温拌高黏改性沥青的流变及润湿特性

2022-12-26张永选刘凯

山东建筑大学学报 2022年6期

张永选刘凯

(1.山东高速烟台发展有限公司，山东烟台 264003；2.山东高速工程检测有限公司，山东济南 250002)

0 引言

高黏改性沥青作为一种黏、韧性良好的胶结材料，广泛应用于桥面铺装、排水路面、超薄磨耗层等重要工程领域[1-3]。因此，通常要求高黏改性沥青具有较好的抗剪能力、与集料良好的黏结与裹覆效果[4-6]，而表征其高温抗剪和黏结性的关键指标就是黏度。高黏沥青是指60 ℃动力黏度≥20 000 Pa·s的沥青胶结料[7]。为提高沥青60 ℃动力黏度，常用的手段是添加＞6%的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene Butadiene Styrene block polymer，SBS)，或通过SBS 与成品高黏改性剂复合，或者SBS 与多种聚合物复合改性等，如添加树脂、多聚磷酸、橡胶粉等。目前，成熟的高黏技术主要基于高掺量SBS，或采用成品高黏改性剂与SBS 复合。然而，现有高黏技术混合料拌合、碾压温度过高，施工和易性不佳，其混合料难以有效压实，而温拌被认为是最有效的解决方案[8-9]。

学者们采用多种手段实现高黏改性沥青的温拌。时敬涛等[10]通过温拌沥青改性剂(Sasobit)制备高黏沥青，研究发现随着Sasobit 掺量的增加，高黏沥青在135 和180 ℃条件下布氏黏度显著降低，但Sasobit 掺量过高影响了沥青的低温抗裂性。陈颖川等[11]验证了不同掺量下Sasobit 温拌剂对高黏沥青性能的影响，研究表明Sasobit 提高了沥青软化点、高温黏度，降低了其针入度及低温延度，而Sasobit 掺量达2.5%时为最佳，其降温幅度则达10 ℃。ZHAO 等[12]通过咪唑啉类表面活性剂(Imidazoline，IMDL)实现温拌，其研究指出IMDL 可有效降低沥青在集料表面的接触角，沥青更容易在集料表面扩散，显著降低沥青混合料拌合温度。苏卫国等[13]对成品高黏沥青分别采用3 种温拌技术，发现表面活性剂类EC120 温拌剂对成品高黏沥青的降温幅度可达30 ℃。丁鹏等[14]研究得到，Sasobit＋聚乙烯蜡的掺入可显著改善成品高黏沥青的高温性能，但会削弱成品高黏沥青的低温性能和抗疲劳性能。宋云连等[15]指出基于表面活性剂平台的Evotherm 温拌剂能够改善SBS 改性沥青的低温性能，沥青的高温性能下降不明显。王丽君[16]考察了温拌剂对沥青常规性能的影响，并针对温拌沥青的流变性能、界面作用方面开展了研究，表明温拌剂可降低沥青在高温环境下抵抗变形的能力，且改性沥青受温拌剂掺量的影响更大。综上所述，基于表面活性剂的温拌技术对高黏沥青生产最简单、性能损伤最小，降温幅度最大，是目前工程中最受关注的温拌技术。现有表面活性剂类温拌高黏的主要问题是高温性能略有衰减，60 ℃黏度随加热次数的增加而显著衰减，影响了其增黏、增韧的效果，且现有研究对高黏沥青在集料表面的铺展润湿规律不明确，无法从沥青角度有效评估其温拌效果。

鉴于此，文章选择常用的成品高黏改性剂(Tafpack-Super，TPS)和自主研发的油溶性温拌剂(CNS-T)为研究对象，探讨添加温拌剂前、后高黏改性沥青(Tafpack-Super-High Viscosity Modified Asphalt，TPS-HVMA)和温拌高黏改性沥青(Tafpack-Super-Warm Mix High Viscosity Modified Asphalt，TPS-WHVMA)的常规性质、流变性质及温拌效果的变化，以常规指标评估添加温拌剂前、后高黏沥青传统指标变化，以60 ℃黏度随加热次数变化评估黏度稳定性；以车辙因子、恢复率、不可恢复柔量及劲度模量等关键流变指标评估添加温拌剂前、后高黏改性沥青的流变性能变化，以接触角评估添加温拌剂前、后高黏沥青对集料表面润湿铺展特性变化，间接评估其温拌效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

基质沥青选用齐鲁70＃道路石油沥青，以独山子石化生产的线型SBS(T6302)为改性剂，高黏剂选用交通运输部公路科学研究院提供的一种高黏度的沥青改性剂TPS，属于热塑性橡胶类改性剂，外观为长度＜5 mm 的棕黄色圆柱颗粒；温拌剂选用自主研发的油溶性温拌剂CNS-T，其以酰胺类和醚类表面活性剂为原料复配而成，而稳定剂选用硫黄。其中，SBS(T6302)外观为白色疏松柱状，其相对密度为0.93，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段比为2∶8。基质沥青的技术指标满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[17]的要求，其常规技术指标见表1。

表1 基质沥青关键技术指标表

1.2 高黏改性沥青的制备

高黏改性沥青制备流程为:称取一定量基质沥青倒入圆筒容器中，加热至175 ℃，缓慢加入SBS(基质沥青质量的4%)和TPS(基质沥青质量的8%)改性剂，调节高速剪切机转速至4 000 r/min，保温剪切1.5 h 至沥青中无明显颗粒，随后加入硫黄稳定剂，置于搅拌机下，175 ℃恒温发育1.5 h，制得TPS-HVMA。随后加入一定质量的CNS-T 温拌剂，控温在170 ～175 ℃，继续搅拌0.5 h，获得TPSWHVMA。

1.3 试验方案

以TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 为试验样品，分析其常规指标、流变性能以及润湿特性。高黏改性沥青常规指标(针入度、软化点、延度、135 ℃布氏黏度、60 ℃动力黏度、弹性恢复)试验均按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[18]进行。

采用Brook Field 旋转黏度计、动态剪切流变仪(Dynamic-Shear-Rheometer，DSR)和弯曲梁流变仪(Bending Beam Rheometer，BBR)分析TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 的流变性能。旋转黏度试验按照JTG E20—2011[18]中的T 0625 方法进行，通过沥青的黏温关系分析其高温流动特性；温度扫描试验、多应力重复蠕变试验(Multi-Step Creep and Recovery Test，MSCR)均采用美国Bohlin 公司生产的CVO100流变仪，其平行板直径为25 mm、板间距为1 mm；沥青弯曲蠕变劲度试验采用BBR 测定沥青低温蠕变劲度模量S和蠕变速率m值；接触角试验采用德国Kruss 公司生产的DSA-100 型光学接触角分析仪，试验使用高温装置，采用座滴法测量高黏改性沥青在不同温度下对集料的润湿、铺展程度，表征温拌剂的温拌效果。

2 结果与分析

2.1 温拌高黏改性沥青常规性能分析

CNS-T 是一种以酰胺及醚类表面活性剂辅以促进剂合成的温拌剂，具有提升沥青界面润滑效果，降低沥青高温黏度、增强沥青体系稳定性的作用。对制备的两种高黏沥青进行常规性能测试及通过重复加热验证两种高黏沥青的60 ℃动力黏度衰减情况，针入度、软化点、延度、135 ℃布氏黏度和弹性恢复数据见表2，重复加热后的60 ℃动力黏度衰减情况如图1 所示。

表2 两种高黏改性沥青的常规指标表

图1 两种高黏沥青的黏度衰减柱状图

由表2 可知，TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 的软化点(＞80 ℃)和60 ℃动力黏度(＞20.0 kPa·s)均满足高黏改性沥青的技术要求，且在TPS-HVMA 中加入CNS-T 温拌剂后，软化点下降3.9 ℃(降低了约4.3%)、60 ℃动力黏度下降5.7 kPa·s (降低了约5.8%)、135 ℃布氏黏度下降0.9 Pa·s(降低了约23.4%)。沥青135 ℃布氏黏度表征了沥青混合料的施工和易性，说明CNS-T 温拌剂对高黏改性沥青具有明显的高温降黏作用，其施工和易性得到明显改善，且对60 ℃黏度无显著影响。其原因是表面活性剂改变了聚合物颗粒与沥青相间界面张力，在135 ℃时，改性沥青具有很好的流动性，表面活性剂起到润滑作用，使聚合物颗粒更容易移动，使高黏改性沥青135 ℃黏度显著降低；在温度为60 ℃时，CNS-T 温拌剂中的表面活性剂和促进剂活性降低，润滑作用减弱，且促进剂在聚合物表面附着，增大了聚合物间的摩擦阻力，抵消了表面活性剂带来的润滑效果，体系的流动性降低。

在我国，沥青路面夏季最高温度一般可以达到60 ℃，测定沥青60 ℃动力黏度可有效表征其流动变形情况，从而真实反映路面的高温抗变形能力。现阶段工厂化生产中，提升温拌高黏沥青黏度的方法已经较为成熟，但现有表面活性剂类温拌高黏沥青重复加热性能衰减的问题一直没有解决，尤其是沥青黏度的衰减。重复加热试验的具体步骤为:将试验样品制备完成后倒于1 000 mL 圆筒容器中，至样品完全冷却，常温放置24 h 后，再次将沥青加热至具有良好的流动性，测定其60 ℃动力黏度，即为1 次加热，以此方法模拟自工厂生产到产品运输至拌合站使用期间的黏度衰减情况。由图1 可知，两种高黏沥青经重复高温加热，其60 ℃黏度均有一定程度的衰减，但掺入CNS-T 温拌剂的高黏沥青黏度衰减程度明显优于未掺入温拌剂的高黏沥青，且在经过第二次重复加热后，TPS-WHVMA 的60 ℃动力黏度明显高于TPS-HVMA，说明CNS-T 温拌剂的加入，可以在一定程度上抵御高温对TPS-HVMA 体系中聚合物的损伤，保障其胶联结构的稳定，对沥青的高温稳定性具有一定的积极作用。另外，在60 ℃时，沥青处于黏弹态，CNS-T 温拌剂中的表面活性剂分子和促进剂微粒吸附在聚合物颗粒表面，使聚合物颗粒的粗糙度增加，一定程度上也减缓了高黏沥青60 ℃黏度的衰减速度，对沥青胶联体系的稳定性有一定的增强作用。

2.2 温拌高黏改性沥青流变性能分析

沥青的流变性能是指沥青材料在外界温度和荷载作用下，所呈现出的流动与变形能力，是评价沥青高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性和耐久性等一系列性能的关键。基于此，文章采用Brook Field 旋转黏度仪、DSR、BBR 等设备，探究TPS-HVMA 和TPSWHVMA 的流变特性。

2.2.1 旋转黏度试验

旋转黏度试验按照JTG E20—2011(T 0625)[18]进行，测定温度分别为100、120、135、155、175 ℃，转子型号选用27＃，通过两种沥青材料的黏温关系变化分析其高温流动特性，试验结果如图2 所示。

由图2 可知，在选定的试验温度范围内，两种高黏沥青的黏度随试验温度的升高逐渐减小，且温度越高黏度降低的幅度越小。对比两种高黏沥青，当试验温度为100 ～120 ℃时，两种高黏沥青材料的黏度降低幅度最为明显，说明此时沥青中的组分、改性剂等高聚合物分子运动能力增强，链段、链节、支链等运动单元在微观上的结构变化特性在沥青宏观性能上表现出来[19]。此时，随着温度的进一步升高，沥青体系中的分子运动更加活跃，温度在120～150 ℃之间时，TPS-WHVMA 与TPS-HVMA 在宏观性质上表现为黏度差较大，135 ℃下的TPS-WHVMA 的布氏黏度值为2.95 Pa·s，相较于135 ℃下的TPS-HVMA 黏度值降低的幅度较大。这说明CNS-T 温拌剂的加入，增加了沥青体系的高温流动性，在分子、分子链运动过程中起到了润滑作用，对高黏沥青的施工和易性有了一定程度的改善。当温度＞150 ℃时，两种高黏沥青的高温黏度差距逐渐减小，且在160 ℃后基本相同，说明沥青材料在达到一定的高温流动状态后，分子、分子链间的移动阻力进一步降低，温拌剂对沥青体系的作用效果不再明显。

图2 两种高黏沥青的黏温曲线图

2.2.2 温度扫描试验

温度扫描试验温度范围为58～88 ℃，每隔3 ℃采集一个点，采用应变控制模式，使用Φ25 mm 平行板，上、下板间距为1 mm、频率为1.59 Hz，测试TPSHVMA 和TPS-WHVMA 两种沥青样品。两种高黏沥青的复数模量(G*)、车辙因子(G*/sinδ)变化情况如图3 所示。

由图3 可知，两种高黏沥青的G*随温度升高而逐渐减小，这是因为沥青在由低温至高温过程中，体系黏性成分增多，弹性成分减少，沥青抵抗变形的能力减弱。在高温状态下，沥青的G*越大，其抵抗变形的能力越强。在58 ～88 ℃范围内，TPS-HVMA 的G*始终大于TPS-WHVMA，说明CNS-T 温拌剂增大了高黏沥青的变形能力，高温性能受到一定影响。从图3 可以看出，TPS-HVMA 的G*/sinδ始终大于TPS-WHVMA，且在试验温度范围内，两种高黏沥青的G*/sinδ均＞1.0 kPa，高温等级均为PG-88，说明CNS-T 温拌剂对TPS-HVMA 的高温抗车辙性能影响程度不大。

图3 两种高黏沥青的复数模量和车辙因子对比曲线图

2.2.3 多应力重复蠕变试验

MSCR 试验可以反映沥青在不同恒定荷载作用下的变形特性，当撤去外力后，部分蠕变变形恢复，其中不可恢复的部分将累加到下一个荷载循环中，能够真实模拟路面受重复加载-卸载的车辆荷载作用，反映了沥青抵抗高温变形的能力[20]。试验采用动态剪切流变仪，在60 ℃温度下对TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 样品进行测试，样品尺寸与温度扫描试验相同；应力水平分别取3.2 和0.1 kPa，用以模拟路面不同行车荷载的变化，每个应力水平均采用加载1 s、卸载9 s 的加卸载循环，试验结束后获得重复加载-卸载10 个周期的累积应变。累积应变值越小，其高温抵抗荷载的变形能力越好[21]。依据试验结果，可以计算沥青样品的蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr。R与沥青的延迟弹性有关，该值越大，则表示沥青的弹性特征越强；Jnr也与沥青的抵抗变形能力有关，Jnr越小则沥青的抵抗变形能力越强。TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 的蠕变恢复曲线如图4 所示。

图4 不同应力下两种高黏沥青样品的蠕变与恢复曲线图

分析图4 可知，不同应力的累计应变随着加载时间的延长而逐渐增加。相同应力的累计应变越小，说明沥青变形量越小，该沥青抵抗永久变形的能力越好。在0.1 kPa 加载应力下，两种高黏沥青随着时间的增加累计应变相差不明显，TPS-WHVMA的蠕变恢复程度略优于TPS-HVMA；在3.2 kPa 加载应力下，两种高黏沥青的蠕变恢复曲线几乎重合，说明在60 ℃温度条件下，CNS-T 温拌剂的加入使TPS-WHVMA 的抗永久变形能力略强于TPSHVMA，与2.1 中CNS-T 温拌剂可以增强高黏沥青体系稳定性的结论具有一致性。

TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 两种高黏沥青的R、Jnr对比如图5 所示。R值越大，表示沥青在应力加载-卸载后产生的永久变形越小，高温环境下产生车辙的风险越小；Jnr越小，说明沥青在应力加载-卸载后的不可恢复残余应变越小，抵抗路面永久变形的能力越好。分析图5 可知，当加载应力为0.1和3.2 kPa 时，TPS-WHVMA 的R值均大于TPSHVMA，说明TPS-WHVMA 具有更强的高温弹性特征，高温变形恢复能力更好。对比两种高黏沥青的Jnr值，当加载应力为0.1 kPa 时，Jnr值的大小关系为:TPS-HVMA＜TPS-WHVMA，差距较为明显；当加载应力为3.2 kPa 时，Jnr值的大小关系为:TPSWHVMA＜TPS-HVMA，但两者数值较为接近，说明在0.1 kPa 应力条件下TPS-HVMA 的抵抗变永久性的能力占优，而在3.2 kPa应力条件下TPS-WHVMA 的抵抗永久变形能力占优，但二者差距不明显。由此可知，CNS-T 温拌剂改善了TPS-HVMA 的弹性及韧性，而沥青体系的黏弹性能更好，其与温拌剂中的促进剂有关，该促进剂在沥青中以小微粒的形态存在，可以吸附于聚合物表面，增加聚合物表面的粗糙度，使沥青体系间的粘结力更强，交联体系更加稳定，在承受外部荷载冲击时的抗永久变形能力更强。在更高的应力作用下，TPS-WHVMA 表现出更好的变形恢复能力和更小的残余应变，其规律与2.1 节中沥青经重复加热60 ℃黏度衰减较慢的特性具有一定的关联性。

图5 不同应力下两种高黏沥青恢复率R 和不可恢复蠕变柔量Jnr对比柱状图

2.2.4 弯曲蠕变劲度试验

沥青胶结料的低温劲度是反映其低温抗裂性能的重要指标[22]。对TPS-HVMA 和TPS-WHVMA 进行BBR 试验。沥青小梁尺寸为127 mm×12.7 mm×6.35 mm，试验温度分别取-12、-18、-24 ℃，施加(980±50)mN 的标准荷载，以加载60 s 时测定的劲度模量S值和蠕变速率m值作为性能评价指标，试验结果如图6 所示。

图6 不同温度下两种高黏沥青劲度模量S 和蠕变速率m 对比柱状图

根据相关研究可知，S值越小，m值越大，低温抗裂性能越好。分析图6 可知，当环境温度降低时，S值不断增大，m值不断减小，说明温度降低，沥青试件变硬变脆，应力松弛性能下降，沥青低温抗裂性能变差。TPS-HVMA 与TPS-WHVMA 相比，TPSWHVMA 的S值小于TPS-HVMA，而TPS-WHVMA的m值大于TPS-HVMA，表现为TPS-WHVMA 的低温抗裂性能优于TPS-HVMA，说明CNS-T 温拌剂中的油溶性物质改善了高黏沥青的低温柔性及延展性。在确定沥青的低温等级时，规范中规定沥青的劲度模量S≤300 MPa，且m≥0.3，从图6 中可以看出，当温度为-12 和-18 ℃时，两种高黏沥青的S和m值均满足规范要求；当温度为-24 ℃时，两种高黏沥青的S和m值不再满足规范要求，可以得出两种高黏沥青具有相同的低温等级，其低温分级均为PG-28。由此说明，CNS-T 温拌剂对高黏改性沥青的低温性能具有一定的改善作用。

2.3 温拌高黏改性沥青润湿特性分析

采用接触角分析仪测定两种高黏沥青在不同温度下与集料的接触角大小，以表征添加CNS-T 温拌剂后沥青在集料表面的铺展、润湿特性变化，间接表征其温拌效果。试验采用座滴法测量沥青与集料的接触角，测试时间设定为20 s，选择温度150、160、170、180 ℃，共采集200 个点，试验结果如图7 和表3 所示。

图7 两种高黏沥青在不同温度下接触角变化曲线图

表3 两种高黏沥青在不同温度和不同时间内的接触角表

分析图7 和表3 可知，TPS-HVMA 和TPSWHVMA 与集料的接触角随着温度的升高和时间的增加逐渐减小，且温度越高接触角稳定的时间越短，这与沥青材料本身的流变特性有关。对比分析图8(a)～(d)发现，当试验温度为150 和160 ℃时，TPS-WHVMA 与集料的接触角值明显小于TPSHVMA。TPS-HVMA 在150 和160 ℃时的接触角分别为34.6°和29.6°，而TPS-WHVMA 在150 和160 ℃时的接触角分别为26.9°和23.3°，这说明在150 ～160 ℃温度时，TPS-WHVMA 在集料表面的润湿、铺展效果优于TPS-HVMA。对比两种高黏沥青在稳定20 s 时的接触角值，TPS-WHVMA 在150、160 ℃时的接触角与TPS-HVMA 在170、180 ℃时的接触角较为接近，说明CNS-T 温拌剂可以实现在降温20 ℃的情况下，达到普通高黏沥青在集料表面的铺展与润湿效果，从而实现降温拌合的目的。

当两种高黏沥青样品的试验温度均处于170 和180 ℃时，TPS-WHVMA 与TPS-HVMA 的接触角值较为接近。说明在此温度条件下，温度效应对沥青流动特性的影响超过了温拌剂的作用，沥青内部的分子在高温作用下脱离了改性剂的束缚，表现为沥青的流动性增加、黏度降低，胶结料对集料的润湿程度增加。