寒冷地区彩色沥青的研制与影响因素分析

2021-02-14姚爱玲王敬涛赵江勇位高峰

公路工程 2021年6期

姚爱玲, 王敬涛, 杨涛, 赵江勇, 位高峰

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710000；2.中交机场勘察设计院有限公司，广东广州 510220；3.中交路桥建设有限公司，北京 100027)

0 引言

彩色沥青路面凭借其鲜明的色彩特征美化道路环境、引导视线、提醒警示、功能区分、环保等特点在国内外都取得了关注、应用与发展。20世纪50年代，欧美国家率先开始研究彩色沥青混凝土路面[1-6]，60年代前苏联道路科学所和哈尔科夫公路学院研究了彩色路面的性能，并于莫斯科、哈尔科夫、巴库等地先后铺筑了数万平方米的彩色沥青路面，1979年还出版了专著《彩色路面的铺筑技术》[7]。此外，日本、韩国、法国、波兰、瑞典、英国等国家也先后铺筑了彩色沥青路面。1998年，国内第一条彩色沥青路面—福建省厦门市环岛路建成，取得了极好的成果，并于21世纪初先后在四川成都、北京、武汉、西安、贵州等都成功铺筑了彩色沥青路面[8]。虽然彩色沥青路面在国内已得到了一定的应用，然而针对彩色沥青的研究并不具系统性，目前主要针对于发达地区和较发达地区彩色沥青路面的研究与应用，针对像呼伦贝尔这类欠发达且寒冷的地区，彩色沥青与彩色沥青混凝土路面的研究与应用十分有限。根据《城市道路彩色沥青混凝土路面技术规程》，彩色沥青是指由石油、化工产品等高分子材料加工制成，呈无色或浅色并可由颜料着色的胶结料的总称[9]。本文为研究呼伦贝尔寒冷地区的彩色沥青，从材料的组分选择入手，首先总结出一套比较详尽的彩色沥青制备工艺，在此基础上，研究各组分掺量对彩色沥青性能的影响，调整不同配比制备出具备不同针入度标号的彩色沥青，然后结合寒冷地区气候特征，根据针入度、10 ℃延度等指标，最终确定了寒冷地区彩色沥青混凝土路面所需的彩色沥青方案配比。

1 彩色沥青组分优选

沥青的化学成分组成十分复杂，目前我国常用的美国L·W·科贝尔特提出的4组分分析方法分析沥青组分，该分析方法认为，沥青是由4种组分组成，分别为沥青质、胶质、芳香酚及饱和酚，因此可将沥青视为一种以小分子量的芳香酚、饱和酚为溶剂，大分子量的沥青质、胶质为溶质的一种胶体体系[10-12]。鉴于此，本文以小分子量的饱和烃A代替沥青中的芳香酚、饱和酚作溶剂，以石油树脂B、共聚物C、共聚物D组分代替沥青中的沥青质、胶质做溶质；增塑剂E组分也为小分子可视为溶剂中的一种组分，用来调和各组分，从而模拟出与沥青性质相似的胶体体系即彩色沥青。考虑到寒冷地区彩色沥青混凝土路面的特点以及低温性能的要求，故该彩色沥青应首先具有合适的针入度即粘稠度，同时具有优良低温性能并兼顾其他性能。

彩色沥青的研制原材料特性如下：①饱和烃A：无色无味透明液体，高粘度，低温性能好，相容性好。②石油树脂B：水白色无味粉末或颗粒状，耐高温、耐酸碱、耐老化。③共聚物C：白色或浅黄色颗粒状，高粘度，拉伸性。④共聚物D：一种热塑性树脂，白色透明状颗粒或粉末，耐寒，耐应力开裂，耐老化。⑤增塑剂E：环氧类，淡黄色油状液体，热稳定性与光稳定性以及与树脂的相容性好。

2 彩色沥青制备工艺

目前，常见的彩色沥青研制工艺有4种：遮盖法、脱色法、共聚法和剪切法[13]。本文类比沥青胶体体系，将饱和烃A与增塑剂E视为彩色沥青中的“液相”成分，石油树脂B、共聚物C与共聚物D视为彩色沥青中的“固相”成分。反复试验发现，当彩色沥青中“固相”成分与“液相”成分的比例在2∶1附近时，能够研制出性能与普通石油沥青性能相似的彩色沥青。

彩色沥青的制备工艺总结为加热熔融、保温剪切和恒温发育3大步骤。本文生产过程中彩色沥青的色彩变化见图1,给出的彩色沥青制备工艺流程见图2。使用时可根据色彩的需要通过添加无机颜料调和成做需要的红色、黄色和蓝色等。

(a) 变化1

图2 彩色沥青制备工艺流程

3 彩色沥青性能研究

3.1 固液比对彩色沥青针入度的影响研究

将彩色沥青的组分视为“固相”成分与“液相”成分，定义其比例为“固液比”，依据上述原材料与制备工艺生产彩色沥青。原材料组分配比见表1，求得多组试验每个相同固液比下针入度的平均值，见表2，拟合为一次函数，见图3。

图3 固液比与彩色沥青针入度的关系

表1 彩色沥青原材料组分配比范围Table 1 The range of component proportions of colored asphalt raw materials编号固液比(固相B+C+D与液相A+E的质量比)组分配比(A、B、C、D、E的质量比)针入度(100 g、 5 s、 25 ℃)/( 0.1 mm)70 ∶3020 ∶54 ∶12 ∶4 ∶1055170 ∶3020 ∶58 ∶9 ∶3 ∶105770 ∶3022 ∶62 ∶6 ∶2 ∶85868 ∶3222 ∶52 ∶12 ∶4 ∶1071268 ∶3222 ∶56 ∶9 ∶3 ∶107568 ∶3224 ∶60 ∶6 ∶2 ∶87665 ∶3525 ∶49 ∶12 ∶4 ∶1094365 ∶3525 ∶53 ∶9 ∶3 ∶109565 ∶3527 ∶57 ∶6 ∶2 ∶89962 ∶3828 ∶46 ∶12 ∶4 ∶10122462 ∶3828 ∶50 ∶9 ∶3 ∶1012462 ∶3830 ∶54 ∶6 ∶2 ∶812860 ∶4030 ∶44 ∶12 ∶4 ∶10139560 ∶4030 ∶48 ∶9 ∶3 ∶1014160 ∶4032 ∶52 ∶6 ∶2 ∶8146

由拟合图像可知，其拟合的一次函数关系式是Y=-101.568 46X+290.764 39，R2=0.988 7，表明此一次函数具有良好的拟合程度。依据此拟合函数，可推断出固液比在1.5～2.33范围内研制的彩色沥青的25 ℃的针入度大小，也可通过调整固液比得到任意想要的标号的彩色沥青(彩色沥青针入度范围在50～150之内)。为了研制出研究所需的90号彩色沥青，选择了研制彩色沥青原材料的固液比为66 ∶34。

表2 不同固液比研制的彩色沥青的针入度平均值Table 2 The average penetration of colored asphalts devel-oped with different solid-liquid ratios固液比针入度均值(25 ℃)/( 0.1 mm)70∶305768∶327465∶359662∶3812560∶40142

3.2 液相体系中饱和烃A、增塑剂E的掺量对彩色沥青性能影响研究

固定彩色沥青原材料的固液比为66 ∶34，其中，石油树脂B的掺量为54%，共聚物CD掺量为12%(共聚物C、共聚物D统称为共聚物CD，其复配掺量比为3 ∶1)，变换原材料“液体”中饱和烃A与增塑剂E的配比，研究饱和烃A与增塑剂E的配比的变化对彩色沥青性能的影响，试验结果见表3。

a.由表3可知，本研究研制彩色沥青的10 ℃的延度均超过了100 cm，远远高于规范中不小于45 cm的要求，这说明，本研究研制的彩色沥青具有优良的低温性能。

b.由表3可知，随着饱和烃A掺量的增加(增塑剂E掺量的减少，下同)，彩色沥青的针入度变化较小，这说明，饱和烃A与增塑剂E的掺量比变化对彩色沥青的针入度影响很小，也印证了彩色沥青的针入度主要是由固液比决定的。

c.从延度与当量脆点看，本文研制的彩色沥青具有优良的低温性能，饱和烃A与增塑剂E的掺量变化对彩色沥青的粘度、高温性能、温度敏感性、当量软化点、当量脆点影响较小。

表3 饱和烃A与增塑剂E的掺量比对彩色沥青性能的影响Table 3 The effect of the content ratio of saturated hydrocarbon A and plasticizer E on the properties of colored asphalt比例25 ℃针入度/(0.1 mm)10 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃粘度/(MPa·s)针入度指数PI当量软化点T800当量脆点T1.2 24 ∶1088.8≥10059.59850.4250.5-24.626 ∶886.7≥10059.41 0250.4150.4-24.628 ∶689.7≥10058.51 0750.3950.3-24.530 ∶489.3≥10058.91 1050.3650.1-24.4 注: 表中比例一律为饱和烃A与增塑剂E的掺量比。

3.3 固相体系中石油树脂B、共聚物CD掺量对彩色沥青针入度的影响研究

固定彩色沥青组分的固液比为66∶34(其中，饱和烃A的掺量为26%，增塑剂E掺量为8%)，通过变换“固体”中石油树脂B、共聚物CD掺量比，研究石油树脂B、共聚物CD掺量的变化对彩色沥青性能的影响，试验结果见表4。

以石油树脂B掺量为横坐标，分别以彩色沥青的25 ℃针入度、软化点、135 ℃粘度、针入度指数PI当量软化点、当量脆点为纵坐标，绘制折线图，试验结果分析如图4所示。

表4 石油树脂B与共聚物CD掺量比对彩色沥青性能的影响Table 4 The effect of the content ratio of petroleum resin B and copolymer CD on the properties of colored asphalt比例25 ℃针入度/(0.1 mm)10 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃粘度/(MPa·s)针入度指数PI当量软化点T800当量脆点T1.246 ∶2084.3≥10065.62 1500.7754.5-24.650 ∶1687.1≥10061.91 7200.5552.8-23.854 ∶1290.8≥10058.51 0750.3951.6-23.258 ∶894.6≥10055.62820.2850.7-22.9 注: 表中比例一律为石油树脂B与共聚物CD的掺量比。

图4 石油树脂B与共聚物CD掺量对彩色沥青性能影响

a.随着石油树脂B掺量的增加(共聚物CD掺量的减少，下同)，彩色沥青的针入度逐渐增大，但仍然处于80～100的区间内，这说明，石油树脂B掺量的增加对彩色沥青的针入度影响有限，这也印证了彩色沥青的针入度主要是由固液比决定的。

b.从延度与当量脆点看，本文研制的彩色沥青具有优良的低温性能，石油树脂B和共聚物CD掺量的变化对彩色沥青针入度、当量脆点影响较小，而对彩色沥青的粘度、当量软化点和温度敏感性影响显著。

3.4 基于寒冷地区特征的彩色沥青组分配比选择

基于本节的试验研究和试验结果分析可知，彩色沥青材料组分配比中的“固液比”直接决定了彩色沥青的针入度，当“固液比”为66∶34时，彩色沥青的针入度在80～100范围内，满足寒冷地区的沥青标号的需求；液相中饱和烃A与增塑剂E的掺量变化对彩色沥青的粘度、高温性能、温度敏感性影响较小；固相中石油树脂B和共聚物CD掺量的变化对彩色沥青针入度影响较小，而对彩色沥青的高温性能、粘度和温度敏感性影响显著；研制的彩色沥青具有优良的低温性能。结合彩色沥青在寒冷地区的适用性，优先考虑彩色沥青的低温性能指标，与此同时，保证彩色沥青的高温性能满足规范要求，兼顾彩色沥青的施工和易性、温度敏感性和其彩色沥青研制成本控制，最终选择了寒冷地区彩色沥青混凝土路面用彩色沥青组分配比如下：饱和烃A为26%，石油树脂B为54%，共聚物C为9%，共聚物D为3%，增塑剂E为8%。其彩色沥青性能指标如下：25 ℃针入度90.8(0.1 mm)，10 ℃延度≥100 cm，软化点58.5 ℃，135 ℃粘度1 075(mPa·s)，针入度指数PI为0.39，当量软化点T800为51.6，当量脆点T1.2为-23.2。