新型温拌改性沥青的研发及其路用性能

贺 海，王朝辉，孙晓龙，王新岐，王晓华

（1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

温拌技术是指通过一定措施降低沥青的黏度，使沥青混合料能在相对较低的温度下实现拌和、摊铺与压实，而不影响其使用性能的技术［1］.它能够有效减缓传统热拌沥青混合料易造成沥青老化、能源消耗较大和有害气体排放过多的问题，在中国已取得越来越多的应用［2－3］.目前，除较常用的国外引进的Evotherm 和Sasobit外，部分国内学者和企业也进行了新型温拌剂开发研究，如张起森等［4］对海川公司自主研发的EC120进行了性能研究；王春等［5］对基于表面活性技术和有机添加剂方法的KSH 系列温拌沥青混合料进行了研究，发现其使用性能均可满足规范要求；袁滨等［6］研发了乳化型液体温拌剂ZL－1，ZL－2和膏状固体型温拌剂DS－2，并对温拌机理进行了研究.上述温拌剂对沥青混合料拌和温度的降低效果均较明显，但存在着对沥青低温性能有一定负面影响或价格较高等问题，严重限制了它们的推广应用及研究进展，导致中国温拌剂市场仍存在着自主知识产权较少、对国外技术产品和经验依赖较重的问题［7－9］.因此，开发一种或几种能够在中国广泛使用的性能较优、价格较低的温拌剂具有十分重要的意义.

本文针对自行研发的2种适用于温拌沥青改性技术要求的新型温拌剂，系统研究了其对SBS改性沥青针入度、软化点、延度这3大指标及耐老化性能的影响规律，以及对施工温度的降低幅度；确定了2种新型温拌改性沥青与集料的黏附性等级，并对新型温拌剂的微观作用机理进行研究，以便为中国温拌改性沥青技术的开发及应用提供一定的参考依据.

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

SBS改性沥青，其具体指标见表1.新型温拌剂：A型温拌剂是一种极性聚乙烯蜡，熔点约100℃，化学性质稳定，温度较高时可完全溶解于沥青，减少聚合物分子链之间的摩擦力，降低聚合物熔融体黏度，改进其流动性；B型温拌剂是一种三甲基氯化铵，白色结晶性粉末，易溶于异丙醇，震荡时会产生大量泡沫，与阳离子、非离子、两性表面活性剂有良好的配伍性，被广泛应用于沥青乳化、防水涂料乳化及乳液起泡剂等.

表1 SBS改性沥青的物理性能Table 1 Physical properties of SBS modified asphalt

1.2 新型温拌改性沥青制备方法

将SBS改性沥青加热到（170±5）℃，然后分别把称量好的A 型和B 型温拌剂缓慢加入其中；恒温下，先以1 000r／min的转速搅拌10min，再以4 000r／min的转速搅拌10min，最后在1 000r／min下缓慢搅拌10min，以排除高速搅拌时产生的气泡，制得A 型和B型2种新型温拌改性沥青.

1.3 试验方法

参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，分别对A 型和B 型温拌剂掺量（质量分数，下同）为0%（即普通SBS 改性沥青），0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和3.0%的 新型温拌改性沥青进行针入度、软化点和延度试验，以评价这2种温拌剂对沥青3大指标的影响；进行旋转薄膜加热试验，以评价这2种温拌剂对沥青老化性能的影响；采用“水煮法”进行黏附性能试验，以测定新型温拌改性沥青与粗集料的黏附性能；采用美国布洛克菲尔德旋转黏度仪，测试不同温拌剂掺量下改性沥青在115，130，145，160，175℃时的黏度.为研究新型温拌剂的作用机理，对改性沥青进行红外光谱（FTIR）试验及热重（TG）试验（温拌剂掺量均为2.0%），FTIR 试验分辨率0.2cm－1，扫描次数32次，测试范围4 000～400cm－1；TG 试验温度范围为室温～1 500℃，灵敏度0.1μg，升温速率10℃／min，测试范围取为常温～600℃，N2气氛.

2 试验结果与讨论

2.1 新型温拌改性沥青常规路用性能

A 型及B型温拌改性沥青3大指标试验结果见表2.

由表2可见：（1）掺加A 型或B 型温拌剂的改性沥青25℃针入度均远小于普通SBS 改性沥青，表明2种温拌剂的掺加使沥青抵抗变形能力增加.2种温拌改性沥青的针入度均随温拌剂掺量增加而不断减小，但减小速率有所差异：在较小掺量（0%～0.5%）下，二者随温拌剂掺量的增加均变化明显，减小速率较快；当掺量为0.5%～1.5%时，二者随温拌剂掺量的变化较小，即此时温拌剂掺量对沥青针入度影响较小；当掺量大于1.5%后，温拌剂对二者的影响再一次加大，即随温拌剂掺量增加其下降较快.（2）掺加A 型温拌剂的改性沥青软化点随温拌剂掺量增大而不断升高，表明A 型温拌剂可明显提高SBS改性沥青的高温性能；在温拌剂掺量较低情况下，B型温拌改性沥青的软化点与普通SBS改性沥青相差甚小，而当掺量高于1.0%后，其软化点随着温拌剂掺量的增加而不断增加；在掺量相同条件下，A 型温拌改性沥青的软化点高于B 型温拌改性沥青，表明在对沥青高温稳定性的改善上A 型温拌剂更具优势.（3）加入A 型温拌剂的改性沥青延度有所减小，而加入B型温拌剂的改性沥青延度均高于普通SBS改性沥青，且随B型温拌剂掺量的增加而不断增加.按照延度是对沥青低温性能的反映这一观点来看，A 型温拌剂对沥青的低温性能有一定负面影响，而B型温拌剂则可改善沥青的低温性能.

表2 2种温拌改性沥青基本性能试验结果Table 2 Performance test results of two warm－mix modified asphalts

2.2 新型温拌改性沥青耐老化性能

根据旋转薄膜加热试验结果计算沥青老化后的残留针入度比、软化点增量以及延度保留率（温拌剂掺量为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%），结果如表3所示.

表3 2种温拌改性沥青耐老化性能试验结果Table 3 Aging test results of two warm－mix modified asphalts

由表3可见：（1）在SBS改性沥青中加入A 型和B 型温拌剂后，其残留针入度比都明显增大，在掺量为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%时，2种温拌改性沥青的残留针入度比分别比SBS 改性沥青高出5.6%，6.4%，7.9%，9.6% 和24.6%，27.4%，28.5%，31.7%，表明掺入这2种温拌剂能增强沥青抵抗变形的能力，从而改善其抗老化性能.（2）随着温拌剂掺量增加，2种温拌改性沥青老化前后的软化点增量减小，且均小于普通SBS改性沥青的软化点增量，表明2种温拌剂会降低SBS改性沥青对老化的敏感程度，且温拌剂掺量越大，这种改善效果越明显.（3）2 种温拌改性沥青的延度保留率较普通SBS改性沥青明显提高，但均随着温拌剂掺量的增加而缓慢减小，当温拌剂掺量由0.5%变为2.0%时，2种温拌改性沥青延度保留率分别减小3.3%和3.2%，表明温拌剂掺量对沥青延度保留率影响较小.

2.3 新型温拌改性沥青黏附性能

为评价掺加温拌剂对沥青与矿料黏附性的影响，对2种温拌改性沥青与花岗岩的黏附性进行了测试.结果发现当温拌剂掺量为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%时，2种温拌改性沥青与粗集料的黏附性等级均为5级，表明A 型和B型温拌剂可以很好地融入到沥青中，且不影响SBS改性沥青与矿料的黏附性.

2.4 新型温拌改性沥青混合料拌和及压实温度的初步确定

目前，中国沥青混合料的施工温度主要根据黏温曲线确定，以沥青黏度为（0.17±0.02）Pa·s时的温度作为沥青混合料拌和温度范围，以沥青黏度为（0.28±0.03）Pa·s时的温度作为沥青混合料压实成型的温度范围.为确定2种温拌改性沥青混合料的拌和及压实温度，本文将测定的旋转黏度绘制成黏温曲线，如图1所示，并根据等黏温度原则确定了2 种温拌改性沥青混合料的施工温度，如表4所示（温拌剂掺量均为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%）.

图1 2种温拌改性沥青黏温关系曲线Fig.1 Viscosity－temperature curves of two warm－mix modified asphalts

表4 温拌改性沥青混合料施工温度Table 4 Construction temperatures of warm－mix modified asphalt mixtures ℃

由表4可知，A 型和B 型温拌剂均可明显降低沥青混合料的拌和及压实温度，且2种温拌剂均是在掺量为2.0%时具有最为明显的降低效果，此时它们可分别降低沥青混合料拌和温度27℃和25℃，压实温度32℃和29℃，表明采用2种温拌剂对沥青进行改性时，可明显降低沥青混合料的施工温度，达到低温拌和与摊铺的目的；1.5% 和2.0%掺量下的同种温拌改性沥青混合料施工温度差别不大，因此，综合考虑降温效果和经济性，2 种温拌剂均选用1.5%掺量较合适.

2.5 新型温拌改性沥青与其他温拌改性沥青性能对比

表5列出了2种新型温拌改性沥青及国内常用温拌改性沥青（温拌剂掺量均为3.0%）的3大指标对比结果.

表5 新型温拌改性沥青与其他温拌改性沥青3大指标对比Table 5 Comparison of three main indexes of new warm－mix modified asphalt with other warm－mix modified asphalt

由表5可见，在相同掺量下，2种新型温拌改性沥青的针入度均小于另外3种温拌改性沥青，而软化点则均大于这3种改性沥青，表明A 型和B型温拌剂更有利于提高沥青的抗变形能力和高温稳定性；2种新型温拌改性沥青的延度均大于Sasobit温拌改性沥青，表明它们具有更好的低温性能.因此，A 型和B型温拌剂不仅可达到低温施工的目的，在对沥青某些路用性能的影响上也具有优势.

3 微观机理研究

3.1 红外光谱（FTIR）测试

图2为2种新型温拌改性沥青（温拌剂掺量均为2.0%）与普通SBS改性沥青的FTIR 图谱.由图2可见，2种新型温拌改性沥青的主要特征峰基本没有出现大的位移，因此可以判断它们的红外光谱中没有大的吸热峰产生；在波数为800～1 000cm－1处出现了新的次要特征峰值，对于A 型温拌改性沥青而言主要是C—O—C对称伸缩吸收峰，对于B型温拌改性沥青而言主要是N—N 伸缩吸收峰和NH2摇摆吸收峰.表明2种温拌剂掺入沥青后出现了一些新的官能团，即2种温拌剂与沥青发生了化学反应.A 型温拌剂中的C—O—C极性基易被沥青胶质吸附，使得沥青聚集体结构比较松，所以沥青分子空间延伸度不大，黏度降低.B型温拌剂的氨基活性较大，其与沥青中的沥青胶质黏结性较好，导致沥青中连续相体积增加，从而降低了沥青黏度.2种温拌剂的加入使得沥青黏度下降，宏观上即表现为在相对较低的温度下沥青就有一定的流动性和较高的拌和性，从而达到温拌目的.

图2 3种改性沥青FTIR 对比图谱Fig.2 FTIR spectra of three modified asphalts

3.2 热重（TG）分析

热重试验在室温～600℃下进行，TG 及DTG曲线见图3.

图3 3种改性沥青的TG，DTG 曲线Fig.3 TG and DTG curves of three modified asphalts

由图3可见，在氮气环境下，2种温拌改性沥青（温拌剂掺量均为2.0%）和普通SBS改性沥青随着温度的升高呈现几乎相同的热重变化规律.唯一区别是2种温拌改性沥青只有1 个失热阶段（220～530℃）.表明温拌剂的添加减少了沥青的失重阶段及失重量级.这也说明在沥青中加入A 型和B 型温拌剂后，引起了沥青内部的化学成分变化，而不只是简单的物理混溶，从而使沥青中的相变更加平缓.在燃烧过程中，失重速率的变化阶段较少，热失重更加稳定，更有利于温拌沥青的高温稳定性.

4 结语

（1）掺入A 型和B型温拌剂均可明显提高沥青的抗变形能力和高温性能，且随掺量增加，这种改善效果不断提高；A 型温拌剂对沥青低温性能有一定负面影响，但仍符合相关规范要求，B 型温拌剂可改善沥青的低温性能.

（2）2种新型温拌剂均具有明显的降低沥青混合料施工温度的效果，在2.0%掺量下，A 型和B 型温拌剂可分别降低SBS改性沥青混合料拌和温度27℃和25℃，压实温度32℃和29℃.

（3）FTIR 试验和热重试验均表明，A 型和B 型温拌剂会与沥青发生化学反应，导致沥青黏度降低，使这2种温拌改性沥青混合料能在低温条件下施工，并且较普通SBS 改性沥青具有更好的温度稳定性.

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