增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青及瀝青混合料高低溫性能影響

易璀琳

（洛陽(yáng)璟信公路工程科技發(fā)展有限公司，河南洛陽(yáng)471000）

瀝青路面是我國(guó)高速公路使用的主要結(jié)構(gòu)形式，其具有行車舒適性好、建養(yǎng)方便和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。隨著交通量的增加及氣候環(huán)境的日益惡劣，目前對(duì)瀝青路面的性能要求愈發(fā)提高，其中使用高品質(zhì)瀝青一直是提高瀝青路面性能的主要手段之一。我國(guó)一般通過(guò)使用瀝青改性方式提高其性能，如目前普遍采用的SBS、SBR、RUBBER 和PE 等聚合物改性瀝青，其對(duì)基質(zhì)瀝青某方面性能均有一定改善作用[1-5]，以及目前在研究的無(wú)機(jī)材料改性瀝青，如硅藻土及納米材料等[6-8]，也在提高瀝青性能方面取得了一定成果。但上述改性材料特性和分子結(jié)構(gòu)等與基質(zhì)瀝青存有明顯差別，使兩者相容性較差，造成制備的改性瀝青存在離析問(wèn)題，嚴(yán)重影響改性瀝青性能[9]。

為解決改性劑與基質(zhì)瀝青相容性不足問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出采用微觀結(jié)構(gòu)與基質(zhì)瀝青類似，硬度高、瀝青質(zhì)含量大的天然瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，研究已表明天然瀝青改性瀝青的高溫性能、抗老化性能和抗疲勞性能均較好，但低溫性能往往較差[10-12]。

為改善天然瀝青改性瀝青及其混合料低溫性能，借鑒增塑劑在改善塑料柔韌性應(yīng)用中取得的良好效果，本文采用增塑劑制備天然瀝青改性瀝青及瀝青混合料，對(duì)其高溫和低溫性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)，為天然瀝青改性瀝青研究提供一定參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青

選用殼牌70# 基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 殼牌70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of shell 70# base asphalt

（2）天然瀝青

選用特立尼達(dá)湖瀝青（TLA）和布敦巖瀝青（BRA）兩種天然瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，兩者主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 TLA 和BRA 天然瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of TLA and BRA natural asphalt

（3）增塑劑

采用廣州市銀環(huán)化工有限公司產(chǎn)鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）和廣東化工科技有限公司產(chǎn)偏苯三酸三辛酯（TOTM）兩種增塑劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，兩者主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 DBP 和TOTM 增塑劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indexes of DBP and TOTM plasticizers

（4）集料級(jí)配

粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得，級(jí)配類型為SMA-13，級(jí)配中各篩孔通過(guò)率見(jiàn)表4。

表4 集料級(jí)配Table 4 Aggregate grading

1.2 改性瀝青制備

將基質(zhì)瀝青和天然瀝青置于150℃烘箱中保溫直至融化，進(jìn)而稱取基質(zhì)瀝青和天然瀝青于搪瓷缸混合并加熱至175℃（天然瀝青為基質(zhì)瀝青量的25%），采用高速剪切機(jī)以1500r/min 速率攪拌120min 即可制得天然瀝青改性瀝青，再摻入增塑劑繼續(xù)攪拌30min 即可制得增塑劑改性天然瀝青改性瀝青。

2 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青高低溫性能影響

2.1 高溫性能

為研究增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青高溫性能的影響，分別制備DBP 和TOTM 摻量為0%、2%、4%和6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的TLA 和BRA 改性瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn)分析。試驗(yàn)可獲取表征瀝青抗變形能力大小的指標(biāo)復(fù)數(shù)模量G*和表征瀝青粘彈比例的指標(biāo)相位角δ，其中G* 越大瀝青抗變形能力越強(qiáng)，δ越大表征瀝青中粘性成分比例越大，高溫變形恢復(fù)能力越差。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，溫度64℃，頻率10rad/s。

（1）復(fù)數(shù)模量

不同增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青復(fù)數(shù)模量的影響結(jié)果如圖1 所示。

圖1 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青復(fù)數(shù)模量的影響Fig. 1 Effect of plasticizer on complex modulus of natural asphalt modified asphalt

由圖1 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青復(fù)數(shù)模量分別為3.92kPa 和3.26kPa，表明TLA 對(duì)瀝青高溫抗變形能力的改善作用優(yōu)于BRA，這是由于TLA 中瀝青質(zhì)含量較高的緣故；增塑劑會(huì)造成天然瀝青改性瀝青復(fù)數(shù)模量降低，且隨著摻量的提高降低幅度逐漸增大，表明摻入增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青高溫抗變形能力有不利影響。對(duì)TLA 改性瀝青，DBP 和TOTM摻量每增加1%，其平均復(fù)數(shù)模量分別下降0.28kPa 和0.12kPa，對(duì)BRA 改性瀝青則是分別下降0.19kPa 和0.07kPa，顯然兩種天然瀝青改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨DBP增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑劑對(duì)天然改性瀝青高溫抗變形能力的不利影響程度較TOTM 高。同時(shí)，TLA 改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨兩種增塑劑摻量增加而降低的速率高于BRA 改性瀝青，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青高溫抗變形能力造成的不利影響程度高于BRA 改性瀝青。

（2）相位角

不同增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青相位角的影響結(jié)果如圖2 所示。

圖2 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青相位角的影響Fig. 2 Effect of plasticizer on phase angle of natural asphalt modified asphalt

由圖2 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青相位角分別為83.32°和84.15°，表明TLA 改性瀝青中彈性成分比例高于BRA 改性瀝青，高溫下變形恢復(fù)能力更強(qiáng)；增塑劑會(huì)造成天然瀝青改性瀝青相位角增加，且隨摻量的提高增加幅度逐漸增大，表明摻入增塑劑會(huì)使瀝青中粘性成分比例增加，對(duì)天然瀝青改性瀝青高溫變形恢復(fù)能力有不利影響，這是由于增塑劑為油性材料，摻入瀝青后充當(dāng)油分的緣故。對(duì)TLA 改性瀝青，摻入6% DBP 和TOTM 后，其相位角分別增加0.79°和0.8°，對(duì)BRA 改性瀝青則是分別增加0.60°和0.63°，整體上DBP 和TOTM 對(duì)天然瀝青改性瀝青中的粘彈比例影響程度相當(dāng)，即兩種增塑劑對(duì)瀝青高溫變形恢復(fù)能力的不利影響程度基本一致，但兩種增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青粘彈比例的影響程度略高于BRA 改性瀝青，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青高溫變形恢復(fù)能力的不利影響程度高于BRA 改性瀝青。

2.2 低溫性能

為研究增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青低溫性能的影響，分別制備DBP 和TOTM 摻量為0%、2%、4% 和6% 的TLA 和BRA 改性瀝青進(jìn)行BBR 試驗(yàn)分析。試驗(yàn)可獲取表征瀝青低溫變形能力的指標(biāo)勁度模量S和表征瀝青低溫應(yīng)力松弛能力的指標(biāo)蠕變速率m，其中S越大瀝青低溫下變形能力越差，越容易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂，m越大表征瀝青低溫下應(yīng)力松弛能力越強(qiáng)，低溫抗裂性越好。取加載時(shí)間為60s 的結(jié)果為試驗(yàn)結(jié)果，溫度-12℃。

（1）勁度模量

不同增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青勁度模量的影響結(jié)果如圖3 所示。

圖3 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青勁度模量的影響Fig. 3 Effect of plasticizer on stiffness modulus of natural asphalt modified asphalt

由圖3 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青勁度模量分別為253MPa 和231MPa，表明TLA 改性瀝青低溫變形能力較BRA 改性瀝青低，更容易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂；摻入增塑劑可降低天然瀝青改性瀝青勁度模量，提高低溫變形能力，改善低溫抗裂性，且隨摻量的增加改善效果逐漸變好。對(duì)TLA 改性瀝青，DBP 和TOTM 摻量每增加1%，其平均勁度模量分別下降8MPa和6.2MPa，對(duì)BRA 改性瀝青則是分別下降11.3MPa 和8.0MPa，顯然兩種天然瀝青改性瀝青勁度模量隨DBP摻量增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑劑對(duì)天然改性瀝青低溫變形能力的改善效果較TOTM 更好。同時(shí)，將兩種增塑劑摻入TLA 改性瀝青時(shí)其勁度模量隨增塑劑摻量增加而降低的速率低于BRA 改性瀝青，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青低溫變形能力的改善效果優(yōu)于BRA 改性瀝青。

（2）蠕變速率

不同增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青蠕變速率的影響結(jié)果如圖4 所示。

圖4 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青蠕變速率的影響Fig. 4 Effect of plasticizer on creep rate of natural asphalt modified asphalt

由圖4 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青蠕變速率分別為0.302 和0.338，表明TLA 改性瀝青低溫應(yīng)力松弛能力較BRA 改性瀝青低，更容易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂；摻入增塑劑可提高天然瀝青改性瀝青蠕變速率，加快低溫應(yīng)力釋放速率，改善低溫抗裂性，且隨摻量的增加改善效果逐漸變好。對(duì)TLA 改性瀝青，摻入6%DBP 和TOTM 后，其蠕變速率分別增加0.07 和0.067，對(duì)BRA 改性瀝青則是分別增加0.05 和0.048，整體上DBP 和TOTM 對(duì)天然瀝青改性瀝青蠕變速率提高程度相當(dāng)，即兩種增塑劑對(duì)天然瀝青低溫應(yīng)力松弛能力改善效果基本一致，但兩種增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青蠕變速率的提高程度略高于BRA 改性瀝青，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青低溫應(yīng)力松弛能力的改善效果優(yōu)于BRA 改性瀝青。

3 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料高低溫性能影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

為研究增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，分別拌制DBP 和TOTM 摻量為0%、2%、4% 和6% 的TLA 和BRA 改性瀝青混合料，采用輪碾法成型300mm×300mm×50mm 試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，溫度60℃，輪壓0.7MPa，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響Fig. 5 Effect of plasticizer on high temperature stability of natural asphalt modified asphalt mixture

由圖5 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別為3921 次/mm 和3621 次/mm，表明TLA 改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于BRA瀝青混合料；隨著增塑劑摻量的增加，天然瀝青改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度呈明顯的線性降低趨勢(shì)，表明增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有不利影響。對(duì)TLA 改性瀝青混合料，DBP 和TOTM 摻量每增加1%，其動(dòng)穩(wěn)定度分別下降169 次/mm 和139 次/mm，對(duì)BRA 改性瀝青混合料則是分別下降67 次/mm 和49次/mm，顯然兩種天然瀝青改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨DBP 摻量增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑劑對(duì)天然改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的不利影響程度高于TOTM。同時(shí)，TLA 改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨兩種增塑劑摻量增加而降低的速率高于BRA 改性瀝青混合料，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的不利影響程度高于BRA 改性瀝青混合料。

基于各瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨增塑劑摻量變化規(guī)律和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)SMA 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不小于3000 次/mm 的要求，可推算出DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性瀝青混合料中增塑劑摻量應(yīng)分別不高于5.4%、6.6%、9.3% 和12.6%。

3.2 低溫抗裂性

為研究增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料低溫抗裂性的影響，分別拌制DBP 和TOTM 摻量為0%、2%、4% 和 6% 的 TLA 和 BRA 改 性 瀝 青混 合 料， 采用輪碾法成型300mm×300mm×50mm 試件，切割為250mm×30mm×35mm 小梁后進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，溫度-10℃，加載速率50mm/min，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 增塑劑對(duì)天然瀝青改性瀝青混合料低溫抗裂性的影響Fig. 6 Effect of plasticizer on low temperature crack resistance of natural asphalt modified asphalt mixture

由圖6 可知：未摻入增塑劑時(shí)，TLA 和BRA 改性瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變分別為2432με 和2735με，表明BRA 改性瀝青混合料低溫抗裂性優(yōu)于TLA 瀝青混合料；隨著增塑劑摻量的增加，天然瀝青改性瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變呈明顯的線性增加趨勢(shì)，表明增塑劑可有效改善天然瀝青改性瀝青混合料的低溫抗裂性。對(duì)TLA 改性瀝青混合料，DBP 和TOTM摻量每增加1%，其最大彎拉破壞應(yīng)變分別增加115με和102με，對(duì)BRA 改性瀝青混合料則是分別增加88με和77με，顯然兩種改性瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變隨DBP 摻量增加而增加的速率高于TOTM，表明DBP 增塑劑對(duì)天然改性瀝青混合料低溫抗裂性的改善效果優(yōu)于TOTM。同時(shí)，TLA 改性瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變隨兩種增塑劑摻量增加而增加的速率高于BRA 改性瀝青混合料，表明增塑劑對(duì)TLA 改性瀝青混合料低溫抗裂性的改善效果優(yōu)于BRA 改性瀝青混合料。

基于各瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變隨增塑劑摻量變化規(guī)律和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)SMA 瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變不小于3000με 的要求，可推算出 DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性瀝青混合料中增塑劑摻量應(yīng)分別不低于4.7%、5.6%、3.0%和3.6%。

4 結(jié)論

（1）摻入增塑劑會(huì)造成天然瀝青改性瀝青粘性成分比例增加，高溫抗變形能力降低，對(duì)應(yīng)混合料高溫穩(wěn)定性降低，但可提高其低溫變形和應(yīng)力松弛能力，對(duì)應(yīng)混合料低溫抗裂性隨之增加，且增塑劑摻量越高，上述效應(yīng)越明顯。

（2）DBP 對(duì)天然瀝青改性瀝青及瀝青混合料高溫性能的不利影響程度高于TOTM，但對(duì)其低溫性能的改善作用優(yōu)于TOTM；DBP 和TOTM 對(duì)TLA 改性瀝青高溫性能的不利影響程度高于BRA 改性瀝青，但對(duì)TLA改性瀝青低溫性能的改善作用更好。

（3） 綜 合 考 慮 高 溫 和 低 溫 性 能， 推 薦 的DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性瀝青中對(duì)應(yīng)增塑劑摻量分別為4.7%～5.4%、5.6%～6.6%、3.0%～9.3%和3.6%～12.6%。