高粘度沥青改性剂SPSC的研制及其性能研究

2019-04-12刘永伟张楠楠彭仕军杨光勋

山西建筑 2019年5期

刘永伟张楠楠彭仕军刘华杨光勋

(四川知行路桥股份有限公司，四川成都 610097)

排水性沥青路面是20世纪70年代以来在发达国家发展起来的一种多孔性骨架空隙的沥青路面结构，其主要特征是空隙率较高，一般为15%～25%，能将路面的积水通过其结构内部连通空隙及时排出，保证路面在雨天仍然具有良好的抗滑性能，起到一定的降噪作用，有效提高行车安全性和舒适性，有效缓解城市内涝及热岛效应，并具有良好的环保效益[1-3]。随着我国高速公路和海绵城市建设的迅猛发展，排水性沥青路面得到越来越广泛地应用。排水性沥青路面要求使用的沥青结合料不仅要对集料有高强的粘附性和耐久的包裹力，同时还要具有较强的抗剥离性、抗老化性等各种高性能，普通的改性沥青性能很难满足要求，因此需要使用一种特殊的产品：高粘度改性沥青。目前，国外已有开发应用较为成熟的高粘沥青改性剂，但价格昂贵，普适性不强，与此同时，国内部分科研单位开发的高粘沥青改性剂质量参差不齐[4-8]。本文在本项目现有的基础上改进配方，主要针对工作性能和成本方面通过试验方法进行改进，研发出一种具有良好的施工和易性、超高的绝对粘度、稳定性优异的高粘度沥青改性剂SPSC。

1 SPSC的配方设计

SPSC根据目前业内广泛采用的技术标准进行研发[9-12]。为了使高粘度沥青改性剂的改性效果达到现有技术水平，并且在海绵城市排水沥青路面中具有更优良的效果，满足海绵城市道路建设的多层次需求及复杂的交通和路面施工情况，基于以上目标本文研发了SPSC高粘度沥青改性剂，其技术标准如表1所示。

表1 高粘度改性沥青各项技术要求

SPSC高粘度沥青改性剂主要成分包括：

1)热塑性橡胶：采用市场上较成熟的道改SBS改性剂作为主成分，其是目前研究和实际应用最多的改性剂品牌，粗略计算目前SBS改性沥青占全球沥青需求量60%以上。应用广泛主要是因为SBS三嵌段共聚物的特性，从而使改性后的沥青具有优良性能：高温稳定性能、良好拉伸性能、弹性、内聚附着性能、混合料的高稳定性、耐老化性等。

2)增粘剂：60 ℃动力粘度是高粘改性沥青的主要指标，目的要达到500 000 Pa·s以上。增粘剂的作用正是增加动力粘度，动力粘度的提高可以带来沥青混合料水稳定性及强度的提高。本文采用石油树脂以及双基共聚物作为增粘剂成分。

3)增塑剂：增塑剂的加入能促进橡胶塑化成型，增加热塑性橡胶与沥青的相容性，以及改善热熔粘度、热拌和性，同时还能降低拌和温度，凸显节能降耗的环保功能。橡胶加工油为本文所使用的增塑剂成分。

热塑性橡胶、增粘剂、增塑剂为SPSC的主要成分，根据设计比例首先进行混合，高速混合搅拌机将三者的混合物充分搅拌，经过双螺杆挤出机组，最终得到淡黄色小颗粒状物的改性剂，即为高粘度沥青改性剂(SPSC)。

2 SPSC高粘度改性沥青的性能研究

本文选用的基础沥青为某品牌改性沥青(PG76-22)，试验研究改性剂不同掺量时针入度、延度、软化点、动力粘度等性能指标变化，从而得到改性剂掺量水平对高粘度改性沥青性能的影响规律。

2.1 高粘度改性沥青制备及性能试验方法

制备方法：将中海牌改性沥青(PG76-22)匀速升温至175 ℃～185 ℃之间，按照比例分别加入不同掺量的高粘度改性剂(SPSC)，用高速剪切机以5 000 r/min的转速进行剪切分散30 min，然后放入烘箱(180 ℃)进行恒温发育1 h即可。

试验依据：国家交通行业标准JTJ 052—2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程。

2.2 SPSC掺量对沥青针入度的影响

针入度是描述沥青感温性能最常用的指标，针入度越低则沥青的感温性越低[7,13]。由图1可知，高粘度改性沥青的针入度随SPSC改性剂的掺量变化成线性变化，随着SPSC含量增加而逐渐减小，表明改性剂的加入提高了改性沥青高温稳定性。根据曲线拟合出此种情况下的线性方程式(1)。

y=-2.466 7x+69.333

(1)

根据式(1)计算当SPSC掺量在12%以下时，沥青样本的针入度将大于40。根据表1给出的高粘度改性沥青技术标准，SPSC含量宜低于12%。

2.3 SPSC掺量对沥青低温延度的影响

沥青的延度是规定形状的试样在规定温度下，以一定速度受拉伸到断开时的长度，用来反映沥青的塑性，即沥青在外力作用下发生变形而不破坏的能力。沥青的延度与其胶体结构和流变性质密切相关，进而影响其低温抗裂性和耐久性[14，15]。文中试验温度为5 ℃，可以表征沥青低温的延伸性能。由图2可得，试验沥青样本的5 ℃延度在SPSC改性剂的含量增加情况下而逐渐增大，而且呈线性增加，可以得出改性剂能显著增加沥青的低温延伸性能的结论，拟合线性方程如式(2)。

y=1.904 8x+30.714

(2)

根据式(2)，当添加剂为3%时，延度达到35，已经满足高粘度改性沥青的特征标准。

2.4 SPSC掺量对沥青软化点的影响

沥青从粘塑状态变化为粘流状态时会有一个临界温度，此温度被称为软化点，它本质上体现的是沥青的粘度。沥青的敏感度常可用软化点的高低来评价，通常认为，软化点高，则沥青的等粘温度也高，也就是高温稳定性好[16-18]。据图3分析可得，试验沥青样本的软化点在SPSC改性剂的含量增加情况下不断增加，证明该改性剂对沥青软化点的提高效果显著，由此说明改性后的样本沥青具有优秀的高温性能。软化点与SPSC改性剂掺量成线性相关，可以拟合出公式。

y=3.819x+78.524

(3)

根据式(3)计算可得，当SPSC改性剂的掺量大于3%时，改性沥青的软化点大于90 ℃，满足高粘度改性沥青的特征标准。

2.5 SPSC掺量对沥青动力粘度的影响

研究表明60 ℃粘度适宜作为表征沥青的抗变形性能以及粘结性能关键评价指标[19，20]。沥青材料的60 ℃绝对粘度和软化点指标与混合料的动稳定度显著相关，可以有效地表征沥青混合料的高温抗车辙性能。沥青材料的60 ℃绝对粘度、软化点与混合料的飞散损失显著相关，可以有效地反映沥青混合料的耐久性。当沥青材料的60 ℃绝对粘度和软化点提高时，可以有效地提高OGFC混合料的抗车辙性能、空隙率保持度和耐久性。

由图4分析可得，试验样本沥青的60 ℃动力粘度在SPSC改性剂的含量水平增加情况下迅速增大，可说明经SPSC改性后的样本沥青高温稳定性较好，而且强度较高，产生永久变形概率较小，变化大致属于线性增加，拟合经验公式为：

y=126 933x-349 200

(4)