基于配方设计的明色沥青低温力学特性

刘夕曦，徐鹏,2*

(1.长安大学，陕西 西安 710061；2.西安公路研究院)

明色沥青是彩色沥青的关键组成材料，近年来越来越多地被用于城市自行车道、景观道路。明色沥青多由树脂、溶剂油及改性剂制成。由于树脂掺量较大，低温较脆，易开裂，对明色沥青的低温性能影响明显。而现有规范采用延度指标作为明色沥青的低温性能控制指标，未能有效体现明色沥青低温条件下的应力、应变特性。通常明色沥青测得的延度较大，但在实际应用中路面冬季低温条件下易开裂，如何通过调整原材料配比来控制明色沥青的低温性能成为目前关注的重点。测试沥青低温力学性能的方法如BBR、直接拉伸试验等，受设备价格等方面限制，难以在生产和施工企业中大量应用。目前厂家及施工企业基本上都具备测力延度设备，其能反映沥青低温下的应力、应变特性，但未见用于明色沥青的相关研究成果。因此，该文通过测力延度试验，结合明色沥青的配方组成，评价沥青在低温下的应力应变特性，希望能为明色沥青的制备和应用提供借鉴和参考。

1 制备工艺及评价方法

1.1 制备工艺

称取一定质量的溶剂油，加热到指定温度；按比例加入石油树脂继续搅拌加热至熔融状态；待两者混合均匀后，加入增韧改性剂熔胀，逐渐升高温度至剪切温度；高速剪切分散均匀后，搅拌发育；制备得到明色沥青。

1.2 评价方法

(1)沥青常规性能指标试验

沥青常规性能指标试验，主要包括针入度、针入度指数、软化点、10 ℃延度、135 ℃运动黏度等，试验试件制备及测试按有关规范要求进行。

(2)测力延度

测力延度试验试模采用8字模，温度为10 ℃，拉伸速率为50 mm/min，试验试件制备及测试按有关规范要求进行。

(3)显微镜测试

由于明色沥青具有较好的透光性能，在显微镜普通的灯光下放大倍数为400倍，即可观察改性剂在沥青中的分布。

2 结果与讨论

2.1 树脂用量对明色沥青力学特性影响分析

采用内掺法，变换树脂在溶剂油中的用量，并外掺6%的改性剂，制备明色沥青。基于测力延度试验，结合沥青常规指标，分析树脂用量变化对明色沥青的力学特性指标影响，试验结果见表1、2及图1。

表1 不同树脂用量下10 ℃测力延度试验结果

表2 树脂用量变化对沥青性能影响结果

图1 不同树脂用量下10 ℃测力延度曲线

由表1、图1可知：随着树脂用量增加，最大拉应力Fmax逐渐增大，当用量为60%时，相比40%用量时增大5 325%，当用量为60%及以上时，拉应力未达到最大值时即发生断裂；沥青延度Lmax、拉伸柔量f随树脂用量增加先增加后降低，用量为70%时，f为0；屈服应变能E随树脂用量增加先增加后降低，用量为70%时相比40%增加7 495%，沥青拉伸需要更多的能量；基质沥青劲度模量Sa随树脂用量增加而逐渐增大，当树脂用量超过60%时，基质沥青劲度模量Sa迅速增加，相比40%增加7 284.62%；黏韧性面积W随树脂用量增加而先增大后减小，在50%树脂用量时达到最大值，相比40%时增加580.22%；在50%树脂用量时韧性比RT/V最小；继续增加树脂用量，已无韧性。

由表2可知：随着树脂用量的增加，明色沥青的针入度明显降低，最大降低到初始值的5%左右；运动黏度增大，相比40%时，最大提高115%；当量脆点温度升高，低温脆性增加；当量软化点T800、软化点及黏度等高温性能指标均逐渐提高，温度敏感性增大，最大达到初始值的703.95%。

由此可得：明色沥青的性能受树脂添加量的影响明显。溶剂油为芳烃低聚物，常温下为液态，流动性较好；而树脂常温下为固态，是芳烃和烯烃混合的低聚物，玻璃化转变温度高。两者具有较好的相容性。随着树脂掺量的增加，共混体系中刚性链增多，黏度增大，玻璃化转变温度提高，软化点增加，反映到沥青10 ℃测力延度指标上，表现出劲度增大、柔性降低的趋势。当树脂用量增加到50%左右时，具有最佳的黏韧性；继续增加树脂用量，体系中以树脂的刚性分子链为主，内聚力迅速提高，当树脂刚性分子链的内聚力超过改性剂中大分子链作用力时，在拉力作用下，共混体系直接断裂，表现出明显的脆性。

2.2 改性剂用量变化对明色沥青力学特性指标影响分析

选择在最佳树脂用量条件下，基于测力延度试验，结合常规性能指标，分析改性剂用量变化对明色沥青的力学性能影响，结果见表3、4及图2。

由表3、图2可知：随改性剂的加入，改善了树脂及溶剂油共混物的低温延展性能及柔性，最大拉应力Fmax略有降低，延度值Lmax及拉伸柔量f明显提高，相比未加改性剂，分别最大提高614.29%及687.23%；基质沥青劲度模量Sa明显降低，降幅接近40%；黏韧性明显改善，黏韧性面积最大为未加改性剂的1 430.60%；而随着改性剂用量的增加，延度值Lmax保持不变，但超过6%改性剂后，继续增加改性剂用量，测力延度各项指标提高幅度不大。

表3 不同改性剂用量下10℃测力延度试验结果

表4 改性剂用量变化对沥青性能影响结果

图2 不同改性剂用量下10 ℃测力延度曲线

由表4可知：随着改性剂用量增加，明色沥青硬度有所提高，针入度降低，最大降到未加改性剂的50%左右，软化点迅速升高，相比未加改性剂时，增加41.89%；黏度增大1 370.58%，高温性能变优；当改性剂用量为6%时，沥青的针入度指数PI接近零，塑性范围增大，感温性改善，当量脆点温度最低，综合高低温性能最优。

由此可得：改性剂大分子链低温下具有较好的韧性及延展性能，加入共混体系后，在共混物中起到了主导作用，改善了共混体系的柔性，使共混体系的延度明显提高，黏韧性能增强，黏弹性比明显降低。改性剂为6%用量条件下达到最佳，继续增加改性剂用量，受改性剂自身的力学特性影响，对明色沥青共混体系的性能改善不明显。

为进一步分析改性剂对明色沥青的改善机理，结合上述试验结果，采用显微镜分析改性剂、树脂及溶剂油多相体系混合状态，结果如图3所示。

图3 不同改性剂用量下共混物的显微镜照片

由图3可知：在400倍显微镜下未添加改性剂的树脂及溶剂油共混物分布均匀。改性剂为高聚物，加入3%改性剂后，在溶胀、剪切作用下，在树脂及溶剂油的共混体系中成纤维状均匀分散、交联的网状结构，起到了加筋的作用。而且随着改性剂用量的提高，网状分布更加明显和清晰。

2.3 低温测力延度指标与常规低温性能指标关系分析

为进一步分析明色沥青材料组成特性以及其对明色沥青低温性能的影响，对树脂用量及改性剂用量改变后，沥青测力延度指标和沥青常规指标的变化率见表5。

表5 材料用量改变明色沥青常规指标变化率 %

由表5可知：在给定用量范围内，树脂掺量较大，对明色沥青的性能影响程度相比改性剂大。树脂用量增加直接提高了明色沥青的硬度，降低了针入度，增大了明色沥青拉应力以及劲度，导致明色沥青延度降低，低温性能变差；改性剂的加入改善了树脂及溶剂油共混物的低温延展性能及柔性，虽然明色沥青的针入度有所降低，但改善了黏韧性，使延度值及拉伸柔量等指标改善明显，基质沥青劲度模量Sa明显降低。测力延度指标相比常规性能指标，更能直观地体现明色沥青在低温变形过程中的应力、应变特性。传统的延度指标反映了明色沥青变形能力，但在同样的延度下，沥青的内部应力、应变变化差异较大。因此，测力延度相比传统的以延度评价沥青低温性能的方法更具优势。如能通过测力延度的相关指标有效控制明色沥青配方的原材料用量，对改善明色沥青的低温性能具有一定指导意义。

树脂用量范围为40%～50%，聚烯烃改性剂用量范围为3%～6%，路用性能良好，符合CA50～CA90彩色沥青结合料相关技术要求。

3 结论

(1)树脂的加入增加了明色沥青的黏度和劲度。树脂用量由40%增加到60%时，最大拉应力Fmax增大5 325%，基质沥青劲度模量增大7 284.62%，在50%树脂用量时弹性比RT/V最小，继续增加树脂用量，韧性值为零。

(2)改性剂的加入改善了树脂及溶剂油共混物的低温延展性能及柔性。相比未加改性剂，最大拉应力Fmax略有降低，延度值Lmax及拉伸柔量f明显提高，分别最大提高614.29%及687.23%；基质沥青劲度模量Sa明显降低，降幅接近40%；黏韧性明显改善，黏韧性面积最大为未加改性剂的1 430.60%；而随着改性剂用量的增加，延度值Lmax保持不变，但超过6%后，继续增加改性剂用量，测力延度各项指标提高幅度不大。

(3)树脂用量范围为40%～50%，聚烯烃改性剂用量范围为3%～6%，明色沥青路用性能良好，符合CA50～CA90彩色沥青结合料相关技术要求。

(4)测力延度的相关指标更能直观地体现明色沥青在低温变形过程中的应力、应变特性，相比传统的以延度评价沥青低温性能的方法更具优势。