绿色增塑剂改性沥青研究

2022-11-28胡正新陈维彬袁福根沈菊男

苏州科技大学学报(自然科学版) 2022年4期

胡正新，陈维彬，袁福根*，沈菊男

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011；2.苏州科技大学化学与生命科学学院，江苏苏州 215009）

随着我国交通事业的快速发展，道路建设里程越来越长。道路路面材料广泛使用的是沥青混合料。沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪音低、养护维修简便等优点，但也存在着一些不足，例如沥青材料温度稳定性较差，夏季易软化，冬季易脆裂，特别是低温时沥青材料变脆引起的路面开裂，是造成沥青路面破坏的主要原因[1-4]。

为提高沥青的低温抗开裂性能，传统办法是在沥青中掺加橡胶粉[5]或纤维材料[6]。用丁苯橡胶（SBR）[7]、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）[8]等改性沥青，都可改善沥青的低温性能；在沥青中添加聚酯纤维[9]或玻璃纤维[10]能提高沥青混合料低温抗弯拉强度。但无论在沥青中掺加橡胶粉还是纤维，体系是多相的，不可避免的存在橡胶粉或纤维与沥青的离析问题，对实际施工和道路质量造成不利影响[11-14]。

增塑剂是塑料成型加工领域被广泛使用的助剂，用来改善高分子的热变形能力及低温柔韧性能。邻苯二甲酸酯类是其中的代表。近年来，人们发现增塑剂添加到沥青中，可以改善沥青低温性能，提高其抗开裂能力[15-18]。增塑剂改性沥青，具有改性工艺简单、不存在离析等优点。马峰等发现，邻苯二甲酸二辛酯（DOP）对沥青混合料的高温性能降低较小，低温抗裂性能和粘结性能提升较大，水稳定性能和抗老化性能也有所改善[19]；季节等研究表明，DOP对改善沥青的低温性能有一定作用[20]；何兆益等报道，DOP能够增大Sasobit温拌沥青的拉伸柔度，提高其低温变形能力[21]。但邻苯二甲酸酯类化合物对环境和人体都有一定的损害作用。随着人们环保意识的加强，需要开发绿色生态、环境友好型的增塑剂来替代传统有害增塑剂[22-23]。1，2-环己烷二甲酸酯跟邻苯二甲酸酯分子结构相似（如图1所示），区别仅在于以环己烷取代了苯环。两者在增塑性能上有相似之处，然而生理毒性研究表明，1，2-环己烷二甲酸酯对人体是无害的[24-26]。

图1 两种分子结构对比

傅珍等率先开展了1，2-环己烷二甲酸二异丁酯（DIBCH）对沥青改性研究，发现该增塑剂添加后，沥青的高温抗车辙能力降低[27]，但低温抗开裂性能得到了明显改善[28]。就笔者所知，1，2-环己烷二甲酸酯改性沥青研究至今仅见上述两篇公开报道。1，2-环己烷二甲酸酯是一个大类，酯基结构将对改性沥青性能会产生怎样的影响？为搞清楚这个问题，笔者合成了几种不同结构的1，2-环己烷二甲酸酯，考察了它们改性沥青的性能，最终获得了满意的沥青改性用绿色增塑剂。

1 实验部分

1.1 试剂

实验所用沥青为韩国双龙70号基质沥青，苏州三创路面工程有限公司提供。1，2-环己烷二甲酸二酯，包括1，2-环己烷二甲酸二己酯、1，2-环己烷二甲酸二环己酯、1，2-环己烷二甲酸二（乙二醇乙醚）酯、1，2-环己烷二甲酸二（二乙二醇乙醚）酯和1，2-环己烷二甲酸二（三乙二醇乙醚）酯，由1，2环己二甲酸酐和相应的醇按照文献方法合成[29-30]。

1.2 测试方法

沥青的针入度、软化点、延度、弯曲梁流变仪（BBR）实验测试都按照交通运输部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行。针入度测试在HDLZ-IV型全自动电脑沥青针入度测试仪上25℃时进行。软化点测试在LD-2000型电脑沥青软化点试验器上进行。延度在低温液晶显示延伸度测定仪上测定10℃延度。BBR测试温度为-12℃。

1.3 增塑剂改性沥青过程

在不锈钢烧杯中称取基质沥青300 g左右，然后加入计量的增塑剂，置于120℃烘箱中，待基质沥青熔融后用不锈钢搅棒充分搅拌，得到均匀的改性沥青。

2 结果与讨论

2.1 增塑剂分子设计

为了考察1，2-环己烷二甲酸酯的酯基端链结构对改性沥青性能的影响，设计了5种1，2-环己烷二甲酸酯（如图2所示），其中1，2-环己烷二甲酸二己酯（增塑剂1）端链为直连烷烃，1，2-环己烷二甲酸二环己酯（增塑剂2）端链为环烷烃，1，2-环己烷二甲酸二（乙二醇乙醚）酯（增塑剂3）、1，2-环己烷二甲酸二（二乙二醇乙醚）酯（增塑剂4）和1，2-环己烷二甲酸二（三乙二醇乙醚）酯（增塑剂5）都带有醚链，且醚链长度依次增加，以体现醚链长度的影响。在增塑剂分子中设计引入醚链，也有一种考虑，就是当沥青和集料制备成混合料时，增塑剂可以起到促进沥青和集料结合的作用。因为沥青是非极性物质，集料是极性物质，两者表面能相差大，相互亲和力差，但采用带醚链增塑剂改性沥青后，醚链的弱极性将促进沥青在集料表面润湿，从而提高沥青与集料的结合力。

图2 增塑剂分子结构

2.2 增塑剂对沥青针入度的影响

针入度是反映沥青粘稠度的一个指标。针入度越大，表示沥青稠度越小，沥青越软，越容易变形。在同样添加量为沥青的0.5%时，不同增塑剂对沥青针入度的影响如图3所示。由图3可见，增塑剂加入后，沥青针入度都有所提高。带醚链的增塑剂（3、4、5）改性沥青针入度的提高幅度比不带醚链的增塑剂（1、2）要小一些，说明带醚链增塑剂的加入，对沥青抗变形能力的影响较小。增塑剂3、4、5比较可见，醚链长度对改性沥青针入度影响不大。

图3 增塑剂对沥青针入度的影响

2.3 增塑剂对沥青软化点的影响

软化点是沥青受热发软的温度，反映沥青的耐温性能。软化点越高，沥青耐高温性能越好。在同样添加量为沥青的0.5%时，不同增塑剂对沥青软化点的影响如图4所示。由图4可见，5种增塑剂添加后，沥青软化点都基本不变，这表明这5种增塑剂都不会降低沥青的高温性能。

图4 增塑剂对沥青软化点的影响

2.4 增塑剂对沥青延度的影响

沥青的延性是当其受到外力拉伸作用时，所承受的塑性变形的总能力，用延度来表征。延度越大，表示沥青塑性变形能力越好，低温抗开裂性能也越好。在同样添加量为沥青的0.5%时，不同增塑剂对沥青延度的影响如图5所示。由图5可见，增塑剂添加后，沥青延度都得到了提高。带醚链的增塑剂（3、4、5）对沥青延度提高幅度比不带醚链的增塑剂（1、2）要大很多。增塑剂醚链长度对延度也有很大影响。增塑剂4改性沥青的延度比增塑剂3和5改性沥青延度要大很多，说明醚链存在一个最佳的长度，太长和太短都不好。