為實(shí)際工程建設(shè)提供輔助參考，便于工程技術(shù)人員根據(jù)具體的工程類型、工程造價(jià)、施工地點(diǎn)等靈活地選擇最優(yōu)溫拌劑類型和最優(yōu)摻量。