三种沥青温拌剂降粘机理分析

黄绍龙，卞周宏，金帆，蔡晓娟，李远，杨明

(1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062； 2.武汉地产集团，湖北 武汉 430015)

三种沥青温拌剂降粘机理分析

黄绍龙1，卞周宏1，金帆1，蔡晓娟2，李远2，杨明2

(1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062； 2.武汉地产集团，湖北 武汉 430015)

使用SEM、XRD、TG、DTA、IR等测试手段，研究当前主要使用的3类沥青温拌剂的温拌作用机理：沸石类沥青温拌剂在一定的温度下会持续分解出水分，降低了沥青粘度；有机降粘类温拌剂在高于110 ℃的环境下液化，使得沥青的轻质组分增加，从而分散、润滑沥青中的胶质与沥青质；乳化类沥青温拌剂具有表面活性组分，能够使得沥青形成油包水乳液，从而降低沥青粘度.

温拌沥青；温拌剂；红外测试；降粘机理

0 引言

沥青混合料温拌技术最早由英国的Shell和挪威的Kolo-Veidekke公司共同研发，并于1966年就温拌沥青混合料的路用性能进行了相关性实验；1997年在德国召开的沥青学术论坛会议首次探讨了温拌沥青混合料[1].1997年12月，80余国签订了《京都议定书》以控制温室气体的排放，沥青混合料使用过程中大量的能源消耗及碳排放引起了各国和地区环保部门的关注[2-3].1999年，世界第一条温拌沥青混合料公路试验段建成，经过一年不同季节和高、低温环境下的观察与实验检测，表现出优异的路用性能[4-6].2000年，Harrion和Christodulaki等在第一届沥青路面国际会议上提出了温拌沥青；同年，第二届欧洲沥青国际会议使得温拌沥青混合料受到了广泛的宣传和关注，自此，沥青温拌混合料在世界范围内得到广泛的关注和重视[7-9].

为实现沥青温拌技术，国内外采取的常规做法是：在低于普通热拌沥青混合料的拌和温度下降低沥青粘度，从而可以在较低的温度下拌制沥青混合料.根据不同的降粘温拌机理，温拌剂可分为3大类：发泡降粘类温拌剂(沸石类)，有机降粘类温拌剂(有机类)，表面活性降粘类(乳化类)[10,11].目前，各类温拌剂一般采用沥青粘度试验以及混合料试验等宏观手段进行检测，并根据温拌剂材料本身的某些技术指标对其温拌机理进行推测分析.本文中基于各种微观测试手段，并结合当前采用的3种主流温拌体系来选择对应的代表温拌剂，以微观测试等手段来探讨当前主流温拌技术的降粘机理.

1 原材料选择及实验方法

1.1 原材料的选择 从国际主流使用的3类温拌剂(发泡降粘类温拌剂、有机降粘类温拌剂、表面活性类温拌剂)中各选择一种作为代表，以探究不同类型温拌剂对沥青的温拌作用机理：

1.2 试验方法 本实验采用X线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TG)等测试对温拌剂A的微观形貌、结构、释放水分的温度进行分析；采用红外光谱分析(IR)、差热分析(DTA)研究了温拌剂B的分子基团及其液化降粘温拌范围；采用IR对温拌剂C的分子基团及结构进行分析.

2 测试结果分析

2.1 温拌剂A测试结果及分析

2.1.1 温拌剂A的XRD、SEM分析 温拌剂A的SEM测试结果见图1，XRD测试结果见图2.SEM分析表明，温拌剂A为表面光滑、粒径较小且大小分布均匀的颗粒状，在热沥青中可以较好的分散开来，使得沥青粘度与温度分布平均，不发生团聚或离析现象而影响混合料压实.XRD分析表明：温拌剂A的化学成分为典型的A型沸石，其分子结构为硅氧四面体与铝氧四面体通过顶角连接构成的空间架状结构，并存在充填大量水分子且互相联系的空隙与空腔.将温拌剂A掺入热的沥青中后，在高温下其所含结晶水会缓慢而持续的释放出来，使得热沥青中含有水蒸气泡，从而降低沥青的粘度以实现温拌效果.

图1 温拌剂A的SEM结

图2 温拌剂A的XRD图

图3 温拌剂A 的TG分析结

2.2 温拌剂B测试结果及分析

2.2.1 温拌剂B的IR分析 在有机化合物中分子中某些化学键或分子基团具有高度特征性的红外吸收光谱，可以通过IR分析分子中的化学键和分子基团种类，并判断该物质的理化性质和种类[12].

已知温拌剂B是一种饱和碳氢脂肪化合物，为了更好地了解温拌剂B结构，本试验选取与其结构较为相似的两种市售聚乙烯蜡(分别记为PEA与PEB)进行IR测试，比对结果见图4.

IR分析测试结果为：2 917 cm-1、2 848 cm-1、1 463 cm-1、719 cm-1处代表亚甲基的特征峰，其中719 cm-1处说明亚甲基直链结构碳原子数大于4；1 378 cm-1为烷基的变形振动峰；1 722 cm-1处是羰基的伸缩振动峰.同时IR对比结果发现：PEA与PEB的IR图谱基本相同，温拌剂B与PEA和PEB的IR图谱非常相似，仅在1 722 cm-1处多出一个特征吸收峰.这说明温拌剂B与典型的PE蜡结构(PEA、PEB)非常相似，但是比PE蜡结构多了羰基官能团.

含有PE蜡的沥青低温性能差，尽管PE蜡在高温下可以液化，却不能作为沥青温拌剂使用.综合分析认为：温拌剂B在高温熔融状态下能够很好地溶解于高温液态沥青，并均匀分散从而降低沥青的粘度且对沥青的低温性能影响不大，其关键在于羰基的存在.

2.2.2 温拌剂B的DTA分析 温拌剂B只有完全熔融并溶解于高温液态沥青中才能发挥其温拌作用，本试验采用DTA测定温拌剂B的相变温度范围，据此判断温拌剂B使用时所需的最低温度，分析结果见图5.

图4 温拌剂B及PEA/PEB的IR分析比对结

图5 温拌剂B的DTA分析结

2.2.3 温拌剂B的降粘机理 我国将沥青分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质四组分，沥青的饱和分主要由纯链烷烃、纯环烷、混合链烷-环烷烃组成，常温下为无色液体，芳香份为混合链烷-环烷-芳香烃、芳香烃与含硫化合物组成，常温下为黄色至红色液体，这二者为沥青中的轻质组分，对沥青中的胶质与沥青质起到润滑作用，能降低沥青的粘度，增加流动性[13].胶质由(链烷-环烷-芳香烃)多结构与含S、O、N的化合物组成，常温下为棕色粘稠液体，具有非常强的极性；沥青质由(烷链-环烷-芳香烃)缩合环结构和含S、O、N的化合物组成，常温下为深棕色至黑色固体，同样也具有很强的极性[14].

温拌剂B中非极性的饱和碳链结构高温相变后增加了高温液态沥青的轻质组分，并与沥青原有轻质组分协同润滑、分散沥青中的胶质和沥青质，降低沥青的粘度；而温拌剂B中的极性羰基基团在沥青胶质和沥青质的分散过程中，与其充分的接触均匀混合，使得温拌剂B降温凝固后的产物呈空间网架结构均匀分散于沥青中，同时也增加沥青的结构强度，实现沥青混合料温拌的同时对沥青产生改性作用.

图6 温拌剂C的IR分析结

图7 温拌剂C的分子结构模

2.3 温拌剂C测试结果及分析 温拌剂C的IR吸收谱见图6.温拌剂C为表面活性剂的水溶液，IR谱图吸收峰分析可知：3 357 cm-1为水羟基特征峰；2 924、2 853、1 464cm-1为亚甲基特征峰，这说明溶液中含有烷烃碳链结构；1 601 cm-1为脂肪胺N—H面内的变形振动峰，1 125、1 060 cm-1为脂肪胺伸缩振动峰，表明其结构中具有胺端基.综合分析可知：温拌剂C具有烷烃碳链和胺基结构，烷烃碳链为非极性基团，具有非常好的亲油性，能很好地被沥青中的轻质组分相吸附，而胺基是极性基团，具有非常良好的亲水性，能很好地被沥青中的胶质、沥青质吸附，其分子结构模型如图7所示.

温拌剂C的水溶液中，分子会呈小团状分散于水中，极性的胺基指向外侧的水，非极性的烷烃碳链指向内侧并互相吸附成团，如图8所示.当温拌剂C水溶液加入到高温液态沥青中时，沥青的量远大于水溶液，溶液液滴成为小颗粒分散于沥青中，此时温拌剂C中的非极性烷烃碳链指向外侧与沥青中的轻质组分相吸附，而极性的胺基指向内侧包裹住小水滴形成油包水乳液，实现滚珠效果来降低沥青的粘度，从而实现温拌，其过程如图9所示.

图8 温拌剂C的水溶

图9 温拌剂C作用过

图10 温拌剂C在集料与沥青界面形成粘结界面示意

在沥青混合料拌制和压实过程中，随着集料的相互摩擦、挤压，极性胺基基团被比水分极性更大的集料表面所吸附，逐渐覆盖集料表面实现破乳；同时非极性的烷烃碳链继续吸附于沥青中的轻质组分，在集料-沥青界面形成一层粘结界面，见图10，从而增加集料与沥青的胶结性能，增加沥青的抗水剥离能力.

3 结论

2) 温拌剂B为一种含有羰基的碳氢脂肪族化合物，升温至96 ℃开始液化，在110 ℃时完全液化，饱和碳链的高温相变增加了沥青轻质组分的含量，使得沥青胶质和沥青质更好地被润湿和分散从而实现温拌，且羰基的存在使其能够与沥青中的胶质与沥青质具有非常好的相容性；固含后的空间网架结构也增强了沥青混合料的高温路用性能.

3) 温拌剂C为一种含有具有极性胺基和非极性烷烃碳链的表面活性组分，通过向沥青中引入微粒型油包水型乳液来降低沥青粘度从而实现温拌，且破乳后在集料与沥青间形成的胶结界面可以增加集料与沥青的胶结性能，提高了沥青的抗水剥蚀能力.

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(责任编辑 胡小洋)

Analysis of the viscosity reduction mechanismof three different asphalt warm- mixed additives

HUANG Shaolong1，BIAN Zhouhong1，JIN Fan1，CAI Xiaojuan2，LI Yuan2， YANG Ming2

(1. Faculty of Material Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062,China;2. WuHan Realestate Group Co., Wuhan 430015,China)

SEM,XRD,TG,DTA,IR measurements were taken to investigate the viscosity reduction mechanism of three different asphalt warm-mixed additives: Zeolites could release water at high temperature sustainably and reduce the viscosity of asphalt. Organics could transition to liquid when the temperature is higher than 110 ℃ and lubricate and disperse colloid and asphaltenes with light component increase. The surfactivity part in emulsifications could produce water-in-oil emulsions and decrease asphalt viscosity.

warm-mixed asphalt; warm-mixed additive; Irda Test; viscosity reduction mechanism

2016-11-11

武汉地产集团科技项目(温拌阻燃多功能沥青路面的开发与应用)资助

黄绍龙(1980-)，男，博士，副教授， E-mail：1040603151@qq.com

1000-2375(2017)05-0506-05

TQ522.65

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.013