增塑剂对天然沥青改性沥青及沥青混合料高低温性能影响

易璀琳

（洛阳璟信公路工程科技发展有限公司，河南洛阳471000）

沥青路面是我国高速公路使用的主要结构形式，其具有行车舒适性好、建养方便和可回收利用等优点。随着交通量的增加及气候环境的日益恶劣，目前对沥青路面的性能要求愈发提高，其中使用高品质沥青一直是提高沥青路面性能的主要手段之一。我国一般通过使用沥青改性方式提高其性能，如目前普遍采用的SBS、SBR、RUBBER 和PE 等聚合物改性沥青，其对基质沥青某方面性能均有一定改善作用[1-5]，以及目前在研究的无机材料改性沥青，如硅藻土及纳米材料等[6-8]，也在提高沥青性能方面取得了一定成果。但上述改性材料特性和分子结构等与基质沥青存有明显差别，使两者相容性较差，造成制备的改性沥青存在离析问题，严重影响改性沥青性能[9]。

为解决改性剂与基质沥青相容性不足问题，相关学者提出采用微观结构与基质沥青类似，硬度高、沥青质含量大的天然沥青对基质沥青进行改性，研究已表明天然沥青改性沥青的高温性能、抗老化性能和抗疲劳性能均较好，但低温性能往往较差[10-12]。

为改善天然沥青改性沥青及其混合料低温性能，借鉴增塑剂在改善塑料柔韧性应用中取得的良好效果，本文采用增塑剂制备天然沥青改性沥青及沥青混合料，对其高温和低温性能进行试验评价，为天然沥青改性沥青研究提供一定参考。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）基质沥青

选用壳牌70# 基质沥青进行试验研究，主要技术指标见表1。

表1 壳牌70#基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical indexes of shell 70# base asphalt

（2）天然沥青

选用特立尼达湖沥青（TLA）和布敦岩沥青（BRA）两种天然沥青进行试验研究，两者主要技术指标见表2。

表2 TLA 和BRA 天然沥青主要技术指标Table 2 Main technical indexes of TLA and BRA natural asphalt

（3）增塑剂

采用广州市银环化工有限公司产邻苯二甲酸二丁酯（DBP）和广东化工科技有限公司产偏苯三酸三辛酯（TOTM）两种增塑剂进行试验研究，两者主要技术指标见表3。

表3 DBP 和TOTM 增塑剂主要技术指标Table 3 Main technical indexes of DBP and TOTM plasticizers

（4）集料级配

粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩，矿粉由石灰岩磨细而得，级配类型为SMA-13，级配中各筛孔通过率见表4。

表4 集料级配Table 4 Aggregate grading

1.2 改性沥青制备

将基质沥青和天然沥青置于150℃烘箱中保温直至融化，进而称取基质沥青和天然沥青于搪瓷缸混合并加热至175℃（天然沥青为基质沥青量的25%），采用高速剪切机以1500r/min 速率搅拌120min 即可制得天然沥青改性沥青，再掺入增塑剂继续搅拌30min 即可制得增塑剂改性天然沥青改性沥青。

2 增塑剂对天然沥青改性沥青高低温性能影响

2.1 高温性能

为研究增塑剂对天然沥青改性沥青高温性能的影响，分别制备DBP 和TOTM 掺量为0%、2%、4%和6%（质量分数）的TLA 和BRA 改性沥青进行DSR 试验分析。试验可获取表征沥青抗变形能力大小的指标复数模量G*和表征沥青粘弹比例的指标相位角δ，其中G* 越大沥青抗变形能力越强，δ越大表征沥青中粘性成分比例越大，高温变形恢复能力越差。试验采用应力控制模式，温度64℃，频率10rad/s。

（1）复数模量

不同增塑剂对天然沥青改性沥青复数模量的影响结果如图1 所示。

图1 增塑剂对天然沥青改性沥青复数模量的影响Fig. 1 Effect of plasticizer on complex modulus of natural asphalt modified asphalt

由图1 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青复数模量分别为3.92kPa 和3.26kPa，表明TLA 对沥青高温抗变形能力的改善作用优于BRA，这是由于TLA 中沥青质含量较高的缘故；增塑剂会造成天然沥青改性沥青复数模量降低，且随着掺量的提高降低幅度逐渐增大，表明掺入增塑剂对天然沥青改性沥青高温抗变形能力有不利影响。对TLA 改性沥青，DBP 和TOTM掺量每增加1%，其平均复数模量分别下降0.28kPa 和0.12kPa，对BRA 改性沥青则是分别下降0.19kPa 和0.07kPa，显然两种天然沥青改性沥青复数模量随DBP增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑剂对天然改性沥青高温抗变形能力的不利影响程度较TOTM 高。同时，TLA 改性沥青复数模量随两种增塑剂掺量增加而降低的速率高于BRA 改性沥青，表明增塑剂对TLA 改性沥青高温抗变形能力造成的不利影响程度高于BRA 改性沥青。

（2）相位角

不同增塑剂对天然沥青改性沥青相位角的影响结果如图2 所示。

图2 增塑剂对天然沥青改性沥青相位角的影响Fig. 2 Effect of plasticizer on phase angle of natural asphalt modified asphalt

由图2 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青相位角分别为83.32°和84.15°，表明TLA 改性沥青中弹性成分比例高于BRA 改性沥青，高温下变形恢复能力更强；增塑剂会造成天然沥青改性沥青相位角增加，且随掺量的提高增加幅度逐渐增大，表明掺入增塑剂会使沥青中粘性成分比例增加，对天然沥青改性沥青高温变形恢复能力有不利影响，这是由于增塑剂为油性材料，掺入沥青后充当油分的缘故。对TLA 改性沥青，掺入6% DBP 和TOTM 后，其相位角分别增加0.79°和0.8°，对BRA 改性沥青则是分别增加0.60°和0.63°，整体上DBP 和TOTM 对天然沥青改性沥青中的粘弹比例影响程度相当，即两种增塑剂对沥青高温变形恢复能力的不利影响程度基本一致，但两种增塑剂对TLA 改性沥青粘弹比例的影响程度略高于BRA 改性沥青，表明增塑剂对TLA 改性沥青高温变形恢复能力的不利影响程度高于BRA 改性沥青。

2.2 低温性能

为研究增塑剂对天然沥青改性沥青低温性能的影响，分别制备DBP 和TOTM 掺量为0%、2%、4% 和6% 的TLA 和BRA 改性沥青进行BBR 试验分析。试验可获取表征沥青低温变形能力的指标劲度模量S和表征沥青低温应力松弛能力的指标蠕变速率m，其中S越大沥青低温下变形能力越差，越容易产生低温开裂，m越大表征沥青低温下应力松弛能力越强，低温抗裂性越好。取加载时间为60s 的结果为试验结果，温度-12℃。

（1）劲度模量

不同增塑剂对天然沥青改性沥青劲度模量的影响结果如图3 所示。

图3 增塑剂对天然沥青改性沥青劲度模量的影响Fig. 3 Effect of plasticizer on stiffness modulus of natural asphalt modified asphalt

由图3 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青劲度模量分别为253MPa 和231MPa，表明TLA 改性沥青低温变形能力较BRA 改性沥青低，更容易产生低温开裂；掺入增塑剂可降低天然沥青改性沥青劲度模量，提高低温变形能力，改善低温抗裂性，且随掺量的增加改善效果逐渐变好。对TLA 改性沥青，DBP 和TOTM 掺量每增加1%，其平均劲度模量分别下降8MPa和6.2MPa，对BRA 改性沥青则是分别下降11.3MPa 和8.0MPa，显然两种天然沥青改性沥青劲度模量随DBP掺量增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑剂对天然改性沥青低温变形能力的改善效果较TOTM 更好。同时，将两种增塑剂掺入TLA 改性沥青时其劲度模量随增塑剂掺量增加而降低的速率低于BRA 改性沥青，表明增塑剂对TLA 改性沥青低温变形能力的改善效果优于BRA 改性沥青。

（2）蠕变速率

不同增塑剂对天然沥青改性沥青蠕变速率的影响结果如图4 所示。

图4 增塑剂对天然沥青改性沥青蠕变速率的影响Fig. 4 Effect of plasticizer on creep rate of natural asphalt modified asphalt

由图4 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青蠕变速率分别为0.302 和0.338，表明TLA 改性沥青低温应力松弛能力较BRA 改性沥青低，更容易产生低温开裂；掺入增塑剂可提高天然沥青改性沥青蠕变速率，加快低温应力释放速率，改善低温抗裂性，且随掺量的增加改善效果逐渐变好。对TLA 改性沥青，掺入6%DBP 和TOTM 后，其蠕变速率分别增加0.07 和0.067，对BRA 改性沥青则是分别增加0.05 和0.048，整体上DBP 和TOTM 对天然沥青改性沥青蠕变速率提高程度相当，即两种增塑剂对天然沥青低温应力松弛能力改善效果基本一致，但两种增塑剂对TLA 改性沥青蠕变速率的提高程度略高于BRA 改性沥青，表明增塑剂对TLA 改性沥青低温应力松弛能力的改善效果优于BRA 改性沥青。

3 增塑剂对天然沥青改性沥青混合料高低温性能影响

3.1 高温稳定性

为研究增塑剂对天然沥青改性沥青混合料高温稳定性的影响，分别拌制DBP 和TOTM 掺量为0%、2%、4% 和6% 的TLA 和BRA 改性沥青混合料，采用轮碾法成型300mm×300mm×50mm 试件进行车辙试验，温度60℃，轮压0.7MPa，结果如图5 所示。

图5 增塑剂对天然沥青改性沥青混合料高温稳定性的影响Fig. 5 Effect of plasticizer on high temperature stability of natural asphalt modified asphalt mixture

由图5 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青混合料动稳定度分别为3921 次/mm 和3621 次/mm，表明TLA 改性沥青混合料高温稳定性优于BRA沥青混合料；随着增塑剂掺量的增加，天然沥青改性沥青混合料动稳定度呈明显的线性降低趋势，表明增塑剂对天然沥青改性沥青混合料高温稳定性有不利影响。对TLA 改性沥青混合料，DBP 和TOTM 掺量每增加1%，其动稳定度分别下降169 次/mm 和139 次/mm，对BRA 改性沥青混合料则是分别下降67 次/mm 和49次/mm，显然两种天然沥青改性沥青混合料动稳定度随DBP 掺量增加而降低的速率高于TOTM，表明DBP 增塑剂对天然改性沥青混合料高温稳定性的不利影响程度高于TOTM。同时，TLA 改性沥青混合料动稳定度随两种增塑剂掺量增加而降低的速率高于BRA 改性沥青混合料，表明增塑剂对TLA 改性沥青混合料高温稳定性的不利影响程度高于BRA 改性沥青混合料。

基于各沥青混合料动稳定度随增塑剂掺量变化规律和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对SMA 沥青混合料动稳定度不小于3000 次/mm 的要求，可推算出DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性沥青混合料中增塑剂掺量应分别不高于5.4%、6.6%、9.3% 和12.6%。

3.2 低温抗裂性

为研究增塑剂对天然沥青改性沥青混合料低温抗裂性的影响，分别拌制DBP 和TOTM 掺量为0%、2%、4% 和 6% 的 TLA 和 BRA 改 性 沥 青混 合 料， 采用轮碾法成型300mm×300mm×50mm 试件，切割为250mm×30mm×35mm 小梁后进行低温弯曲试验，温度-10℃，加载速率50mm/min，结果如图6 所示。

图6 增塑剂对天然沥青改性沥青混合料低温抗裂性的影响Fig. 6 Effect of plasticizer on low temperature crack resistance of natural asphalt modified asphalt mixture

由图6 可知：未掺入增塑剂时，TLA 和BRA 改性沥青混合料最大弯拉破坏应变分别为2432με 和2735με，表明BRA 改性沥青混合料低温抗裂性优于TLA 沥青混合料；随着增塑剂掺量的增加，天然沥青改性沥青混合料最大弯拉破坏应变呈明显的线性增加趋势，表明增塑剂可有效改善天然沥青改性沥青混合料的低温抗裂性。对TLA 改性沥青混合料，DBP 和TOTM掺量每增加1%，其最大弯拉破坏应变分别增加115με和102με，对BRA 改性沥青混合料则是分别增加88με和77με，显然两种改性沥青混合料最大弯拉破坏应变随DBP 掺量增加而增加的速率高于TOTM，表明DBP 增塑剂对天然改性沥青混合料低温抗裂性的改善效果优于TOTM。同时，TLA 改性沥青混合料最大弯拉破坏应变随两种增塑剂掺量增加而增加的速率高于BRA 改性沥青混合料，表明增塑剂对TLA 改性沥青混合料低温抗裂性的改善效果优于BRA 改性沥青混合料。

基于各沥青混合料最大弯拉破坏应变随增塑剂掺量变化规律和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对SMA 沥青混合料最大弯拉破坏应变不小于3000με 的要求，可推算出 DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性沥青混合料中增塑剂掺量应分别不低于4.7%、5.6%、3.0%和3.6%。

4 结论

（1）掺入增塑剂会造成天然沥青改性沥青粘性成分比例增加，高温抗变形能力降低，对应混合料高温稳定性降低，但可提高其低温变形和应力松弛能力，对应混合料低温抗裂性随之增加，且增塑剂掺量越高，上述效应越明显。

（2）DBP 对天然沥青改性沥青及沥青混合料高温性能的不利影响程度高于TOTM，但对其低温性能的改善作用优于TOTM；DBP 和TOTM 对TLA 改性沥青高温性能的不利影响程度高于BRA 改性沥青，但对TLA改性沥青低温性能的改善作用更好。

（3） 综 合 考 虑 高 温 和 低 温 性 能， 推 荐 的DBP+TLA、TOTM+TLA、DBP+BRA、TOTM+BRA 改性沥青中对应增塑剂掺量分别为4.7%～5.4%、5.6%～6.6%、3.0%～9.3%和3.6%～12.6%。