寒冷地區(qū)彩色瀝青的研制與影響因素分析

姚愛玲, 王敬濤, 楊 濤, 趙江勇, 位高峰

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000；2.中交機(jī)場勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510220；3.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

0 引言

彩色瀝青路面憑借其鮮明的色彩特征美化道路環(huán)境、引導(dǎo)視線、提醒警示、功能區(qū)分、環(huán)保等特點(diǎn)在國內(nèi)外都取得了關(guān)注、應(yīng)用與發(fā)展。20世紀(jì)50年代，歐美國家率先開始研究彩色瀝青混凝土路面[1-6]，60年代前蘇聯(lián)道路科學(xué)所和哈爾科夫公路學(xué)院研究了彩色路面的性能，并于莫斯科、哈爾科夫、巴庫等地先后鋪筑了數(shù)萬平方米的彩色瀝青路面，1979年還出版了專著《彩色路面的鋪筑技術(shù)》[7]。此外，日本、韓國、法國、波蘭、瑞典、英國等國家也先后鋪筑了彩色瀝青路面。1998年，國內(nèi)第一條彩色瀝青路面—福建省廈門市環(huán)島路建成，取得了極好的成果，并于21世紀(jì)初先后在四川成都、北京、武漢、西安、貴州等都成功鋪筑了彩色瀝青路面[8]。雖然彩色瀝青路面在國內(nèi)已得到了一定的應(yīng)用，然而針對彩色瀝青的研究并不具系統(tǒng)性，目前主要針對于發(fā)達(dá)地區(qū)和較發(fā)達(dá)地區(qū)彩色瀝青路面的研究與應(yīng)用，針對像呼倫貝爾這類欠發(fā)達(dá)且寒冷的地區(qū)，彩色瀝青與彩色瀝青混凝土路面的研究與應(yīng)用十分有限。根據(jù)《城市道路彩色瀝青混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，彩色瀝青是指由石油、化工產(chǎn)品等高分子材料加工制成，呈無色或淺色并可由顏料著色的膠結(jié)料的總稱[9]。本文為研究呼倫貝爾寒冷地區(qū)的彩色瀝青，從材料的組分選擇入手，首先總結(jié)出一套比較詳盡的彩色瀝青制備工藝，在此基礎(chǔ)上，研究各組分摻量對彩色瀝青性能的影響，調(diào)整不同配比制備出具備不同針入度標(biāo)號的彩色瀝青，然后結(jié)合寒冷地區(qū)氣候特征，根據(jù)針入度、10 ℃延度等指標(biāo)，最終確定了寒冷地區(qū)彩色瀝青混凝土路面所需的彩色瀝青方案配比。

1 彩色瀝青組分優(yōu)選

瀝青的化學(xué)成分組成十分復(fù)雜，目前我國常用的美國L·W·科貝爾特提出的4組分分析方法分析瀝青組分，該分析方法認(rèn)為，瀝青是由4種組分組成，分別為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香酚及飽和酚，因此可將瀝青視為一種以小分子量的芳香酚、飽和酚為溶劑，大分子量的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)為溶質(zhì)的一種膠體體系[10-12]。鑒于此，本文以小分子量的飽和烴A代替瀝青中的芳香酚、飽和酚作溶劑，以石油樹脂B、共聚物C、共聚物D組分代替瀝青中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)做溶質(zhì)；增塑劑E組分也為小分子可視為溶劑中的一種組分，用來調(diào)和各組分，從而模擬出與瀝青性質(zhì)相似的膠體體系即彩色瀝青?？紤]到寒冷地區(qū)彩色瀝青混凝土路面的特點(diǎn)以及低溫性能的要求，故該彩色瀝青應(yīng)首先具有合適的針入度即粘稠度，同時具有優(yōu)良低溫性能并兼顧其他性能。

彩色瀝青的研制原材料特性如下：①飽和烴A：無色無味透明液體，高粘度，低溫性能好，相容性好。②石油樹脂B：水白色無味粉末或顆粒狀，耐高溫、耐酸堿、耐老化。③共聚物C：白色或淺黃色顆粒狀，高粘度，拉伸性。④共聚物D：一種熱塑性樹脂，白色透明狀顆粒或粉末，耐寒，耐應(yīng)力開裂，耐老化。⑤增塑劑E：環(huán)氧類，淡黃色油狀液體，熱穩(wěn)定性與光穩(wěn)定性以及與樹脂的相容性好。

2 彩色瀝青制備工藝

目前，常見的彩色瀝青研制工藝有4種：遮蓋法、脫色法、共聚法和剪切法[13]。本文類比瀝青膠體體系，將飽和烴A與增塑劑E視為彩色瀝青中的“液相”成分，石油樹脂B、共聚物C與共聚物D視為彩色瀝青中的“固相”成分。反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彩色瀝青中“固相”成分與“液相”成分的比例在2∶1附近時，能夠研制出性能與普通石油瀝青性能相似的彩色瀝青。

彩色瀝青的制備工藝總結(jié)為加熱熔融、保溫剪切和恒溫發(fā)育3大步驟。本文生產(chǎn)過程中彩色瀝青的色彩變化見圖1,給出的彩色瀝青制備工藝流程見圖2。使用時可根據(jù)色彩的需要通過添加無機(jī)顏料調(diào)和成做需要的紅色、黃色和藍(lán)色等。

(a) 變化1

圖2 彩色瀝青制備工藝流程

3 彩色瀝青性能研究

3.1 固液比對彩色瀝青針入度的影響研究

將彩色瀝青的組分視為“固相”成分與“液相”成分，定義其比例為“固液比”，依據(jù)上述原材料與制備工藝生產(chǎn)彩色瀝青。原材料組分配比見表1，求得多組試驗(yàn)每個相同固液比下針入度的平均值，見表2，擬合為一次函數(shù)，見圖3。

圖3 固液比與彩色瀝青針入度的關(guān)系

表1 彩色瀝青原材料組分配比范圍Table 1 The range of component proportions of colored asphalt raw materials編號固液比(固相B+C+D與液相A+E的質(zhì)量比)組分配比(A、B、C、D、E的質(zhì)量比)針入度(100 g、 5 s、 25 ℃)/( 0.1 mm)70 ∶3020 ∶54 ∶12 ∶4 ∶1055170 ∶3020 ∶58 ∶9 ∶3 ∶105770 ∶3022 ∶62 ∶6 ∶2 ∶85868 ∶3222 ∶52 ∶12 ∶4 ∶1071268 ∶3222 ∶56 ∶9 ∶3 ∶107568 ∶3224 ∶60 ∶6 ∶2 ∶87665 ∶3525 ∶49 ∶12 ∶4 ∶1094365 ∶3525 ∶53 ∶9 ∶3 ∶109565 ∶3527 ∶57 ∶6 ∶2 ∶89962 ∶3828 ∶46 ∶12 ∶4 ∶10122462 ∶3828 ∶50 ∶9 ∶3 ∶1012462 ∶3830 ∶54 ∶6 ∶2 ∶812860 ∶4030 ∶44 ∶12 ∶4 ∶10139560 ∶4030 ∶48 ∶9 ∶3 ∶1014160 ∶4032 ∶52 ∶6 ∶2 ∶8146

由擬合圖像可知，其擬合的一次函數(shù)關(guān)系式是Y=-101.568 46X+290.764 39，R2=0.988 7，表明此一次函數(shù)具有良好的擬合程度。依據(jù)此擬合函數(shù)，可推斷出固液比在1.5～2.33范圍內(nèi)研制的彩色瀝青的25 ℃的針入度大小，也可通過調(diào)整固液比得到任意想要的標(biāo)號的彩色瀝青(彩色瀝青針入度范圍在50～150之內(nèi))。為了研制出研究所需的90號彩色瀝青，選擇了研制彩色瀝青原材料的固液比為66 ∶34。

表2 不同固液比研制的彩色瀝青的針入度平均值Table 2 The average penetration of colored asphalts devel-oped with different solid-liquid ratios固液比針入度均值(25 ℃)/( 0.1 mm)70∶305768∶327465∶359662∶3812560∶40142

3.2 液相體系中飽和烴A、增塑劑E的摻量對彩色瀝青性能影響研究

固定彩色瀝青原材料的固液比為66 ∶34，其中，石油樹脂B的摻量為54%，共聚物CD摻量為12%(共聚物C、共聚物D統(tǒng)稱為共聚物CD，其復(fù)配摻量比為3 ∶1)，變換原材料“液體”中飽和烴A與增塑劑E的配比，研究飽和烴A與增塑劑E的配比的變化對彩色瀝青性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

a.由表3可知，本研究研制彩色瀝青的10 ℃的延度均超過了100 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范中不小于45 cm的要求，這說明，本研究研制的彩色瀝青具有優(yōu)良的低溫性能。

b.由表3可知，隨著飽和烴A摻量的增加(增塑劑E摻量的減少，下同)，彩色瀝青的針入度變化較小，這說明，飽和烴A與增塑劑E的摻量比變化對彩色瀝青的針入度影響很小，也印證了彩色瀝青的針入度主要是由固液比決定的。

c.從延度與當(dāng)量脆點(diǎn)看，本文研制的彩色瀝青具有優(yōu)良的低溫性能，飽和烴A與增塑劑E的摻量變化對彩色瀝青的粘度、高溫性能、溫度敏感性、當(dāng)量軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)影響較小。

表3 飽和烴A與增塑劑E的摻量比對彩色瀝青性能的影響Table 3 The effect of the content ratio of saturated hydrocarbon A and plasticizer E on the properties of colored asphalt比例25 ℃針入度/(0.1 mm)10 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃粘度/(MPa·s)針入度指數(shù)PI當(dāng)量軟化點(diǎn)T800當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2 24 ∶1088.8≥10059.59850.4250.5-24.626 ∶886.7≥10059.41 0250.4150.4-24.628 ∶689.7≥10058.51 0750.3950.3-24.530 ∶489.3≥10058.91 1050.3650.1-24.4 注: 表中比例一律為飽和烴A與增塑劑E的摻量比。

3.3 固相體系中石油樹脂B、共聚物CD摻量對彩色瀝青針入度的影響研究

固定彩色瀝青組分的固液比為66∶34(其中，飽和烴A的摻量為26%，增塑劑E摻量為8%)，通過變換“固體”中石油樹脂B、共聚物CD摻量比，研究石油樹脂B、共聚物CD摻量的變化對彩色瀝青性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

以石油樹脂B摻量為橫坐標(biāo)，分別以彩色瀝青的25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、135 ℃粘度、針入度指數(shù)PI當(dāng)量軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)為縱坐標(biāo)，繪制折線圖，試驗(yàn)結(jié)果分析如圖4所示。

表4 石油樹脂B與共聚物CD摻量比對彩色瀝青性能的影響Table 4 The effect of the content ratio of petroleum resin B and copolymer CD on the properties of colored asphalt比例25 ℃針入度/(0.1 mm)10 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃粘度/(MPa·s)針入度指數(shù)PI當(dāng)量軟化點(diǎn)T800當(dāng)量脆點(diǎn)T1.246 ∶2084.3≥10065.62 1500.7754.5-24.650 ∶1687.1≥10061.91 7200.5552.8-23.854 ∶1290.8≥10058.51 0750.3951.6-23.258 ∶894.6≥10055.62820.2850.7-22.9 注: 表中比例一律為石油樹脂B與共聚物CD的摻量比。

圖4 石油樹脂B與共聚物CD摻量對彩色瀝青性能影響

a.隨著石油樹脂B摻量的增加(共聚物CD摻量的減少，下同)，彩色瀝青的針入度逐漸增大，但仍然處于80～100的區(qū)間內(nèi)，這說明，石油樹脂B摻量的增加對彩色瀝青的針入度影響有限，這也印證了彩色瀝青的針入度主要是由固液比決定的。

b.從延度與當(dāng)量脆點(diǎn)看，本文研制的彩色瀝青具有優(yōu)良的低溫性能，石油樹脂B和共聚物CD摻量的變化對彩色瀝青針入度、當(dāng)量脆點(diǎn)影響較小，而對彩色瀝青的粘度、當(dāng)量軟化點(diǎn)和溫度敏感性影響顯著。

3.4 基于寒冷地區(qū)特征的彩色瀝青組分配比選擇

基于本節(jié)的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)結(jié)果分析可知，彩色瀝青材料組分配比中的“固液比”直接決定了彩色瀝青的針入度，當(dāng)“固液比”為66∶34時，彩色瀝青的針入度在80～100范圍內(nèi)，滿足寒冷地區(qū)的瀝青標(biāo)號的需求；液相中飽和烴A與增塑劑E的摻量變化對彩色瀝青的粘度、高溫性能、溫度敏感性影響較小；固相中石油樹脂B和共聚物CD摻量的變化對彩色瀝青針入度影響較小，而對彩色瀝青的高溫性能、粘度和溫度敏感性影響顯著；研制的彩色瀝青具有優(yōu)良的低溫性能。結(jié)合彩色瀝青在寒冷地區(qū)的適用性，優(yōu)先考慮彩色瀝青的低溫性能指標(biāo)，與此同時，保證彩色瀝青的高溫性能滿足規(guī)范要求，兼顧彩色瀝青的施工和易性、溫度敏感性和其彩色瀝青研制成本控制，最終選擇了寒冷地區(qū)彩色瀝青混凝土路面用彩色瀝青組分配比如下：飽和烴A為26%，石油樹脂B為54%，共聚物C為9%，共聚物D為3%，增塑劑E為8%。其彩色瀝青性能指標(biāo)如下：25 ℃針入度90.8(0.1 mm)，10 ℃延度≥100 cm，軟化點(diǎn)58.5 ℃，135 ℃粘度1 075(mPa·s)，針入度指數(shù)PI為0.39，當(dāng)量軟化點(diǎn)T800為51.6，當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2為-23.2。

4 主要結(jié)論

本文介紹了研制彩色瀝青的原材料，總結(jié)出彩色瀝青研制流程，研究了彩色瀝青原材料組分摻量對彩色瀝青性能的影響，調(diào)配出具備不同針入度標(biāo)號的彩色瀝青，并基于寒冷地區(qū)特征與彩色瀝青性能，確定了彩色瀝青混凝土路面所用彩色瀝青的組分配比，由此得到了以下結(jié)論：

a.考慮試驗(yàn)需求、材料性能和成本，本文選擇了飽和烴A、石油樹脂B、共聚物C、共聚物D、增塑劑E作為制備彩色瀝青的原材料，其中，共聚物C、共聚物D、增塑劑E均有利于改善彩色瀝青的低溫性能。

b.多次的室內(nèi)試驗(yàn)摸索后，總結(jié)出了一套詳盡的彩色瀝青研制流程，其主要流程分為加熱熔融、保溫剪切和恒溫發(fā)育3個步驟。

c.研究了彩色瀝青各組分摻量對彩色瀝青性能的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固液比直接決定著彩色瀝青的針入度，可根據(jù)文中的試驗(yàn)結(jié)果并依據(jù)氣候來選擇不同針入度需求的彩色瀝青。

d.固相中飽和烴A與增塑劑E的摻量變化對彩色瀝青的粘度、高溫性能、溫度敏感性影響較小，液相中石油樹脂B和共聚物CD摻量的變化對彩色瀝青針入度和當(dāng)量脆點(diǎn)影響較小，而對彩色瀝青的高溫性能、粘度、當(dāng)量軟化點(diǎn)和溫度敏感性影響顯著增加共聚物CD的摻量，能夠顯著改善彩色瀝青的低溫、高溫性能和溫度敏感性。

e.考慮寒冷地區(qū)特征，彩色瀝青的高低溫性能、溫度敏感性等，以及瀝青成本控制，最終確定了彩色瀝青混凝土路面所用彩色瀝青的原材料組分飽和烴A、石油樹脂B、共聚物C、共聚物D、增塑劑E配比為26∶54∶9∶3∶8。