不同增塑劑對Sasobit溫拌瀝青性能的影響

何兆益，蔣斌，譚洋偉，孔林，李家琪

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

溫拌瀝青技術能夠降低瀝青混合料在生產(chǎn)和施工過程中的能源消耗，減少有毒有害氣體排放，延長施工季節(jié)，并改善施工環(huán)境，是目前行業(yè)內的研究重點[1-2]。Sasobit作為世界上使用量最大的一種有機降黏溫拌劑，主要通過降低瀝青高溫黏度來降低瀝青混合料的拌和溫度，同時可以提升瀝青高溫性能和抗疲勞性能，但當其摻量>2%時，會顯著降低瀝青低溫性能，對路面的使用性能造成不利影響[2-4]。

增塑劑是一種常見的用于改善材料彈性和延展性的塑料助劑，添加到材料中能夠使大分子間間距增大，降低分子間的作用力，從而起到增塑效果[5-6]。本文選擇三款常見增塑劑分別對Sasobit溫拌瀝青進行二次改性，研究增塑劑對Sasobit溫拌瀝青降黏效果以及高低溫性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

東海70#瀝青(基質瀝青)、溫拌劑(Sasobit)、增塑劑鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)、檸檬酸三丁酯(TBC)、馬來酸二辛脂(DOM)均為工業(yè)品。

布洛克菲爾德黏度計；DHR-2動態(tài)剪切流變儀。

1.2 溫拌瀝青改性

將70#基質瀝青加熱到150 ℃左右，添加瀝青質量3%的Sasobit，在1 000 r/min的轉速下剪切 20 min，得到Sasobit溫拌瀝青。加入瀝青質量 2.5% 的增塑劑，在相同剪切速率下剪切20 min，得到增塑劑改性溫拌瀝青。為方便后續(xù)研究，將70#基質瀝青記為J，Sasobit溫拌瀝青記為SA，不同增塑劑改性溫拌瀝青記為SA+DOP、SA+TBC、SA+DOM。

1.3 性能測試

1.3.1 布氏黏度 通過布洛克菲爾德黏度計對不同瀝青制樣進行布氏黏度實驗，選用21號轉子，從120～165 ℃，每15 ℃測試1次黏度，每種瀝青做2次平行實驗，取其平均值作為測定值。

1.3.2 動態(tài)剪切流變實驗(DSR) 采用動態(tài)剪切流變儀對不同瀝青試樣進行DSR實驗，選用直徑為25 mm的金屬板，板間距1 mm，頻率10 rad/s，應變12%，實驗溫度46，52，58，64，70，76 ℃。

1.3.3 多應力蠕變恢復實驗(MSCR) 利用動態(tài)剪切流變儀的蠕變模式進行MSCR實驗，選擇 25 mm 直徑金屬板，溫度控制在64 ℃，板間隙為 1 mm，首先在0.1 kPa應力下以加載1 s卸載9 s為1個周期，循環(huán)10個周期后，切換3.2 kPa應力重復上述操作。整個過程采用同一個試件進行實驗。

1.3.4 測力延度實驗(FDT) 選用普通延度模具，測試溫度為10 ℃。實驗前先將試樣在10 ℃下保溫1.5 h，然后采用50 mm/min的速度進行拉伸，直到力為0，或試件被拉斷即停止，并記錄每個試樣的最大峰值力和最大延度值。

2 結果與討論

2.1 降溫效果評價

降低拌和溫度一直以來就是溫拌瀝青技術的主要目標之一，通過測定瀝青的高溫黏度，可以確定瀝青達到拌和黏度所需溫度，從而對不同瀝青的降溫效果進行比較。不同瀝青在不同溫度下的黏度見圖1，采用saal函數(shù)lglg(η)=A-Blg(273.13+T)對其進行擬合，其中T為溫度，η為T溫度下的黏度，A、B為常數(shù)，得到不同瀝青的黏溫方程與降溫效果，見表1。

圖1 不同瀝青黏溫曲線

表1 不同瀝青的黏溫方程以及降溫效果

由圖1可知，基質瀝青和改性瀝青的布氏黏度均隨著溫度的增加而降低，溫度>150 ℃時，瀝青黏度變化趨于平緩；添加3%Sasobit后，瀝青的黏度顯著降低，與基質瀝青相比，黏度平均下降30%以上；三種增塑劑均能夠降低Sasobit溫拌瀝青的黏度，其中SA+TBC黏度最低，但不同增塑劑改性溫拌瀝青之間的黏溫曲線相差并不明顯。我國規(guī)范要求，瀝青的拌和黏度需控制在0.15～0.19 Pa·s范圍內，將其代入黏溫方程，即可反算出瀝青的拌和溫度，由表1可知，基質瀝青的拌和溫度為157.5～164.2 ℃，Sasobit 溫拌瀝青較基質瀝青溫度降低約15 ℃，添加DOP、TBC和DOM后，降低溫度分別為約19，20，17 ℃，與Sasobit溫拌瀝青相比，降溫效果分別提升了26.7%，33.3%和13.3%，增塑劑TBC的降黏效果最佳。

2.2 高溫性能

2.2.1 DSR 在美國SHRP規(guī)范中，常采用DSR實驗的相位角(δ)和車轍因子(G*/sinδ)來評價瀝青結合料的高溫穩(wěn)定性。其中，相位角反映了瀝青彈性成分和黏性成分的比例，其值越大，瀝青中黏性成分所占比例就越大；車轍因子表征瀝青的抗變形能力，在同一溫度下，車轍因子(G*/sinδ)越大，瀝青的高溫穩(wěn)定性越好[7]。不同瀝青的DSR測試結果見圖2。

圖2 DSR測試結果

由圖2可知，隨著Sasobit的加入，基質瀝青的相位角明顯減小，說明Sasobit會改變?yōu)r青組分，使瀝青彈性成分增加；而三款增塑劑會使Sasobit溫拌瀝青的相位角增大，黏性成分增加。隨著溫度上升，不同瀝青的車轍因子均呈下降趨勢，溫度低于64 ℃時，車轍因子衰減速度較快，當溫度>64 ℃時，車轍因子變化趨于平緩。不同溫度下，Sasobit溫拌瀝青的車轍因子均接近基質瀝青的2倍，而三款增塑劑的添加，降低了Sasobit溫拌瀝青的車轍因子，說明三款增塑劑對其高溫性能有不利影響，其中，DOM/Sasobit復合改性瀝青的車轍因子變化最小，TBC/Sasobit復合改性瀝青的車轍因子下降最為明顯，其高溫流變性能與基質瀝青接近。值得注意的是，溫度低于52 ℃時，TBC/Sasobit復合改性瀝青的車轍因子小于基質瀝青，而當溫度>52 ℃時，其車轍因子反而大于基質瀝青，這是因為增塑劑主要通過增大分子間隙來削弱分子間的范德華力，從而使分子鏈易于移動，隨著溫度升高，分子間間距自然增大，增塑劑的改性效果削弱，對Sasobit的結晶作用影響減小，從而導致TBC/Sasobit復合改性瀝青的車轍因子大于基質瀝青。

2.2.2 MSCR 相關研究表明，軟化點、車轍因子等瀝青高溫指標無法準確評價改性瀝青的高溫性能，而MSCR實驗更能有效表征瀝青真實永久變形[8]。因此，本文對不同瀝青進行了MSCR實驗，得到瀝青的不可恢復蠕變柔量(Jnr)和不可恢復蠕變柔量相對差異(Jnr-diff)，其中Jnr反映瀝青的抗永久變形能力，在同一溫度、同一應力水平下，Jnr值越小，瀝青的抗車轍性能越好，而Jnr-diff表征瀝青對應力的敏感性，其值越大，對應力越敏感[9]。不同瀝青的Jnr和Jnr-diff見圖3和圖4。

瀝青種類

瀝青種類

由圖3可知，基質瀝青的不可恢復蠕變柔量遠大于改性瀝青，Jnr0.1按由大到小排序為基質瀝青>TBC/Sasobit改性瀝青>DOP/Sasobit改性瀝青>DOM/Sasobit改性瀝青>Sasobit溫拌瀝青，Jnr3.2排序同樣如此，說明0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下基質瀝青抗永久變形能力最差；Sasobit使基質瀝青的不可恢復蠕變柔量降低，高溫性能得到提升，而三款增塑劑對Sasobit溫拌瀝青高溫性能均有不利影響，其中TBC影響最大，DOM影響最??；摻入TBC后，Sasobit 溫拌瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2分別由0.48和0.788上升到1.082和1.842，增長了約2.3倍。對比圖4不同瀝青的Jnr-diff值可以發(fā)現(xiàn)，基質瀝青的Jnr-diff較小，僅為3.11%，添加Sasobit后，Jnr-diff值突增到64.17%，而不同增塑劑也會使Jnr-diff值上升，說明應力對基質瀝青高溫性能影響較小，而改性瀝青對應力表現(xiàn)得更為敏感。

DSR和MSCR實驗結果均表明，在64 ℃下，Sasobit 溫拌瀝青的高溫性能最好，而三款增塑劑雖然會降低Sasobit溫拌瀝青的高溫性能，但降低幅度有限，與基質瀝青相比，增塑劑/Sasobit復合改性瀝青仍具有良好的高溫性能。

2.3 低溫性能

近年來，低溫延度、低溫針入度和玻璃化轉變溫度等指標能否準確評價瀝青低溫性能受到質疑[9]。部分學者對測力延度實驗展開研究，發(fā)現(xiàn)其具有操作方便、制樣簡單等優(yōu)點，并且測試得到的拉伸柔度指標具有較大區(qū)分度，能夠較好地反映改性瀝青的低溫變形能力[10-11]。因此，本文采用拉伸柔度對不同瀝青的低溫性能進行評價。拉伸柔度(f)為最大延度與最大力之間的比值，f值越大，瀝青的低溫變形能力越好。不同瀝青的測力延度實驗結果見表2。

表2 測力延度實驗結果

由表2可知，Sasobit的加入，使瀝青的峰值力增大，最大延度值降低，拉伸柔度由2.31 mm/N下降到0.37 mm/N，降低了84%，低溫延展能力明顯減小，這是因為在低溫環(huán)境下，Sasobit會與瀝青本身存在的蠟分一起結晶析出，形成穩(wěn)定晶體結構，使瀝青變脆變硬[12]。三款增塑劑均能降低Sasobit溫拌瀝青的峰值力，增大最大延度，使其低溫性能得到改善，摻入2.5%DOP、TBC、DOM后，Sasobit拉伸柔度分別提升了4.9，4.3和1.2倍，DOP和TBC的提升幅度最大，其低溫性能接近基質瀝青，說明DOP和TBC均能極大彌補Sasobit導致的低溫性能下降。

3 結論

(1)增塑劑DOP、TBC和DOM均可使Sasobit溫拌瀝青的生產(chǎn)溫度進一步降低，DOP、TBC和DOM對Sasobit的降溫增幅分別為26.7%，33.3%和13.3%，TBC/Sasobit的組合降溫效果最好。

(2)三款增塑劑的添加會使Sasobit溫拌瀝青的車轍因子減小，不可恢復蠕變柔量增大，高溫性能變差，但其高溫性能仍優(yōu)于基質瀝青。

(3)Sasobit會明顯弱化瀝青的低溫性能，使在低溫環(huán)境下變脆變硬，但通過添加增塑劑可以削弱Sasobit的結晶作用，極大改善Sasobit溫拌瀝青的低溫性能。

(4)DOP對Sasobit溫拌瀝青的高溫性能影響較小，同時具有較大的降溫效果和低溫性能增幅，推薦采用DOP對Sasobit溫拌瀝青進行改善。