路用新型常温改性沥青性能评价体系及其混合料性能研究

李 霖，张 丹，江睿南

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

0 引言

随着节能环保、绿色低碳等理念在道路领域的推广，常温改性沥青混合料凭借其能耗低、致癌烟尘污染低、储存时间长及施工便捷等技术优势，越来越受到青睐[1-8]。Sol-Sánchez 等[9]研究了温拌沥青的开裂寿命，得出温拌沥青与热拌沥青在微观和宏观裂化发展方面具有相似的抗裂性能。Sebaaly 等[10]分析了常温改性沥青的抗水损害性能、抗车辙性能、疲劳开裂和热开裂性能，认为常温改性沥青混合料与热拌沥青混合料性能相似。Kim 等[11]基于间接拉伸试验和车辙试验，研究发现温拌沥青混合料的高温抗车辙性能低于热拌沥青混合料，但表现出良好的抗拉伸性能。张冰清[12]通过研究常温拌和沥青混合料薄层路面技术的应用，认为常温拌和沥青混合料具有较好的路用性能。佟禹等[13]制备了一种常温沥青并对其沥青混合料的性能进行研究，得出当加热温度不高于188 ℃时，常温沥青热稳定性良好，其混合料各项路用性能均能达到热拌沥青混合料性能要求。余胜军[14]通过分析常温拌和沥青性能得出，ACMP-2 混合料具有良好的高温稳定性。罗浩原等[15]基于稳定度试验、残留稳定度试验、低温弯曲破坏应变测试，认为常温改性剂对于沥青混合料的低温抗裂性有良好的改善作用，但对其强度、高温抗车辙性能、水稳定性均存在劣化作用。综上可知，目前有关常温改性沥青的研究主要集中在混合料路用性能方面，但对于常温改性沥青的高温稳定性、水稳定性等路用性能并没有达成共识，并且鲜有关于常温改性剂及常温改性沥青混合料组成设计的研究，常温改性沥青性能评价体系也尚不明确，仍需进一步探讨。

废旧轮胎内含有大量的甲苯基乙烯类嵌段共聚物，能显著提高沥青的低温变形延展性能[16-17]。鉴于此，以橡胶烃油为基体制备常温改性剂，采用差示扫描量热法、红外光谱仪以及离析试验，系统评价其微观性能及其与沥青的相容性。在此基础上，利用常温改性剂对基质沥青进行改性，制备常温改性沥青，明确常温改性沥青性能评价体系，全面评价常温改性沥青混合料路用性能并总结其强度增长规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

原材料主要包括基质沥青、常温改性剂、集料等。基质沥青选用90#基质沥青，常温改性剂以废旧轮胎、塑料炼制的橡胶烃油为基体，橡胶烃油约占改性剂质量的80%，其他辅助化工原材料占改性剂质量的20%；粗集料选用玄武岩，细集料与矿粉选用石灰岩。原材料的技术指标见表1、表2。

表1 基质沥青技术指标

表2 常温沥青改性剂技术指标

1.2 常温改性沥青的制备

常温改性沥青制备过程一般包括裂解、降压分离、制备稀释剂、制备高分子树脂改性剂、改性和调配6个步骤。

（1）裂解：分别将松焦油、热稳定剂（将高酸价植物油与硫磺按质量比49∶1放入硫化锅内，升温至200℃进行硫化制得的硫化植物油）、废旧橡胶按质量比5～7∶1～2∶90～100 放入卧式旋转裂解器内，升温至345～365℃后停止加热。

（2）降压分离：待卧式旋转裂解器内温度降至320℃后，恒温2h，然后自然冷却，并将蒸发的气体通入降压包中进行降压分离，其中气体部分向上进入冷凝系统形成冷凝液，液体部分作为重组分。

（3）制备稀释剂：将步骤（2）中得到的冷凝液中的水与高聚物分离，将得到的高聚物作为稀释剂。

（4）制备高分子树脂改性剂：向步骤（2）中得到的重组分液体中加入质量为其自身质量3%的分散剂W33 和1.5%的促进剂CBS，搅拌均匀得到高分子树脂改性剂。

（5）改性：将130～150℃的基质沥青放入酯化反应釜中，然后分别加入质量为基质沥青质量5‰的高分子树脂改性剂和5.5%的10#沥青，搅拌30min。

（6）调配：待酯化反应釜内温度降至80～90℃时，加入质量为基质沥青质量5‰的环氧树脂E-44 和1.5‰的固化剂T-31，搅拌30min，待温度降至60～70℃时加入质量为基质沥青质量10%～30%的稀释剂，搅拌15min，制得常温改性沥青。

2 常温改性剂性能试验

常温改性剂材料的微观结构表征能够体现其宏观性能机理。常温改性剂与沥青的相容性是决定其改性效果和常温改性沥青制备工艺的关键因素。因此，开展常温改性剂微观性能以及其与沥青相容性的研究尤为重要。

2.1 常温改性剂微观表征

为探究常温改性剂微观结构表征，采用差示扫描量热法测量样品的熔点以及熔融范围，升温速率为10℃/min；采用红外光谱仪，研究样品分子的结构，鉴别其化学组成。试验结果显示：随着温度的升高，样品开始熔化，吸热（或放热）峰逐渐产生。常温改性剂起始熔点较高，初始吸热温度为57.5℃，而且几个峰之间距离较近，形状也较为明显，这表明材料的纯度较高，且小分子物质的含量较低。

常温改性剂红外光谱图如图1所示。

图1 常温改性剂红外光谱图

分析图1 可知，常温改性剂的红外光谱图在y轴有3 个峰值，分别为：吸收波长在2917～2949cm-1附近的—CH2—（弯曲和伸缩振动），吸收波长在1462～1472cm-1附近的—CH2—（剪式振动），吸收波长在719～729cm-1附近的CH2面外摇摆，3个主峰都是CH 振动，未观察到C—C振动，符合饱和直链烷烃的主要振动特征，表明常温改性剂的主要成分为饱和直链烷烃。

吸收波长在3 603cm-1附近的为游离O—H 伸缩，在3 439cm-1附近的为缔合O—H伸缩振动，在2 635cm-1附近的为—SH伸缩。吸收波长在2328cm-1附近的为—C≡≡≡C—或—C≡≡≡N—，在1 738cm-1附近的为＞C==O，在1 641cm-1附近的为C==C，在1 377cm-1附近的为—CH(CH3)2和—C(CH3)3。这些小的吸收峰表明常温改性剂中含有少量不饱和双键，以及少量的醇、酚、醚类物质。

综上可知，常温改性剂起始熔点较高，小分子物质含量较低，材料纯度较高，主要成分为饱和直链烷烃，另外还含有少量的不饱和双键以及醇、酚、醚类物质。

2.2 常温改性剂与沥青的相容性

为了解常温改性剂与沥青的相容性，通过离析试验，详细观察了常温改性沥青在停止搅拌、冷却后的离析情况。试验结果详见表3。

表3 常温改性沥青离析情况

由表3 可知，常温改性沥青在试验过程中混合均匀，无结皮和沉淀，表明常温改性剂与基质沥青的相容性较好，无离析现象。

3 常温改性沥青性能评价

常温改性沥青在常温密闭存储条件下呈糊状，类似润滑油状，在常温条件下具有一定的流动性，经过一定时间的挥发固化后，与聚合物改性沥青性能相当。现行规范和标准中尚未有针对该类材料的性能评价体系。鉴于此，先采用道路石油沥青与液体石油沥青材料的性能评价体系对该类材料的性能进行初步评价，然后根据其挥发性溶剂的技术特点，提出适用于常温改性沥青的性能评价体系。

3.1 基于道路石油沥青的性能评价体系

为科学评价常温改性沥青的性能，先采用道路石油沥青材料性能评价体系对常温改性沥青的性能进行初步评价，结果如表4所示。

表4 常温改性沥青技术指标性能初评（道路石油沥青性能评价体系）

分析表4 可知，采用道路石油沥青性能评价体系进行常温改性沥青材料性能评价时，针入度超出仪器设备量程，软化点为5℃，延度为0cm。并且，除溶解度、储存稳定性等技术指标满足现行规范要求外，其余技术指标均不满足要求。因此，常温改性沥青性能评价不宜采用道路石油沥青性能评价体系。

3.2 基于液体石油沥青的性能评价体系

为进一步明确常温改性沥青性能评价体系，采用液体石油沥青性能评价体系进行常温改性沥青性能评价，结果如表5所示。

表5 常温改性沥青技术指标初评（液体石油沥青性能评价体系）

分析表5 可知，采用液体石油沥青性能评价体系进行常温改性沥青性能评价时，除黏度（C25.5）不满足现行规范要求外，其余技术指标均满足规范要求。常温改性沥青由于掺配溶剂比例的不同，蒸发时间有所差别，因此，应根据掺配的挥发性溶剂的质量比例控制蒸发质量损失时间，并建议待挥发性溶剂全部挥发后进行相关技术指标的检测。通常，该类产品的溶剂质量掺配比例在内掺15%左右，常温通风条件下挥发14～28d 或135℃条件下通风加热蒸发6～24h，其质量损失可达到12%以上，即可进行相关技术指标检测。一般不推荐采用加热蒸发法，因为从后续的实体工程应用中发现，高于100℃时，常温改性沥青中的部分物质发生变化，针入度、延度及闪点等技术指标的变异性较大，影响该试验方法的可靠度。

3.3 常温改性沥青性能评价体系

为更加科学合理地评价常温改性沥青的性能，根据气候类型及交通量大小，并综合考虑道路石油沥青评价体系与液体石油沥青评价体系下常温改性沥青的性能评价结果，将常温改性沥青按照适用区域分为以下3 种类型，其技术指标要求如表6所示。

A型：适用于寒温带至中温带区域。

B型：适用于中温带至暖温带区域。

C型：适用于暖温带至亚热带及热带区域。

表6 常温改性沥青技术指标要求

4 常温改性沥青混合料配合比优化及性能评价

常温改性沥青混合料的强度完全形成需耗时半个月，在强度形成初期，主要靠矿料间的嵌挤能力提供初期强度。因此，其矿料级配与最佳油石比是决定其路用性能及强度增长规律的关键因素。

4.1 常温改性沥青混合料级配设计

集料配合比设计采用SAC 断级配设计法，级配设计过程中严格控制合成级配最大公称粒径、4.75mm和0.075mm这3个筛孔的通过率，采用幂函数数学模型构建粗细集料级配曲线。幂函数模型为：

式（1）中：y为各粒径的通过率（%）；x为各粒径的孔径（mm）；a,b为级配曲线系数。

式（1）中的两个待定参数a和b的确定方法如下：根据4.75mm,0.075mm 筛孔通过率计算细集料级配曲线的系数a,b；根据最大公称粒径、4.75mm 筛孔通过率计算粗集料级配曲线的系数a,b。

采用幂函数构建的常温改性沥青混合料各筛孔通过率如表7所示。

表7 常温改性沥青混合料各筛孔通过率

4.2 基于矿料最紧密状态的最佳油石比确定

对于任何一种矿料级配，在某一固定的压实状态下，随着沥青的掺入，由于沥青的润滑和填充作用，使得混合料的框架结构越来越紧密。当沥青掺量达到一定程度时，混合料中自由沥青增加，导致混合料的框架结构逐渐被撑开。其中，混合料框架结构被撑开前的状态称为最紧密状态，此时对应的油石比为混合料最紧密状态下的最佳油石比。采用旋转压实试验，测定矿料最紧密状态下的最佳油石比，常温旋转压实100 次，试验结果如表8所示。

表8 SAC-10-35常温改性沥青混合料旋转压实试验结果

由表8 可知，随着油石比的增大，沥青混合料的最大干密度呈先增大后减小的趋势。因此，可以采用二次曲线模型回归分析沥青混合料的最大干密度随油石比变化的规律，并根据二次曲线的极值特性确定混合料的最佳油石比，结果详见图2。

图2 油石比与干密度关系曲线

采用旋转压实法成型试件，很容易得到油石比与干密度（矿料最紧密状态）的关系曲线。由图2 中的二次抛物线系数可以计算得出最大干密度对应的油石比为5.4%。因此，上述矿料级配对应的最佳油石比为5.4%，此时对应的空隙率为0.9%。

4.3 常温改性沥青混合料路用性能及强度增长规律

基于前文确定的混合料组成设计方法设计常温改性沥青混合料，全面分析其高温性能、水稳定性以及强度变化规律。

（1）高温性能

沥青混合料应具有良好的高温稳定性能，以保证材料自身的结构强度。为研究不同温度与养生时间下常温改性沥青混合料的高温性能，采用车辙试验分别测试试件养生7d 和15d 时沥青混合料的高温性能，试验结果如表9所示。

表9 常温改性沥青混合料车辙试验结果

由表9 可知，养生7d 后，当试验温度为60℃时，沥青混合料的相对变形较大，超出车辙试验设备测试量程，温度降至50 ℃和40 ℃时，动稳定度可以测量，但相对变形较大，均超出《公路沥青路面设计规范》（JTG 050—2017）的要求，表明常温改性沥青混合料的高温性能有待进一步提高。但养生15d 后，当试验温度为60℃时，沥青混合料的动稳定度达1 403次/mm以上，车辙试验结果满足规范要求。由于本次试验选用的最大公称粒径为9.5mm，当选用最大公称粒径为16mm 时，车辙试验结果的动稳定度会有所提高，混合料的高温稳定性能明显增强。

（2）水稳定性

路面投入使用后，将长期受到雨水等自然环境因素的影响。因此，常温改性沥青混合料应具有良好的水稳定性。本研究采用残留稳定度试验与冻融劈裂试验评价常温改性沥青混合料的水稳定性能，试验结果如表10、表11所示。

表10 常温改性沥青混合料残留稳定度试验结果

表11 常温改性沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表10、表11可知，常温改性沥青混合料的水稳定性满足《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）的要求，但推荐采用旋转压实法成型，保证其矿料达到最紧密状态。

（3）强度变化规律

常温改性沥青混合料经过一定时间的挥发固化后，强度逐渐形成，与聚合物改性沥青混合料性能相当。为研究其强度变化规律，确定该类材料适宜的性能检测时间，采用旋转压实法成型圆柱体试件，常温养护一定龄期，考察养护时间对常温改性沥青混合料强度的影响，试验结果如表12和图3所示。

表12 常温改性沥青混合料单轴抗压强度试验结果

图3 常温改性沥青混合料单轴抗压强度与龄期关系曲线

分析表12 和图3 可知，随着养护龄期的增长，常温改性沥青混合料的抗压强度呈先增大后减小的趋势；当养护龄期为14d 时，常温改性沥青混合料的单轴抗压强度达到峰值，为13.23MPa。因此，对该类材料进行性能检测试验时，其养护龄期应大于14d。

5 结语

本文以橡胶烃油为基体制备了常温改性剂，系统评价了常温改性剂的微观性能及其与沥青的相容性，明确了常温改性沥青性能评价体系及其混合料组成设计方法，全面研究了常温改性沥青混合料的高温性能、水稳定性等路用性能及强度增长规律，得出以下结论：

（1）常温改性剂的纯度较高，无低熔点的小分子物质，主要成分为饱和直链烷烃，含有少量的不饱和双键以及醇、酚、醚类物质，且其与基质沥青的相容性较好；

（2）常温改性沥青的性能评价不宜采用道路石油沥青与液体石油沥青的性能评价体系，因此根据气候类型及交通量大小，将常温改性沥青分为A、B、C 3 种类型，提出适用于常温改性沥青的性能评价体系；

（3）常温改性沥青混合料应采用幂函数构建骨架矿料级配，以矿料最紧密状态确定最佳油石比，其高温性能有待进一步提升；但常温养生15d 的高温性能可满足现行规范要求；常温改性沥青混合料的水稳定性亦满足现行规范要求；

（4）随着养护龄期的增长，常温改性沥青混合料的抗压强度呈先增大后减小的趋势，养护龄期为14d 时，其抗压强度达到峰值，为13.23MPa。因此，进行该类材料的性能检测试验时，其养护龄期应大于14d。

但本文只提出了常温改性沥青性能评价体系，对于常温改性沥青混合料的性能评价体系未作深入探讨，后续可建立针对常温改性沥青混合料的性能评价体系。此外，本文只基于室内试验对常温改性沥青混合料的性能进行评价，后续可结合实际应用情况进一步完善对常温改性沥青混合料的性能评价。