TPS改性劑對高粘瀝青性能的影響

陳 瑤，譚憶秋，陳克群

(1.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱;2.黑龍江大學建筑工程學院，150080哈爾濱;3.貴州省高速公路管理局，550003貴陽)

隨著我國公路建設的快速發展，交通量日益增大，對路面的功能要求越來越高.開級配抗滑磨耗層(OGFC)是近年來在歐美、日本等地區得到較廣泛應用的新型路面結構［1］，由大孔隙瀝青混合料鋪筑、能迅速從其內部排走路表雨水，具有抗滑、抗車轍及降噪功能，結構排水能力較強.但其較大的空隙率導致空氣和雨水容易深入結構內部，故混合料應具有足夠的強度、耐久性及出色的抗水損害性能［2］.現有研究表明影響OGFC路用性能的關鍵指標是瀝青的60℃黏度［3－8］，隨著瀝青60℃黏度的增大，混合料的強度和水穩定性將顯著增加，因此高粘瀝青［9］的應用尤為重要.TPS是日本近年來針對排水性瀝青路面開發出的高粘瀝青改性劑.目前已在我國南方多省市的橋面及機場道面鋪裝工程中推廣，并取得較好的應用效果［10-11］.但由于我國南北方地域特點及基質瀝青多源屬的現象，常導致使用同種改性劑制備的改性瀝青性能差異較大.鑒于此，本文從上述角度出發，并以改性瀝青的60℃動力黏度［9］為主要指標，同時測定材料物理指標的變化規律，研究TPS摻量對改性瀝青性能的影響及對2種不同油源基質瀝青的改性效果.

1 原材料性質及制備工藝

2種不同油源的90#重交基質瀝青:A－90、B－90，4組分組成如表1.

表1 基質瀝青4組分質量分數 %

以熱塑性橡膠為主，配以粘結性樹脂和增塑劑及其他成分組成的改性產品.

將基質瀝青加熱到(175±5)℃，加入TPS，利用高速剪切乳化機以2000r/min的轉速，低速恒溫剪切10min，再以5000r/min的轉速高速剪切45min.

2 試驗結果與分析

2.1 60℃動力黏度

按照瀝青與瀝青混合料試驗規程的規定，用真空減壓毛細管法測定不同TPS摻量的60℃動力黏度，以評價TPS與不同油源基質瀝青的配伍性能，測試結果如圖1所示.

圖1 動力黏度變化曲線

分析圖1中試驗結果可知:對于兩種不同油源的基質瀝青，隨著TPS摻量的增加，改性瀝青膠結料的60℃動力黏度均呈逐漸遞增的趨勢.當改性劑摻量固定時，TPS與B瀝青的配伍性明顯優于A瀝青，但當TPS的摻量(質量分數)小于等于10%時，此時隨著劑量的增加，改性瀝青膠結料的黏度雖呈穩步增長的趨勢，但距離高粘瀝青的最低要求相差較遠，可見即使TPS與基質瀝青的配伍性較好，若要制備合格的高粘瀝青，需達到一定的門檻值摻量方能使改性瀝青膠結料的黏度達到規范要求;當TPS質量分數＞10%后，B改性瀝青膠結料的動力黏度迅速增加.質量分數為14%時，動力黏度為26060Pa·s，達到規范中的黏度要求;質量分數為16%時，黏度迅速增加至82656Pa·s，此時A改性瀝青膠結料的動力黏度最高為16230Pa·s，仍未達到規范要求.這種差異應與基質瀝青的組分組成有較大關系.對比A、B基質瀝青的4組分組成，二者的輕質組分和膠質的含量相當，而B瀝青中瀝青質的質量約是A瀝青的2倍.可見基質瀝青的瀝青質含量越高，越有助于提高TPS與基質瀝青的配伍效果，改性瀝青的60℃黏度將越大.故在制備高粘改性瀝青時，應對基質瀝青進行優選，以達到改性劑用量較小，改性瀝青性能較優的目的.

2.2 物理性能

依據瀝青與瀝青混合料試驗規程規定的試驗方法，分別測試改性瀝青的軟化點、延度、針入度、針入度指數、當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍及彈性恢復能力.

2.2.1 軟化點

不同TPS摻量的改性瀝青軟化點測試結果如圖2所示.試驗結果表明:對于A、B不同油源的基質瀝青，摻加不同劑量的TPS，改性瀝青膠結料的軟化點均隨改性劑摻量的增加而增長，高溫性能將得到不同程度的改善.當TPS質量分數小于8%時，此時膠結料的高溫性能雖有一定提高，但與基質瀝青相比，提高幅度較小;當摻量為8%時，兩種瀝青膠結料的軟化點均呈現快速增長的趨勢，A－90軟化點提高55.8%、B－90軟化點提高70.9%;當質量分數大于12%時，軟化點均達到90℃以上，高溫性能改善顯著.

圖2 軟化點變化曲線

2.2.2 針入度及針入度指數

不同TPS摻量的改性瀝青分別在15、25、30℃時的針入度、針入度指數測試結果如圖3、4所示.

圖3 針入度變化曲線

圖4 針入度指數變化曲線

由圖3可知，對于A、B不同油源的基質瀝青，TPS加入后膠結料在3個溫度下的針入度與原基質瀝青相比均呈不同程度的下降趨勢，并且隨著改性劑摻量的增加，同一溫度條件下的針入度將逐漸減小，瀝青的硬度增大.

由圖4可知，隨著TPS的加入，改性瀝青膠結料的針入度指數將呈逐漸增大的趨勢，摻量較高時針入度指數也較大，表明膠結料的感溫性得到改善，高溫性能得到增強，但并不是隨著改性劑的增加而不斷加強.由測試結果可知，對于A瀝青，當改性劑的質量分數為14%時，膠結料的針入度指數達到最大值0.87;對于B瀝青，當質量分數為12%時，針入度指數達到最大值1.72，可見TPS與B瀝青的配伍性較好，改性瀝青膠結料的感溫性能大幅度地改善.

2.2.3 當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍

根據前述針入度指數測試結果，進一步分析TPS改性瀝青當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍等指標的變化趨勢，如圖5～7所示.

圖5 當量軟化點變化曲線

綜合分析上述試驗數據，發現隨著TPS的摻加，A、B基質瀝青的高低溫性能均得到不同程度地改善，高溫性能方面，隨著改性劑摻量的增加，兩種改性瀝青的當量軟化點均呈逐漸提升的趨勢，表明膠結料的高溫性能不斷提高，最終趨于穩定;低溫性能與之相反，隨著改性劑摻量的增加，兩種改性瀝青的當量脆點大體呈逐漸降低的趨勢，當達到最佳摻量范圍時，脆點值將有一定幅度的回升，但總體趨勢表明膠結料的低溫抗開裂性能得到了改善;塑性溫度范圍的不斷增大，亦表明膠結料的高低溫性能得到有效提升，根據其規律曲線可知，將改性劑的摻量控制在合理范圍時，改性瀝青膠結料的高低溫性能能夠得到有效地兼顧.

圖6 當量脆點變化曲線

圖7 塑性溫度變化曲線

2.2.4 低溫延度

5℃時不同TPS摻量的改性瀝青低溫延度測試結果，如圖8所示.對A、B不同油源的基質瀝青，隨著TPS的摻入，兩類改性瀝青膠結料的低溫延度變化趨勢基本一致，當改性劑質量分數＜8%時，隨著TPS的增加，延度值呈現逐漸增長的趨勢，低溫性能得到一定的改善;當質量分數為8%時，無論A瀝青還是B瀝青，膠結料的低溫延度在該點均達到峰值;當質量分數＞8%時，低溫延度值將先下降，而隨著改性劑摻量的增加，又逐漸呈增長的趨勢.總體而言，膠結料的低溫抗塑性變形能力得到了較大幅度地改善.究其原因，由于TPS本身是一種熱塑性彈性體，當其受熱融融于熱瀝青中，將隨著摻量的增加而逐漸形成交聯的網狀結構.但當摻量較小時，網狀交聯結構未能有效形成，此時基質瀝青相當于連續相，TPS相當于分散相分散在瀝青介質中;當TPS的摻量進一步增加，達到網狀交聯結構的臨界狀態時，此時對膠結料的低溫性能影響較為顯著;而隨著改性劑摻量的繼續增長，膠結料的相分散狀態將發生變化，網狀交聯結構將逐步增強，TPS由初始的分散相狀態轉變為連續相狀態，而瀝青則作為分散相分散于由TPS組成的網狀交聯結構中，從而造成臨界摻量后，膠結料的低溫延度呈先下降后增長的趨勢.

圖8 延度變化曲線

2.4.5 彈性恢復性能

不同TPS摻量的改性瀝青膠結料的彈性恢復性能測試結果，如圖9所示.對A、B不同油源的基質瀝青，隨著TPS的加入，改性瀝青膠結料的彈性恢復率均有大幅提升，可見摻量越高，彈性恢復能力越強.當質量分數＞8%時，2類改性瀝青在規定溫度下均能100%恢復.可見，TPS的摻入，能夠有效提高改性瀝青膠結料中彈性成分所占的比例，這對提升材料的自愈性能具有一定的積極意義.

圖9 彈性恢復性能變化曲線

3 結論

1)TPS是以熱塑性橡膠為主，適當添加其他成分而制成的改性材料.利用它制作高粘改性瀝青，首先應當注意基質瀝青的優選.基質瀝青的瀝青質含量相對較高時，對改性瀝青60℃黏度的提升作用較大，二者的配伍性較好.

2)TPS改性瀝青膠結料的60℃動力黏度若要滿足高粘瀝青的技術標準，需注意達到一定的門檻值摻量.當TPS與基質瀝青的配伍性較好時，推薦TPS的最佳摻量(質量分數)為14% ～16%，可達到國標要求.

3)TPS改性瀝青具有黏度高、高溫穩定性和低溫抗開裂性能好、溫度敏感性低等優良性能.隨著TPS摻量的增加，瀝青結合料的針入度指數顯著增大，軟化點及當量軟化點升高，當量脆點逐漸降低，這對提升材料的高低溫性能具有積極作用.

4)添加TPS改性劑后，隨著摻量的增加，材料內部的交聯網狀結構會不斷增強，改性瀝青膠結料的低溫抗塑性變形能力將得到較大的提升，同時膠結料的彈性成分所占比例將大幅提高，使得改性瀝青的自愈性能逐漸增強.

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