融雪劑對瀝青三大指標和微觀老化性能的影響

朱 燁,季學文,沈菊男

(蘇州科技大學道路工程研究中心 蘇州市 215011)

目前，最為常用的道路除雪方法是使用氯化物，但是氯化物會導致路面侵蝕、內部鋼筋銹蝕、排水管道腐蝕以及土壤生態環境破壞等問題，對瀝青路面也會產生一定的影響。選擇三種融雪劑，就融雪劑對瀝青的高低溫性能影響和微觀老化性能的影響進行探索，為路面養護者對融雪劑的使用提供參考。

1 原材料及試樣制備方法

1.1 原材料

試驗采用韓國雙龍70號基質瀝青，其主要技術指標見表1。實驗所用的SBS是中國石化YH-791H的熱塑性丁苯橡膠，性能指標見表2。試驗采用的融雪劑為氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)和乙酸鉀(CH3COOK)三種。

表1 70#基質瀝青性能指標

1.2 試樣制備

1.2.1常規試樣制備

本試樣用于延度、針入度、軟化點試驗。

(1)基質瀝青試樣制作步驟為：將基質瀝青加熱至熔融狀態，稱取瀝青質量1%、2%、3%、4%的融雪劑，倒入基質瀝青中，用玻璃棒攪拌2～3min至融雪劑分散均勻，放入135℃烘箱中發育2h。

表2 SBS技術指標

(2)SBS改性瀝青試樣制作步驟為：將SBS改性瀝青加熱至熔融狀態，稱取瀝青質量1%、2%、3%、4%的融雪劑，倒入SBS改性瀝青中，用玻璃棒攪拌2～3min至融雪劑分散均勻，放入165℃烘箱中發育2h。

1.2.2微觀試樣制備

本試樣用于紅外光譜試驗。具體制作步驟為：取瀝青1～2g，加入二硫化碳在高溫瓶中溶解，瀝青與二硫化碳的質量比為1∶19，待瀝青完全溶解后進行試驗。老化后的樣品是取常規試樣在旋轉薄膜烘箱(RTFOT)中老化85min后，再按上述步驟制成液體試樣進行紅外光譜試驗。

2 融雪劑對瀝青三大指標和布氏粘度的影響

2．1 融雪劑對瀝青軟化點的影響

采用軟化點來評價瀝青試樣的高溫性能，測試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣的針入度，測試結果見圖1、圖2。圖1、圖2中NaCl、CaCl2、CH3COOK分別指加入NaCl、CaCl2、CH3COOK的瀝青試樣，下同。

由圖1和圖2可以發現，加入融雪劑后，基質瀝青的軟化點明顯上升，而SBS改性瀝青的軟化點降低。這是因為基質瀝青與融雪劑的相互作用改變了瀝青四組分的比例，瀝青的膠質和瀝青質增加，使瀝青硬化，從而使軟化點升高；對于SBS改性瀝青，融雪劑既對基質瀝青產生作用，又對SBS與基質瀝青結合的空間網格結構產生作用，破壞了SBS與基質瀝青的結構，從而使軟化點降低。融雪劑對基質瀝青的高溫性能有提高作用，對SBS改性瀝青的高溫性能有降低作用。

圖3是根據基質瀝青的軟化點隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和參數如表3所示。

由于改性瀝青的軟化點數據擬合后線性方程相關系數R2的值過小，因此認為擬合的線性方程不可靠，而基質瀝青的擬合方程更具有參考價值，可以進行分析。雖然根據線性方程的參數a可知NaCl影響后的基質瀝青增長率略高于CaCl2，但是由參數b和圖3可知CaCl2影響后的擬合直線整體高于NaCl，因此認為，對基質瀝青的軟化點影響最大的融雪劑是CaCl2。

表3 基質瀝青的軟化點變化的參數和線性方程

2．2 融雪劑對瀝青延度的影響

采用延度來評價瀝青試樣的低溫性能，測試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣的5℃延度，測試結果見圖4、圖5。

由圖4和圖5可以發現，加入融雪劑后，基質瀝青和SBS改性瀝青的延度都隨著融雪劑摻量的增加而降低，即低溫性能變差。對于瀝青低溫性能的降低，是因為融雪劑分散在瀝青中，使基質瀝青的軟組分硬化，改變了SBS在瀝青中的排布，這直接導致了瀝青延度的降低。氯鹽融雪劑以離子晶體的形式存在于瀝青分子中，并且晶體結構不同，導致延度降低的程度也不同。

圖6和圖7是根據基質瀝青和SBS改性瀝青的延度隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和影響因子如表4所示。

表4 兩種瀝青的延度變化的參數和線性方程

由表4可知，基質瀝青和SBS改性瀝青線性方程的參數a均為負數，且SBS改性瀝青的參數a比基質瀝青更小，說明兩種瀝青的延度都有所降低，其中SBS改性瀝青降低幅度更大。對于基質瀝青，從圖6可以看出CaCl2影響后的擬合直線位置最低，同時根據表5中CaCl2基質瀝青線性方程的參數a最小，b最大，可知對基質瀝青延度影響最大的是CaCl2。同理，對SBS改性瀝青延度影響最大的是CH3COOK。

2．3 融雪劑對瀝青針入度的影響

測試原樣瀝青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同瀝青試樣25℃的針入度，測試結果見圖8、圖9。

由圖8和圖9可以發現，融雪劑對基質瀝青和SBS改性瀝青針入度的影響略有不同，總體趨勢表現為融雪劑使兩種瀝青的針入度均下降，基質瀝青的下降趨勢更明顯。這是因為融雪劑減少了輕質組分的含量，基質瀝青硬化，同時又破壞了SBS顆粒與瀝青組成的網狀結構，從而使針入度下降。

圖10是根據基質瀝青的針入度隨融雪劑摻量的增加而變化的擬合直線，線性方程和參數如表5所示。

表5 基質瀝青針入度變化的參數和線性方程

由于改性瀝青的針入度數據擬合后線性方程相關系數R2的值過小，因此只參考基質瀝青的線性方程進行分析。從圖10中看出CH3COOK影響的擬合直線位置最低，同時比較表5中的線性方程參數a，可知CH3COOK對基質瀝青針入度下降速率明顯高于另外兩種融雪劑，因此，對基質瀝青針入度影響最大的是CH3COOK。

3 融雪劑對瀝青影響的紅外光譜測試

不同物質具有不同的分子結構和官能團，在受到紅外光照射后，用傅里葉紅外光譜儀能夠得到不同的紅外光譜圖，從而對被測物質進行分析。對加入融雪劑后的瀝青進行RTFOT短期老化，采用紅外光譜掃描試驗對其分析，判斷是否有化學反應發生，并利用峰面積計算羰基指數，分析融雪劑對瀝青老化產生的影響。

由于不同融雪劑、不同融雪劑摻量對老化基質瀝青的紅外光譜圖影響規律一致，不同融雪劑、不同融雪劑摻量對老化SBS改性瀝青的紅外光譜圖影響規律也一致，因此選擇摻入四種摻量氯化鈣后的老化基質瀝青和老化SBS改性瀝青作為代表進行討論。氯化鈣摻量為0～4%的基質瀝青和SBS改性瀝青老化后的紅外譜圖如圖11、圖12。

瀝青經過老化后，在紅外譜圖上1700cm-1附近的位置會出現明顯的羰基(C=O)官能團吸收峰，羰基數量越多，吸收峰越大。可以通過羰基指數(IC=O)對瀝青中的羰基數進行定量分析。計算公式如下：

融雪劑對基質瀝青和SBS改性瀝青老化后羰基指數的影響如圖13、圖14所示。

由圖13和圖14可以發現，隨著融雪劑摻量的增加，基質瀝青和SBS改性瀝青的羰基指數都明顯下降，因此融雪劑對瀝青有一定抗老化作用。對于基質瀝青，抗老化作用最顯著的是CaCl2，CH3COOK次之，NaCl的作用相對較小，但當摻量達到4%時，摻入三種融雪劑后的基質瀝青的羰基指數都小于1。對于SBS改性瀝青，抗老化作用最明顯的也是CaCl2，其次是CH3COOK和NaCl，但當摻量達到4%時，摻入三種融雪劑的SBS改性瀝青的羰基指數下降到2左右。

基質瀝青老化過程中有一些高分子長鏈化合物發生了斷鏈分解，瀝青被氧化，吸收氧原子與瀝青中的碳組成羰基。含氧基團的增加改變了瀝青的結構和組成，芳香分和膠質轉變為瀝青質，輕組分減少、重組分增加。添加SBS 改性劑能提高瀝青長期抗熱氧老化方面的性能，因此SBS改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青。而融雪劑的摻入阻礙了瀝青中高分子長鏈斷鏈之后與氧自由基的結合，從而減少了羰基的生成，提高了瀝青的抗老化性能。

4 結論

(1)隨著融雪劑摻量的增加，基質瀝青的軟化點升高，SBS改性瀝青的軟化點降低；兩種瀝青在融雪劑的影響下延度和針入度都降低；CaCl2對基質瀝青的軟化點影響最大，NaCl對SBS改性瀝青的軟化點影響最大。

(2)由紅外光譜的結果發現，瀝青摻入融雪劑后，不會引起瀝青內部分子結構和官能團的改變，因此融雪劑不與瀝青和SBS發生化學反應；摻入融雪劑后的瀝青經過老化，隨著融雪劑摻量的增加羰基指數下降，證明加入融雪劑能提高瀝青的抗老化性能。

(3)只選定了融雪劑的四種摻量，瀝青只有兩種，而且微觀方面研究不深入，因此結論有片面性，應選用更多種類的瀝青、融雪劑、融雪劑摻量以及更先進的設備進行更全面的研究，使研究成果更具有準確性和普遍性。