ATBC增塑剂对沥青及沥青混合料性能影响*

2021-11-13侯英杰刘松然杨希旺

功能材料 2021年10期

马峰，侯英杰，傅珍,刘松然，杨希旺

(1. 长安大学公路学院，西安 710064； 2. 长安大学材料学院，西安 710064)

0 引言

增塑剂常应用于塑料制品或树脂中，用来提高其可加工性、柔韧性、塑性和可拉伸性能[1-2]。从微观上来看，因为增塑剂的加入使分子间的范德华力减小，从而增加分子间的移动性，进而降低了分子链的结晶性，同时增强其柔韧性[3-5]。因增塑剂有多种优异性能，近年来多被广泛应用于塑料制品中。借鉴增塑剂在塑料工业中的成功应用，国内申万青[6-7]、孔志峰[8]、杨希旺等[3]尝试在沥青中加入增塑剂进行改性，发现增塑剂可以使沥青混合料的低温性能得到明显改善。然而以邻苯二甲酸二辛酯(DOP)为代表的邻苯二甲酸酯类增塑剂存在有毒致癌，难以降解等[9,10]缺点，在许多国家中被限制使用。与传统增塑剂相比，乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)具有毒性弱[11]，对环境负面影响小[12-13]等特点。此外，ATBC增塑剂可以提高材料的柔韧性和伸长率[14-15]，而且高低温性能良好[16]。因为ATBC增塑剂拥有以上优势，且其优点契合实际工程中对于沥青改性剂的需求[17-18]，故本文采用乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)作为沥青改性剂。

本研究对不同掺量ATBC增塑剂改性后的沥青及沥青混合料进行相关试验，探究ATBC增塑剂对沥青及沥青混合料性能的影响，为增塑剂改性沥青的研究提供一定参考。

1 试验材料及方案

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

本研究采用的3种基质沥青分别为：中海90#、SK90#、SK70#，沥青技术指标如表1所示。

表1 3种基质沥青指标Table 1 Index of three kinds of base asphalt

1.1.2 集料级配

在本研究中，粗骨料为石灰岩砾石。细骨料为石灰石机制砂，含泥量为0.5%，其中砂的平均硒当量为70%。矿粉是细度大于96%的石灰石。沥青混合料的级配类型为AC-13型，级配范围为中值。

1.1.3 ATBC增塑剂

本试验采用ATBC增塑剂，其技术指标如表2所示。

表2 ATBC增塑剂技术指标Table 2 Technical index of ATBC plasticizer

1.2 试验方案

制备改性沥青：首先将3种基质沥青放置于140 ℃的烘箱中加热1.5h至流动状态，用电子秤称取500g沥青于缸中，相关文献[19-20]指出ATBC增塑剂在改性沥青中的适宜掺量为2%到3%，同时考虑到经济性，本研究选择加入2%、2.5%、3%、3.5%掺量的ATBC增塑剂，之后用剪切机剪切10 min，整个过程中控制温度在130 ℃左右，得到4种掺量的改性沥青。对制备的改性沥青进行延度试验、脆点试验、软化点试验及针入度试验，通过比较添加ATBC增塑剂前后沥青性能指标的变化，研究沥青高低温性能和感温性能因不同ATBC掺量产生的区别。

制备沥青混合料：先将拌和锅设置到150 ℃进行预热，依次放入粗细集料、改性沥青和矿粉，拌和1.5 min。将拌和好的沥青混合料分别制成马歇尔试件、车辙板试件和棱柱体小梁试件。对制备的沥青混合料试件分别进行浸水马歇尔试验、高温车辙试验、低温小梁弯曲试验等试验并根据结果对沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性和水稳定性能进行分析，探究ATBC增塑剂对沥青混合料路用性能的影响规律。

2 ATBC增塑剂对沥青性能的影响

2.1 低温性能

为研究增塑剂对基质沥青低温性能的影响，将ATBC增塑剂按照0%、2%、2.5%、3%、3.5%的掺量分别加入到SK70#、SK90#、中海90#沥青中，对得到的改性沥青进行5 ℃和10 ℃延度试验和脆点试验分析。

2.1.1 延度

SK70#、SK90#、中海90# 3种基质沥青在4种掺量下5 ℃延度如图1所示。

图1 3种沥青结合料5 ℃延度Fig 1 5 ℃ ductility of asphalt binder

由图1可以看出，掺入ATBC增塑剂后，3种沥青5 ℃时的延度均有明显提升，延度的上升与掺量的增加呈正相关性。不同种类沥青受到ATBC增塑剂的影响程度并不相同。3种基质沥青(SK70#、SK90#、中海90#)5 ℃时延度分别为4.7、5.6和5.5 cm，添加3.5%ATBC增塑剂后，延度分别增加到69、77.61和81.4 cm，增长率分别为1 368.08%、1 285.89%、1 371.69%。表明ATBC增塑剂可以提高沥青的延度，进而表现为沥青低温时的拉伸性能增加。这是因为添加ATBC会导致基质沥青四组分中的重组分沥青质和胶质含量占比减少，相反轻组分芳香分和饱和分含量占比增大，使分子间范德华力减小，从而增加分子流动性，进而降低了分子链的结晶性，同时增强其柔韧性。

3种基质沥青在2%ATBC掺量下10 ℃时延度大小如表3所示。

表3 3种沥青结合料10 ℃延度Table 3 10 ℃ ductility of asphalt binder

由表3可见，10 ℃下，3种基质沥青在2%掺量ATBC增塑剂时，其延度都大于150 cm，因试验设备最大伸展尺寸所限，无法测出其最终延度，同时有关文献指出，沥青延度大于150 cm的数据意义已不大，故对其不再进行分析，但从表3可以得出ATBC增塑剂对3种沥青的10 ℃延度改善效果十分显著。

2.1.2 当量脆点

SK70#、SK90#、中海90# 3种基质沥青在4种掺量下的当量脆点如图2所示。

图2 沥青结合料当量脆点Fig 2 Equivalent brittle point of asphalt binder

由图2可以看出，3种沥青在加入ATBC增塑剂后，其当量脆性点均开始下降，且随着掺量的增大而进一步减小。添加3.5%ATBC增塑剂后，SK70#基质沥青的当量脆性点达到-23.88 ℃，降低了132%，SK90#基质沥青的当量脆性点达到-23.44 ℃，下降了89.36%，中海90#基质沥青的当量脆性点达到-26.16 ℃，降低了63.96%。3种沥青结合料脆点温度受ATBC增塑剂影响不全相同，其中中海90#在加入ATBC增塑剂后效果最好。脆点降低表示沥青材料出现断裂时的温度越低，即沥青的低温性能越好。结合延度试验和当量脆点试验可知，ATBC增塑剂能够明显提升沥青结合料的低温性能。

2.2 高温性能

本研究中改性前后沥青结合料的高温性能选用实测软化点和当量软化点进行评价。图3是SK70#、SK90#、中海90# 3种基质沥青在4种掺量下实测软化点和当量软化点的变化情况。

图3 沥青结合料的实测软化点和当量软化点Fig 3 Measured softening point and equivalent softening point of asphalt binder

由图3(a)可知，添加ATBC增塑剂后，3种沥青的实测软化点均有所下降，且随着ATBC含量的增加，软化点不断下降，其中SK90#沥青的实测软化点下降最明显。添加3.5%ATBC增塑剂后，测得的软化点降低了18.56%。图3(b)中当量软化点与ATBC含量的变化关系成反比，这与实测软化点的趋势相同。实测软化点和当量软化点有较大差异是因为国产沥青的含蜡量普遍较高，在测量当量软化点时除去了蜡含量的影响。当添加3.5%ATBC时，当量软化点下降幅度最大，达到15.50%。可以看出ATBC增塑剂会对沥青结合料的高温性能造成较大损失。

2.3 感温性能

为研究增塑剂对基质沥青感温性能的影响，在中海90#，SK90#、SK70#基质沥青结合料中分别加入4种不同掺量的ATBC增塑剂，进行针入度试验和沥青旋转黏度试验(布洛克菲尔德黏度计法)得到针入度指数PI和粘温指数VTS，对比加入ATBC增塑剂前后两个指标的变化，分析感温性能。

2.3.1 针入度指数PI

一定范围内，针入度指数PI值越大，沥青的感温性能越好。在中国的相关规范中，该范围要求在-1.5和1.0之间。AlgPen表示感温系数，其是线性拟合回归方程的系数b，AlgPen数值越小，代表沥青性能越好。本研究根据线性拟合出的相关系数R2均大于0.997。不同掺量ATBC增塑剂对3种沥青针入度指数PI的影响结果如图4所示。

从图4可知，3种沥青的针入度指数PI随ATBC增塑剂掺量的增加而增大，同时AlgPen数值却伴随掺量的增加而减小。SK70#基质沥青针入度指数PI为-1.10，AlgPen数值为0.0474，加入3.5%ATBC增塑剂后，分别提升86.4%和13.7%；SK90#基质沥青针入度指数PI为-1.12，AlgPen数值为0.0476，掺入3.5%ATBC增塑剂后，分别提升73.6%和12.2%；中海90#基质沥青针入度指数PI为-0.53，AlgPen数值为0.043，加入3.5%ATBC增塑剂后，分别提升69.8%和5.3%。沥青PI值由-1向0靠拢，表示ATBC的加入会使沥青的胶体结构从溶-凝胶型向凝胶型发展，导致沥青的温度敏感性降低，进而使其在低温环境下的抗裂性能得到一定的提升。

图4 针入度指数PI和AlgPen系数Fig 4 Penetration index PI and AlgPen coefficients

2.3.2 粘温指数VTS

沥青在测试温度范围内的温度敏感性可以通过粘温曲线的斜率m来表征。一般来说，沥青的感温性能与粘温曲线的斜率m的大小成反比，m值越小沥青的感温性能越好，反之则越差。粘温指数VTS与沥青的感温性能关系恰相反，VTS越大，沥青的感温性能越差。本研究粘温指数VTS的试验温度为T1=60 ℃，T2=175 ℃。图5是3种不同沥青结合料加入不同掺量ATBC后粘温指数VTS的变化情况。

由图5可以发现，添加ATBC增塑剂后，3种沥青结合料的粘温指数VTS均有不同程度的上升。表明ATBC增塑剂可以降低沥青的温度敏感性，当ATBC掺量逐渐增加，沥青的温度敏感性持续降低，这一表现有利于沥青路面的拌合施工。因为粘温指数VTS上升幅度并不大，最大增幅只有3.99%，所以实际效果可能并不明显。

图5 沥青结合料粘温指数VTSFig 5 Viscosity temperature index VTS of asphalt binder

3 ATBC增塑剂对沥青混合料性能的影响

由上文可知，ATBC增塑剂对中海90#沥青的改善效果最为明显，故选用中海90#沥青制备沥青混合料试件，并通过低温弯曲试验、车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究路用性能的变化。

3.1 低温抗裂性能

制备ATBC增塑剂掺量为0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#沥青混合料进行小梁低温弯曲试验，通过最大弯拉应变和抗弯拉强度两个指标来评价沥青混合料低温性能，结果如图6所示。

从图6(a)中可以看出，在加入ATBC增塑剂后，中海90#沥青混合料的最大弯拉应变呈提高趋势，且随掺量的增加而增大，当增塑剂含量为3.5%时，最大应变在基质沥青的基础上增幅达13.7%。从图6(b)可知，掺入ATBC增塑剂后，中海90#沥青混合料的抗弯拉强度逐渐增加，表明ATBC增塑剂可以提高沥青混合料的低温性能。同时掺量越多，抗弯拉强度也越大，3.5%掺量混合料的抗弯拉强度与原混合料相比，提高了9.6%，考虑到经济性的因素，本研究只做到3.5%ATBC掺量。由图6可知，增塑剂掺量的不同对沥青混合料影响效果不同，两者呈正相关，掺量越多，低温抗裂性能就越好。考虑到沥青试验中，在基质沥青中加入ATBC增塑剂后，沥青的当量脆性点和低温延度均有所提高，从而提高沥青混合料骨料与沥青界面之间的粘结力，综上ATBC增塑剂的加入可以改善沥青混合料的低温抗裂性能。

图6 不同掺量下低温性能指标变化Fig 6 Variation of low temperature performance index with different content

3.2 高温稳定性能

制备ATBC增塑剂掺量为0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#混合料进行车辙试验分析。通过动稳定度评价沥青混合料高温性能，试验结果如图7所示。

由图7(a)可知，中海90#沥青混合料45 min和60 min累计车辙深度大小与ATBC增塑剂的掺量成正相关，其中45 min的累计车辙深度增幅更加明显。

与之相反，图7(b)中动稳定度的变化与ATBC增塑剂的掺量成反比，中海90#沥青混合料中增塑剂掺量越大，动稳定度越小。与基质沥青混合料相比，掺量3.5%ATBC沥青混合料的动稳定度下降了37.07%，对于混合料的高温稳定性能影响较大。沥青混合料动稳定度的下降与沥青试验中软化点和当量软化点的下降有一定相同性。综上所述，ATBC增塑剂的添加对沥青混合料的高温性能造成了较大的不利影响。

图7 沥青混合料累积变形和动稳定度Fig 7 Cumulative deformation and dynamic stability of asphalt mixture

3.3 水稳定性

制备ATBC掺量为0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果见图8。

由图8可知，随着ATBC增塑剂的加入，沥青的残余稳定度和冻融劈裂强度比有一定程度的提高。3.5%ATBC掺量的混合料残余稳定度与基质沥青混合料相比提升了5.84%。相对于残余稳定度，混合料加入ATBC增塑剂后的冻融劈裂强度比提升比较显著，线性增长关系也更清楚。基质沥青混合料的冻融劈裂强度比只有72.55%，ATBC增塑剂掺量2.5%时，增长了1.8%，掺量3.5%时，达到8.58%。这可能是因为ATBC增塑剂在沥青结合料和集料表面之间起到桥梁作用，促进附着力，抵抗水的作用。这通常是因为ATBC分子具有极化的末端，其电荷吸引另一种材料的相反电荷，使其能够沥青结合到骨料表面，并与沥青粘合剂相容。可以看出，ATBC增塑剂对于沥青混合料的水稳定性有较好的改善效果。