环保型复合融雪盐化物沥青胶浆性能研究

邢明亮，王郭勇，夏慧芸，李祖仲，崔宇，陈华鑫，温钰婷

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

我国属于季节性冰冻地区的省份数量多达14个，占国土面积54%[1]。在冬季降雪季节，由于车辆轮胎附着系数降低和制动距离延长，易失控而导致连续追尾、侧翻等交通事故[2-4]。如何解决我国冬季道路积雪冰冻问题，降低冬季道路交通事故发生频率，保障人们生命财产安全成为交通主管部门工作的关键部分[5-8]。盐化物自融雪沥青路面技术的出现为道路抑冰抗滑技术开辟出新思路[9-11]。目前，国内对融雪沥青路面的研究主要集中在盐化物的组成及制备工艺等方面，对沥青胶浆的研究较少。本文研究自主研发的环保型复合融雪盐化物对沥青胶浆性能影响，为其推广应用提供有益参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

I-D SBS改性沥青，技术指标见表1；石灰石矿粉，技术指标见表2；环保型复合融雪盐化物，自制，技术指标见表3。

Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜；SYD-2801D型沥青针入度试验仪；SYD-4508F型沥青延伸度测量仪；NDJ-1F型布氏旋转粘度计；TE-BBR型弯曲梁流变仪。

表1 SBS改性沥青技术指标

表2 矿粉技术指标

表3 环保型复合融雪盐化物技术指标

1.2 盐化物沥青胶浆制备

考虑融雪盐化物与矿粉密度的差异、沥青混合料的流动性和路用性能，本文选用的盐化物替代矿粉的方法为等体积替换法。在沥青胶浆的制备、取样和测试过程中一定要尽可能保证沥青胶浆的均匀性，以保证实验结果的可靠性。粉胶比采用规范推荐粉胶比范围0.8～1.0的中值1∶1。

将矿粉和融雪盐化物过0.075 mm筛，105 ℃烘干至恒重，再保温1 h。将SBS改性沥青加热至(170±5)℃，按照比例称取填料，分多次加入沥青中，并用剪切机3 000 r/min进行搅拌，直至混合均匀，时间30 min。

2 结果与讨论

2.1 替代率对常规性能的影响

环保型复合融雪盐化物微观形貌见图1。

图1 环保型复合融雪盐化物微观形貌

由图1可知，经过球磨后，盐化物材料呈不规则颗粒状，具有一定的比表面积，颗粒界面模糊，表面覆盖一层有机改性材料疏水剂，能够起到良好的缓释作用。

分别对盐化物沥青胶浆进行了25 ℃针入度、5 ℃延度和25 ℃弹性恢复实验，结果见图2。

图2 沥青胶浆性能随盐化物替代率变化趋势

由图2可知，随着盐化物替代率的增大，沥青胶浆的25 ℃针入度及5 ℃延度逐渐减小，25 ℃弹性恢复能力提升，并且在盐化物替代率≥75%时，针入度、延度都出现了大幅度的变化，因此推荐盐化物替代率不超过75%。针入度减小，说明沥青胶浆稠度变大，抗剪切变形能力增强。5 ℃延度一定程度上反映了沥青的低温抗裂性能，盐化物的加入使沥青胶浆变硬变脆，降低其塑性变形能力。同时盐化物的加入会增强沥青胶浆的内聚力，使其弹性恢复大大升高。

2.2 盐化物沥青胶浆粘温特性

2.2.1 盐化物替代率对胶浆粘度的影响 沥青胶浆粘度过大，容易产生结团现象造成拌合困难、易离析、均匀性差和摊铺碾压困难等问题；沥青胶浆粘度过小，使得沥青混合料粘聚性降低、流动性增强，容易在运输和摊铺过程中造成析漏现象，从而导致路面压实后的平整度较差，影响整体工程质量。通过布氏粘度实验，测定不同温度(135，150，165，180 ℃)下不同盐化物替代率盐化物沥青胶浆的粘度，利用回归曲线分析盐化物替代率和温度对沥青胶浆粘温性能的影响，结果见表4。

表4 盐化物沥青胶浆布氏粘度实验结果

为了更加直观地分析盐化物替代率与沥青胶浆粘度之间的关系，用式(1)回归各温度下粘度随盐化物替代率的变化趋势，结果见图3和表5。

lgη=AC+B

(1)

式中η——粘度，Pa·s；

C——盐化物替代率，%；

A，B——回归系数，其中A越大，表明粘度对盐化物替代率越敏感。

图3 沥青胶浆粘度随盐化物替代率变化趋势

表5 不同温度下沥青胶浆粘度与盐化物替代率回归结果

由图3可知，在相同温度下，随着融雪盐化物替代率的增大，沥青胶浆的粘度均呈上升趋势。原因是自制融雪盐化物的比表面积大于矿粉，导致融雪盐化物和矿粉对沥青的吸附强度有所差异，融雪盐化物和矿粉分别对沥青的物理、化学反应作用也有所差异，矿粉对沥青胶浆中自由沥青的吸附强度比融雪盐化物要弱。所以，随着融雪盐化物替代率的增加，融雪盐化物吸附的自由沥青的量也越来越多，结构沥青比例大大增加，使得盐化物和矿粉之间相互作用增大，内摩阻力和模量也均增大。因此，在同一温度下，随着自制融雪盐化物替代率的增大，盐化物沥青胶浆粘度也随之增大。

由表5可知，在各个温度下，沥青胶浆的粘度和融雪盐化物替代率之间都存在着很好的相关性，并且随着温度升高，其回归直线斜率和相关性都不断增大。回归系数的增大表示沥青胶浆粘度对融雪盐化物替代率的敏感性增大。这表明温度越高，沥青胶浆粘度对融雪盐化物替代率的敏感性越大。这是由于改性沥青中改性剂的作用会随着温度的升高而逐渐被削弱，使改性沥青流动性逐渐增强，更容易被融雪盐化物表面吸附，因此随着盐化物替代率增加，其粘度变大。所以随着温度升高，沥青胶浆粘度对盐化物替代率的敏感性增大。

2.2.2 盐化物沥青胶浆的温度敏感性 沥青的温度敏感性可以表示为粘度对沥青温度变化的敏感程度，性能卓越的沥青在高温时依旧能保持粘稠的状态，抵抗由于荷载作用而产生的变形的能力较好。同时，在沥青低温时，又拥有足够好的柔软性，抵抗沥青路面的开裂变形。盐化物沥青胶浆粘度随温度的变化见图4。

图4 温度对盐化物沥青胶浆粘度的影响

由图4可知，各替代率下，盐化物沥青胶浆的粘度均随着温度升高而变小，但减小速率有所不同。135～150 ℃时，各替代率下的盐化物沥青胶浆的粘度随着温度的升高而减小速率很快；150～180 ℃时，沥青逐渐向牛顿流体转变，所以各替代率下的盐化物沥青胶浆粘度随着温度的升高而减小速率逐渐变缓。

根据Saal试验式(2)以不同盐化物替代率下沥青胶浆的粘度与温度为参数，计算沥青胶浆的粘温指数VTS，结果见表6。

(2)

式中η1、η2——不同温度T1、T2(℃)时的粘度，Pa·s。

表6 不同温度下融雪沥青胶浆的粘温指数

图5 盐化物沥青胶浆粘温指数随盐化物替代率的变化曲线

2.3 盐化物沥青胶浆的低温性能

沥青胶浆低温性能对路面低温开裂的贡献率高达90%。而盐化物的掺入势必对沥青胶浆的低温性能造成影响。本文采用低温弯曲梁流变实验来研究融雪盐化物在不同实验温度(-6，-12，-18，-24 ℃)、不同替代率下沥青胶浆的低温性能，以蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)值评价沥青胶浆低温性能，结果见图6。

图6 盐化物沥青胶浆的蠕变劲度(S)与蠕变速率(m)

由图6可知，随着温度降低，各替代率下盐化物沥青胶浆蠕变劲度(S)增大，蠕变速率(m)减小。这是因为，随着温度降低，盐化物沥青胶浆逐渐变硬变脆。沥青分子链几乎被冻结，此时的沥青呈现玻璃态，在这种玻璃态情况下，沥青分子链不能迅速地被重新移动或者取向，导致低温下流变性能变差。

由图7可知，保持温度不变，盐化物替代率<75% 时，沥青胶浆蠕变劲度(S)随盐化物替代率变化缓慢增长，蠕变速率(m)随盐化物替代率变化逐渐降低。当盐化物替代率>75%时，沥青胶浆的低温性能迅速衰减。因此，推荐盐化物替代率不超过75%，避免盐化物掺入过多使沥青低温性能出现明显劣化。

图7 -12 ℃沥青胶浆蠕变劲度(S)与蠕变速率(m)随盐化物替代率变化曲线

3 结论

(1)盐化物的加入会使沥青胶浆变硬变脆，稠度增大，同时也能增强沥青胶浆的抗剪切变形能力及内聚力，为防止沥青胶浆性能出现大幅度变化，盐化物替代率不宜大于75%。

(2)考虑到沥青胶浆对盐化物替代量的敏感性及盐化物沥青胶浆的感温性，推荐盐化物替代量范围为50%～75%。

(3)随着温度下降，沥青胶浆性能逐渐劣化，当替代率<75%时，盐化物替代率对沥青胶浆低温性能影响不大。