基于Deurex的温拌SBS改性沥青性能研究

2019-06-09孙小男刘进选宋小金

中外公路 2019年6期

孙小男，刘进选，宋小金

(1.山东省交通科学研究院，山东济南 250102；2.中建八局第一建设有限公司；3.湖南中大建设工程检测技术有限公司)

传统热拌沥青需要较高的拌和及摊铺温度，会给环境和施工人员带来一定的不良影响。此外，高的拌和温度也会消耗更多的能源。因此，沥青混合料温拌技术作为一种节能环保技术备受青睐。目前，实现对沥青的温拌主要有3种途径：发泡降黏、乳化沥青降黏以及有机添加剂降黏。其中，发泡降黏沥青对生产设备的要求较高，且产品质量难以控制。而采用乳化沥青降黏技术生产的温拌沥青，一般酸性较强，沥青与集料的黏附力较弱，从而导致沥青混合料的水稳定性很差。因此，有机添加剂降黏技术是目前应用比较广泛的温拌技术。

温拌沥青的性能与温拌剂密切相关。常见的温拌剂有Sasoflex、EC120和Sasobit等。其中，Sasobit应用和研究比较多。李中秋通过试验验证了Sasobit可以显著降低沥青路面的施工温度；吴耀东认为Sasobit在降低了沥青黏度的同时，改善了沥青的高温性能，而低温性能略有降低；张争奇对多种温拌沥青进行对比试验，发现Sasobit可以提高SBS改性沥青混合料的高温稳定性和水稳定性。从已有的研究可以发现：Sasobit降黏效果显著，同时在一定程度上改善了沥青的高温性能，但其对沥青的低温性能有较大的负面影响。近年来，Deurex作为一种新材料，相关研究发现，其对沥青同样具有良好的降黏效果，且掺入沥青后，沥青的低温性能明显优于Sasobit的添加。此外，相对于聚烯烃类温拌剂Sasobit，通过生物技术生产的Deurex更具环保优势。因此，研究Deurex温拌沥青性能具有非常重要的意义。目前对Deurex温拌沥青性能研究相对甚少，主要集中在基质沥青方面。因此，该文选用Deurex为温拌剂，研究不同比例的Deurex掺量对SBS改性沥青性能的影响规律，并和Sasobit温拌SBS改性沥青性能进行对比。

1 试验部分

1.1 原材料

所用改性沥青为茂名产SBS改性沥青，其基本性能见表1。

试验采用深圳某公司生产的Sasobit以及德国Deurex微化蜡公司生产的Deurex作为沥青温拌剂。Sasobit常温下为白色或淡黄色的半透明固体颗粒，熔点为105 ℃，25 ℃时其密度为0.96 g/cm3，是一种聚烯烃类改性剂。Deurex主要是从植物中提取，化学成分主要为植物蜡和游离蜡，呈橄榄绿色，片状颗粒。23 ℃时密度为1.02 g/cm3，熔点为125 ℃。

1.2 制备温拌SBS改性沥青

试验时，每组取400 gSBS改性沥青置于称量筒内，在165 ℃的油浴中进行预热。加热至熔融状态后，取定量的温拌剂缓缓加入称量筒，加热温度调整并保持在(155±5) ℃，高速剪切仪设定在3 000 r/min，高速剪切40 min。剪切结束后，保持原有温度，静置10 min。试验采用两种温拌剂，取不同掺量(2%～4%，外掺)，分别制备3组温拌沥青试样，并保留一组SBS改性沥青空白对照组。

表1 SBS改性沥青基本性能参数

1.3 材料性能测试

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0604、T0605、T0606和T0625的有关试验规程测试SBS复配温拌沥青的针入度(25 ℃)、延度(15 ℃)、软化点和布氏旋转黏度。同时，依据AASHTO T315规范，对沥青进行流变性能测试，试验在德国Anton Paar公司生产的Physical MCR-101型动态剪切流变仪上进行。试验采用控制应变模式，角频率ω取10 rad/s，温度扫描范围30～90 ℃，温升速率2 ℃/min，试样直径25 mm，厚度1 mm。

2 常规性能分析

两种温拌沥青的常规性能试验结果如图1所示。

由图1(a)可知：温拌SBS改性沥青的针入度明显降低，下降幅度与掺量成正相关关系。对比于Deurex而言，Sasobit对沥青针入度的影响更为显著。由图1(b)可见：各组温拌沥青软化点均高于原SBS改性沥青。值得注意的是，Sasobit对软化点的影响效果要大于Deurex。此外，两者的有效掺量也有所区别。掺量在3%以下时，Sasobit作用效果明显，当掺量超过3%，Deurex对软化点的影响开始逐步体现，与此同时，Sasobit的作用效果趋于稳定。由图1(c)可以看出：随着温拌剂掺量增加，两种温拌沥青的延度递进减小。二者对比，Deurex对沥青针入度的影响较小，而Sasobit可以大幅提高软化点。Deurex温拌沥青的延度要大于同掺量的Sasobit，这说明Deurex温拌沥青能承受更高的塑性变形。

图1 温拌沥青常规性能

分析试验结果可知：温拌剂对SBS改性沥青的影响是两方面的。一方面，软化点有所提高，反映出温拌沥青的高温性能相对于SBS改性沥青有所提升；另一方面，其他两大指标显示其低温性能有所降低。

3 温拌剂对SBS沥青流变性能的影响

3.1 黏度

对7组沥青试样在4个温度下进行旋转黏度测试，结果如图2所示。

图2 不同掺量及温度下改性沥青的黏度变化

由图2可以看出：相对于原SBS沥青，温拌沥青的黏度都出现下降，说明Sasobit及Deurex降黏效果十分显著。而在相同温度下，Deurex在不同掺量下的黏度变化较大。当温度高于135 ℃后，沥青黏度因Sasobit掺量变化所带来的影响已极其微小。此外，Sasobit在低掺量(2%)时，降黏作用已比较明显，而Deurex在此掺量下降黏效果还不够清晰。掺量增加到3%，Deurex的降黏效果才开始显现。

图3反映了两种温拌剂在135 ℃时降黏效果的对比，直观体现了两种温拌剂的降黏能力。黏度下降率的定义如式(1)所示：

(1)

式中：R为黏度下降率；VSBS为SBS沥青旋转黏度；VWMA为温拌沥青旋转黏度。

图3 不同掺量的改性沥青黏度下降率(135 ℃)

在135 ℃测试温度下，当Sasobit和Deurex掺量为2%时，两者的降黏效果均不十分明显，此时，Sasobit的降黏效果甚至优于Deurex，当掺量高于3%时，Deurex的降黏作用开始体现，降黏作用大幅高于Sasobit。Sasobit的降黏效果整体上逊色于Deurex，说明采用Deurex进行温拌的SBS改性沥青在135 ℃有着更低的黏度，因此沥青路面摊铺及压实所需要的温度可以有所降低。

3.2 高温性能指标

3.2.1 复数模量

各组沥青试样复数模量G*测试结果如图4所示。掺入两种温拌剂后，各组温拌改性沥青的复数模量均有增加，表明沥青的弹性性能得到提升，沥青的抗车辙能力变强。但不同温拌剂对G*的影响存在明显差异。Sasobit对G*的提升更为明显，掺量从2%增加到4%，复数模量相对于SBS沥青已经增加了100%以上。而Deurex对复数模量的贡献则小得多，虽然变化趋势与掺量成正相关，但最大增加率不超过30%。表明使用Sasobit进行温拌后的SBS改性沥青，高温稳定性要优于Deurex类温拌沥青。

图4 不同温度下改性沥青复数模量变化规律

3.2.2 相位角

图5为温拌沥青相位角随温度的变化情况。相位角的变化反映沥青中黏性部分与弹性部分的相互转化情况。

图5 温度对改性沥青相位角的影响规律

从图5可以看出：SBS改性沥青的相位角最大，其相对于温度的变化率也是最大的。在进行温拌之后，6组温拌SBS改性沥青的相位角都有大幅降低。随着温度升高，整体上虽逐步增大，但变化速率很小，说明在添加温拌剂后，沥青中弹性部分增加，沥青高温稳定性得到提高；Sasobit/Deurex温拌沥青的温度敏感性都明显降低，且随着掺量的增加，感温性逐渐下降。在沥青路面服役期间，感温性越小越有利于路面在各种极端气候下正常工作。通过数量关系对比，可以发现Sasobit温拌沥青高温稳定性更高。

3.2.3 车辙因子

短期老化前后各组沥青试样的车辙因子变化情况如图6、7所示。

图6 温拌沥青车辙因子变化规律

图7 短期老化后温拌沥青车辙因子变化规律

由图6、7可知：掺入Sasobit/Deurex后，车辙因子增大，沥青混合料在高温下抵抗永久变形能力、动稳定度得到增强。而在短期老化后，除了SBS+3%Sasobit的PG高温等级达到了PG 82，其他4种沥青均为PG 76，3种经Deurex温拌的SBS改性沥青，其车辙因子在SBS改性沥青的周围浮动，整体略大于原SBS沥青。至此，各组沥青的高温流变性能有如下次序：Sasobit>Deurex>SBS。

3.3 低温性能指标

3.3.1 劲度模量

图8为沥青劲度模量S随试验温度的变化情况。由图8可以看出：5组沥青试样的劲度模量与温度的变化呈负相关关系。温度一定时，同种温拌剂掺量越大，劲度越高。劲度模量的含义是指在规定时间和测试温度下，材料内部应力σ与产生总应变ε的比值。不同材料在产生相同应变时，劲度模量较大者，内部应力较大，沥青混合料在低温下发生开裂的几率就更大。

图8 温拌沥青劲度模量变化规律

3.3.2 蠕变速率

图9为5种沥青的蠕变速率m值随温度的变化情况。

图9 温拌沥青蠕变速率变化规律

由图9可见：伴随着温度的降低，各组沥青的蠕变速率m值均逐渐减小。m值越小，沥青的应力消散能力越弱，在低温下的抗裂性能越差。值得注意的是，3%Sasobit+SBS温拌改性沥青的m值小于其他4组对照试样，可以认为Sasobit+SBS温拌改性沥青的应力消散能力低于Deurex+SBS温拌改性沥青。

综上所述，SBS改性沥青的低温性能受到了两种温拌剂的负面影响。加入温拌剂后，沥青劲度模量变高，应力消散能力下降，低温抗裂性能变差。

3.3.3 低温测力延度

测力延度试验可由具有拉力传感器的延度仪和输出装置进行，试验过程与普通延度试验保持相同。在试件拉伸变形期间，1 s采集一个拉力峰值。测力延度曲线与横坐标轴所包络的面积定义为黏韧性(T)，单位为N·cm。利用测力延度试验，可同时对5 ℃的低温延度与黏韧性进行测试。测试结果如图10、11所示。孙大权经研究得出结论，测力延度是一种评价沥青低温性能简单而有效的方法，黏韧性指标可用来评价沥青的低温性能。

图10 改性沥青短期老化前后5 ℃延度

图11 改性沥青测力延度曲线

从图10可以看出：老化前后各沥青试样在5 ℃的延度均呈现出较大下降，基于Deurex温拌的SBS改性沥青延度变化较为明显，而Sasobit类则较为平稳。由此分析可知，Deurex在同等质量下，对沥青的降黏效果显著。同时，其质量的改变对沥青的低温延展性影响较大。无论是老化前还是老化后，两种温拌沥青在温拌剂质量增加的情况下延度随之降低的趋势是不变的，而老化过程对延度的破坏作用是显而易见的。

由图11可以看出：黏韧性是从做功与能量的角度对沥青在低温下的性能进行评价，结合表2的计算数据，黏韧性越大的沥青，在试验后段，拉力值会随着延度的增大而增大，或者保持平稳，而对于Sasobit类黏韧性较小的沥青，在延度达到某一点后，拉力仍然会迅速减小，两种不同的情况恰好反映了不同种类的温拌沥青，在低温下受拉力作用时，其内部抵抗变形的能力，拉力随延度越大，意味着内部分子间的联结越紧密，越不容易受到破坏，反之，在低温下受拉破坏的可能性就越大。

表2 改性沥青黏韧性测试结果

注：2SA代表2%掺重的Sasobit；2DE代表2%掺量的Deurex，其余意义同此。

根据测力延度试验，以低温黏韧性为指标进行低温性能排序：SBS>2DE>3DE>4DE>2SA>3SA>4SA，结果显而易见，未进行温拌处理前，SBS沥青的低温性能最优，使用Deurex为温拌剂的改性沥青，低温性能整体优于Sasobit温拌，而对于两种温拌剂，掺量越多，对其低温性能越不利。

3.4 PG分级

根据高温流变试验以及低温流变试验结果，可以得到不同沥青的PG温度等级，如表3所示。

表3 改性沥青PG分级

由表3可以看出：Sasobit对改善SBS改性沥青的高温性能有积极作用，掺量为3%时，其PG高温等级可达到82 ℃，而在同等掺量下，Deurex温拌沥青的低温表现较好，在低温下对应力的松弛扩散能力较强，其PG低温等级达到了-22 ℃。Deurex掺量不大于3%时，PG分级表现与温拌前SBS改性沥青相同，说明了在较低的温拌剂掺量下，不仅有效地降低了沥青制备与拌和所需温度，而且温拌沥青在高、低温下路用性能依然可以保持较高的水平。

4 改性机理与降温范围

以中国现行的石油沥青四组分分析方法为基础，将基质沥青和温拌沥青分别分离成饱和分、芳香分、胶质和沥青质4个组分，而沥青四组分的含量对沥青黏度有不同程度的影响，增加沥青质与胶质会使高温下沥青的旋转黏度得到提高，而增加饱和分或芳香分等轻质成分会使沥青的高温黏度有所下降。DSC检测结果表明：Sasobit与Deurex加入沥青后，与作为胶核的沥青质争夺胶质，并与胶质、沥青质相互混溶，破坏沥青原有的胶体平衡，形成新的胶团逐步向作为轻组分的芳香分和饱和分转变，在分子间形成新的胶体平衡体系。因此，这两种改性沥青的温拌机理在于：当温度超过其熔点，温拌剂完全熔化，充分溶解于沥青胶结料中，由于新的胶体体系的形成，使胶结料的黏度降低，从而使沥青混合料的拌和与压实工作可以在较低的温度下完成。当拌和温度低于温拌剂的熔点时，其在沥青胶结料中形成网格晶状结构，这种结构保证了沥青胶结料在高温下有较高的稳定性，间接提高了沥青混合料抵抗永久变形的能力。

由于该文所采用的SBS改性沥青一般在170 ℃以上才有较好的流动性，因此，在制备普通SBS改性沥青混合料时，拌和温度不宜低于170 ℃，压实温度也高于规范推荐的135 ℃，而采用Sasobit与Deurex温拌后的SBS改性沥青，Sasobit与Deurex分别在105、125 ℃就已完全熔化，试验及实践证明，温拌改性沥青的制备与沥青混合料的拌和温度可下降20～30 ℃。