不同增塑剂对Sasobit温拌沥青性能的影响

2022-03-24何兆益蒋斌谭洋伟孔林李家琪

应用化工 2022年1期

何兆益，蒋斌，谭洋伟，孔林，李家琪

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

温拌沥青技术能够降低沥青混合料在生产和施工过程中的能源消耗，减少有毒有害气体排放，延长施工季节，并改善施工环境，是目前行业内的研究重点[1-2]。Sasobit作为世界上使用量最大的一种有机降黏温拌剂，主要通过降低沥青高温黏度来降低沥青混合料的拌和温度，同时可以提升沥青高温性能和抗疲劳性能，但当其掺量>2%时，会显著降低沥青低温性能，对路面的使用性能造成不利影响[2-4]。

增塑剂是一种常见的用于改善材料弹性和延展性的塑料助剂，添加到材料中能够使大分子间间距增大，降低分子间的作用力，从而起到增塑效果[5-6]。本文选择三款常见增塑剂分别对Sasobit温拌沥青进行二次改性，研究增塑剂对Sasobit温拌沥青降黏效果以及高低温性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

东海70#沥青(基质沥青)、温拌剂(Sasobit)、增塑剂邻苯二甲酸二辛脂(DOP)、柠檬酸三丁酯(TBC)、马来酸二辛脂(DOM)均为工业品。

布洛克菲尔德黏度计；DHR-2动态剪切流变仪。

1.2 温拌沥青改性

将70#基质沥青加热到150 ℃左右，添加沥青质量3%的Sasobit，在1 000 r/min的转速下剪切 20 min，得到Sasobit温拌沥青。加入沥青质量 2.5% 的增塑剂，在相同剪切速率下剪切20 min，得到增塑剂改性温拌沥青。为方便后续研究，将70#基质沥青记为J，Sasobit温拌沥青记为SA，不同增塑剂改性温拌沥青记为SA+DOP、SA+TBC、SA+DOM。

1.3 性能测试

1.3.1 布氏黏度通过布洛克菲尔德黏度计对不同沥青制样进行布氏黏度实验，选用21号转子，从120～165 ℃，每15 ℃测试1次黏度，每种沥青做2次平行实验，取其平均值作为测定值。

1.3.2 动态剪切流变实验(DSR) 采用动态剪切流变仪对不同沥青试样进行DSR实验，选用直径为25 mm的金属板，板间距1 mm，频率10 rad/s，应变12%，实验温度46，52，58，64，70，76 ℃。

1.3.3 多应力蠕变恢复实验(MSCR) 利用动态剪切流变仪的蠕变模式进行MSCR实验，选择 25 mm 直径金属板，温度控制在64 ℃，板间隙为 1 mm，首先在0.1 kPa应力下以加载1 s卸载9 s为1个周期，循环10个周期后，切换3.2 kPa应力重复上述操作。整个过程采用同一个试件进行实验。

1.3.4 测力延度实验(FDT) 选用普通延度模具，测试温度为10 ℃。实验前先将试样在10 ℃下保温1.5 h，然后采用50 mm/min的速度进行拉伸，直到力为0，或试件被拉断即停止，并记录每个试样的最大峰值力和最大延度值。

2 结果与讨论

2.1 降温效果评价

降低拌和温度一直以来就是温拌沥青技术的主要目标之一，通过测定沥青的高温黏度，可以确定沥青达到拌和黏度所需温度，从而对不同沥青的降温效果进行比较。不同沥青在不同温度下的黏度见图1，采用saal函数lglg(η)=A-Blg(273.13+T)对其进行拟合，其中T为温度，η为T温度下的黏度，A、B为常数，得到不同沥青的黏温方程与降温效果，见表1。

图1 不同沥青黏温曲线

表1 不同沥青的黏温方程以及降温效果

由图1可知，基质沥青和改性沥青的布氏黏度均随着温度的增加而降低，温度>150 ℃时，沥青黏度变化趋于平缓；添加3%Sasobit后，沥青的黏度显著降低，与基质沥青相比，黏度平均下降30%以上；三种增塑剂均能够降低Sasobit温拌沥青的黏度，其中SA+TBC黏度最低，但不同增塑剂改性温拌沥青之间的黏温曲线相差并不明显。我国规范要求，沥青的拌和黏度需控制在0.15～0.19 Pa·s范围内，将其代入黏温方程，即可反算出沥青的拌和温度，由表1可知，基质沥青的拌和温度为157.5～164.2 ℃，Sasobit 温拌沥青较基质沥青温度降低约15 ℃，添加DOP、TBC和DOM后，降低温度分别为约19，20，17 ℃，与Sasobit温拌沥青相比，降温效果分别提升了26.7%，33.3%和13.3%，增塑剂TBC的降黏效果最佳。

2.2 高温性能

2.2.1 DSR 在美国SHRP规范中，常采用DSR实验的相位角(δ)和车辙因子(G*/sinδ)来评价沥青结合料的高温稳定性。其中，相位角反映了沥青弹性成分和黏性成分的比例，其值越大，沥青中黏性成分所占比例就越大；车辙因子表征沥青的抗变形能力，在同一温度下，车辙因子(G*/sinδ)越大，沥青的高温稳定性越好[7]。不同沥青的DSR测试结果见图2。

图2 DSR测试结果

由图2可知，随着Sasobit的加入，基质沥青的相位角明显减小，说明Sasobit会改变沥青组分，使沥青弹性成分增加；而三款增塑剂会使Sasobit温拌沥青的相位角增大，黏性成分增加。随着温度上升，不同沥青的车辙因子均呈下降趋势，温度低于64 ℃时，车辙因子衰减速度较快，当温度>64 ℃时，车辙因子变化趋于平缓。不同温度下，Sasobit温拌沥青的车辙因子均接近基质沥青的2倍，而三款增塑剂的添加，降低了Sasobit温拌沥青的车辙因子，说明三款增塑剂对其高温性能有不利影响，其中，DOM/Sasobit复合改性沥青的车辙因子变化最小，TBC/Sasobit复合改性沥青的车辙因子下降最为明显，其高温流变性能与基质沥青接近。值得注意的是，温度低于52 ℃时，TBC/Sasobit复合改性沥青的车辙因子小于基质沥青，而当温度>52 ℃时，其车辙因子反而大于基质沥青，这是因为增塑剂主要通过增大分子间隙来削弱分子间的范德华力，从而使分子链易于移动，随着温度升高，分子间间距自然增大，增塑剂的改性效果削弱，对Sasobit的结晶作用影响减小，从而导致TBC/Sasobit复合改性沥青的车辙因子大于基质沥青。

2.2.2 MSCR 相关研究表明，软化点、车辙因子等沥青高温指标无法准确评价改性沥青的高温性能，而MSCR实验更能有效表征沥青真实永久变形[8]。因此，本文对不同沥青进行了MSCR实验，得到沥青的不可恢复蠕变柔量(Jnr)和不可恢复蠕变柔量相对差异(Jnr-diff)，其中Jnr反映沥青的抗永久变形能力，在同一温度、同一应力水平下，Jnr值越小，沥青的抗车辙性能越好，而Jnr-diff表征沥青对应力的敏感性，其值越大，对应力越敏感[9]。不同沥青的Jnr和Jnr-diff见图3和图4。

沥青种类

由图3可知，基质沥青的不可恢复蠕变柔量远大于改性沥青，Jnr0.1按由大到小排序为基质沥青>TBC/Sasobit改性沥青>DOP/Sasobit改性沥青>DOM/Sasobit改性沥青>Sasobit温拌沥青，Jnr3.2排序同样如此，说明0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下基质沥青抗永久变形能力最差；Sasobit使基质沥青的不可恢复蠕变柔量降低，高温性能得到提升，而三款增塑剂对Sasobit温拌沥青高温性能均有不利影响，其中TBC影响最大，DOM影响最小；掺入TBC后，Sasobit 温拌沥青的Jnr0.1和Jnr3.2分别由0.48和0.788上升到1.082和1.842，增长了约2.3倍。对比图4不同沥青的Jnr-diff值可以发现，基质沥青的Jnr-diff较小，仅为3.11%，添加Sasobit后，Jnr-diff值突增到64.17%，而不同增塑剂也会使Jnr-diff值上升，说明应力对基质沥青高温性能影响较小，而改性沥青对应力表现得更为敏感。

DSR和MSCR实验结果均表明，在64 ℃下，Sasobit 温拌沥青的高温性能最好，而三款增塑剂虽然会降低Sasobit温拌沥青的高温性能，但降低幅度有限，与基质沥青相比，增塑剂/Sasobit复合改性沥青仍具有良好的高温性能。

2.3 低温性能

近年来，低温延度、低温针入度和玻璃化转变温度等指标能否准确评价沥青低温性能受到质疑[9]。部分学者对测力延度实验展开研究，发现其具有操作方便、制样简单等优点，并且测试得到的拉伸柔度指标具有较大区分度，能够较好地反映改性沥青的低温变形能力[10-11]。因此，本文采用拉伸柔度对不同沥青的低温性能进行评价。拉伸柔度(f)为最大延度与最大力之间的比值，f值越大，沥青的低温变形能力越好。不同沥青的测力延度实验结果见表2。

表2 测力延度实验结果

由表2可知，Sasobit的加入，使沥青的峰值力增大，最大延度值降低，拉伸柔度由2.31 mm/N下降到0.37 mm/N，降低了84%，低温延展能力明显减小，这是因为在低温环境下，Sasobit会与沥青本身存在的蜡分一起结晶析出，形成稳定晶体结构，使沥青变脆变硬[12]。三款增塑剂均能降低Sasobit温拌沥青的峰值力，增大最大延度，使其低温性能得到改善，掺入2.5%DOP、TBC、DOM后，Sasobit拉伸柔度分别提升了4.9，4.3和1.2倍，DOP和TBC的提升幅度最大，其低温性能接近基质沥青，说明DOP和TBC均能极大弥补Sasobit导致的低温性能下降。