溫拌劑對SBS改性瀝青性能影響的研究

趙百磊 涂洪濤

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430056)

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料施工溫度高，生產(chǎn)過程中會排放各種有毒氣體，造成環(huán)境污染[1-2]。溫拌瀝青技術(shù)相比傳統(tǒng)熱拌瀝青技術(shù)，具有節(jié)能減排的優(yōu)勢，能夠明顯改善道路施工環(huán)境，且在一定程度上緩解瀝青膠結(jié)料的老化，符合我國綠色道路建設的發(fā)展要求[3]。

目前，主要的溫拌技術(shù)包括泡沫溫拌類、有機降黏類、表面活性類。不同溫拌技術(shù)、溫拌劑對瀝青及瀝青混合料性能影響各有差異[4-5]。何永泰等[6]對比了自行研制的2種溫拌劑w-1、w-2和有機降黏劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響。李渠源等[7]分別添加有機降黏劑Sasobit、人工合成沸石Aspha-min、表面活性劑DWMA-1實現(xiàn)混合料溫拌化。王朝輝等[8]對國內(nèi)外溫拌劑進行調(diào)查選取Sasobit、Aspha-min、Evotherm與EC120等4種溫拌劑對比其路用性能差異。本文選擇常用的表面活性類溫拌劑Sasobit和有機降黏類溫拌劑Evotherm-3，以SBS改性瀝青為對象，研究其對SBS改性瀝青的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

1.1.1溫拌劑

選用2種常用的市售溫拌劑進行研究：①美國Mead-Westvaco公司生產(chǎn)的Evotherm-3溫拌劑(表面活性類)，由于其含有表面活性類物質(zhì)，因此在與瀝青融合過程中，所含的極性較強的分子團對瀝青中極性分子有較強的吸附作用，進而降低瀝青中分子間的相互作用力，在宏觀上則表現(xiàn)為瀝青黏度減低，對集料裹覆能力增強，顯著增加瀝青混合料在較低溫度時的拌和工作性；②德國Sasol VAX公司生產(chǎn)的Sasobit溫拌劑(有機降黏類)為暗黃色液體，主要以含長鏈脂肪烴的碳氫化合物為主，對瀝青的流動性能起到很大的改善作用，其熔點大約為100 ℃，當溫度超過115 ℃后可完全溶解。因此，此種溫拌劑主要通過在高溫下溶解于瀝青中降低瀝青膠結(jié)料的黏度進而降低瀝青混合料的生產(chǎn)溫度，同時對原瀝青混合料的相關(guān)路用性能不會產(chǎn)生影響。2種溫拌劑主要技術(shù)指標見表1、表2。

表1 Evotherm溫拌劑主要技術(shù)指標

表2 Sasobit溫拌劑主要技術(shù)指標

1.1.2瀝青

所用瀝青為SBS(I-D)改性瀝青，其主要技術(shù)指標見表3。

表3 SBS(I-D)改性瀝青主要技術(shù)指標

續(xù)表3

1.2 溫拌瀝青制備

溫拌瀝青制備即瀝青預熱后加入溫拌劑進行機械攪拌的過程，其工藝流見圖1。

圖1 溫拌SBS改性瀝青制備工藝流程圖

即在160 ℃下對SBS改性瀝青預熱一定時間，待瀝青完全達到熔融狀態(tài)后將不同摻量的溫拌劑摻加到SBS改性瀝青中，然后采用攪拌器在合適的轉(zhuǎn)速下攪拌一定時間后制得溫拌瀝青。

本研究對于制備過程中溫拌劑摻量的選擇主要參考廠家建議，初擬Sasobit溫拌劑的摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為0，1%，2%，3%，4%，Evotherm溫拌劑的摻量為0，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%進行溫拌瀝青的制備(外摻法)。

1.3 試驗方法

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0606-2011、T0605-2011、T0604-2011試驗方法對溫拌SBS改性瀝青的軟化點、延度、針入度等常規(guī)物理性能指標進行測試。

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對溫拌SBS改性瀝青流變性能進行測試，評價其高溫流變性能，試驗采用溫度掃描模式，參數(shù)設置見表4。SHRP計劃中采用彎曲梁流變試驗(BBR)評價瀝青的低溫抗裂性能，其中主要包括彎曲勁度模量、蠕變速率2個評價指標，試驗溫度為-12 ℃。

表4 溫度掃描參數(shù)設置

2 結(jié)果與討論

2.1 基本物理性能研究

2.1.1針入度

對不同摻量的2種溫拌SBS改性瀝青針入度進行測試，測試溫度為25 ℃，結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫拌劑摻量下的溫拌SBS改性瀝青針入度

由圖2可知，隨著溫拌劑摻量的不斷增加，2種溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料的針入度均呈持續(xù)下降趨勢。當Sasobit溫拌劑的摻量從0%逐漸增加到4%時，其對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料針入度從56不斷下降到42.1，表明摻加Sasobit溫拌劑可使SBS改性瀝青變硬，黏稠度變大，同時也在一定程度上增強了抗變形能力；當Evotherm溫拌劑的摻量從0%逐漸增加到0.9%時，其對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料針入度從56×0.1 mm不斷降低到47.8×0.1 mm，表明摻加Evotherm溫拌劑也可在一定程度上增大SBS改性瀝青的黏稠度，提高其抗變形能力。

2.1.2軟化點

不同摻量的2種溫拌SBS改性瀝青軟化點測試結(jié)果見圖3。由圖3分析可知，隨著2種溫拌劑摻量的不斷增加，所對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料的軟化點均逐漸升高。當Sasobit溫拌劑的摻量從0%逐漸增加到4%時，對應的溫拌SBS改性瀝青軟化點從67 ℃上升到了78 ℃，表明Sasobit溫拌劑加入后明顯提高了SBS改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能，其原因為Sasobit溫拌劑的熔點在100 ℃左右，當其低于熔點時以網(wǎng)狀晶格形式結(jié)構(gòu)存在于瀝青膠結(jié)料中，從而增強了瀝青分子間的黏結(jié)力，宏觀上則表現(xiàn)為高溫性能增強；當Evotherm溫拌劑的摻量從0%逐漸增加到0.9%時，對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料軟化點從67 ℃上升至74 ℃，表明Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能也有改善作用。

圖3 不同溫拌劑摻量下的溫拌SBS改性瀝青軟化點

對比2種溫拌劑對SBS改性瀝青膠結(jié)料軟化點的影響效果發(fā)現(xiàn)，在考慮本研究初擬的廠家建議的摻量范圍內(nèi)， Sasobit溫拌劑對SBS改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能改善效果在一定程度上優(yōu)于Evotherm溫拌劑，其原因是溫拌劑自身結(jié)構(gòu)及化學特性所決定的。

2.1.3延度

不同摻量的2種溫拌SBS改性瀝青延度測試結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫拌劑摻量下的溫拌SBS改性瀝青延度

由圖4可見，隨著溫拌劑摻量的持續(xù)增加，2種溫拌瀝青膠結(jié)料的延度均出現(xiàn)下降趨勢。Sasobit溫拌劑摻量從0%增加到4%的過程中，對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料延度值降幅十分明顯，且當摻量超過3%時，其延度值已無法達到規(guī)范要求，表明Sasobit溫拌劑對SBS改性瀝青膠結(jié)料的低溫性能有嚴重的負面影響，易造成瀝青路面低溫開裂現(xiàn)象的產(chǎn)生；Evotherm溫拌劑摻量從0%增加到0.9%的過程中，其對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料延度出現(xiàn)了較小幅度的下降，且在摻量較低時，下降幅度很低，在摻量達到最大值后延度降至最低值27 cm，但仍滿足相關(guān)規(guī)范要求，說明Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青膠結(jié)料低溫性能的影響相比Sasobit溫拌劑相對較小，其原因可能是由于Sasobit溫拌劑是由含長鏈烷烴的碳氫化合物組成，其支鏈會對瀝青柔韌性造成一定影響，從而降低瀝青的低溫性能。

2.1.4黏度

對不同溫拌劑摻量的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料進行黏度測試，測試溫度選擇與瀝青混合料拌和、施工溫度接近的175，135 ℃，其測試結(jié)果見圖5。由圖5可見，無論是Sasobit溫拌劑還是Evotherm溫拌劑，其摻加到SBS改性瀝青中后降黏效果均十分明顯，整體降黏百分比均超過了30%左右。對比2種溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料的黏度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著2種溫拌劑摻量的不斷增加，溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料的黏度持續(xù)降低，但降低趨勢逐漸由急變緩。當Sasobit溫拌劑的摻量達到3%后，對應的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料黏度已無明顯下降趨勢，而Evotherm溫拌劑的摻量達到0.7%時，其瀝青膠結(jié)料黏度也無明顯下降趨勢。因此，在2種測試溫度下，2種溫拌劑對于SBS改性瀝青都具有較好的降黏效果，但是當摻量達到一定程度后其效果將趨于飽和。

圖5 溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料黏度測試結(jié)果

2.2 流變性能研究

通過前文可以看出，2種溫拌劑均具有較好的降黏效果，隨著摻量的不斷增加，SBS改性瀝青的黏度持續(xù)降低，但降低趨勢逐漸由急變緩，當Sasobit溫拌劑摻量達到3%、Evotherm溫拌劑達到0.7%之后，SBS改性瀝青的黏度趨勢穩(wěn)定，且在該摻量下，2種溫拌SBS改性瀝青的降溫效果達到了溫拌瀝青施工規(guī)范要求。通過黏度變化規(guī)律，建議Sasobit溫拌劑摻量取3%，Evotherm溫拌劑摻量取0.7%。因此，本研究針對最佳摻量下的溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料進行高、低溫流變性能的研究。

2.2.1高溫性能

研究通過DSR(動態(tài)剪切流變)試驗對最佳摻量下的2種溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料46～64 ℃區(qū)間內(nèi)復數(shù)模量及相位角的測定繪制出車轍因子的變化曲線，見圖6。

圖6 溫拌瀝青相位角模量隨溫度變化情況

由圖6可見，隨著溫度不斷升高，SBS改性瀝青、Sasobit溫拌瀝青、Evotherm溫拌瀝青的車轍因子均不斷降低，表明溫度越高，流動變形越大，抗車轍能力越差。對比3種瀝青材料，當溫度相同時，Evotherm溫拌瀝青的車轍因子明顯高于SBS改性瀝青和Sasobit溫拌瀝青，而Sasobit溫拌瀝青略低于SBS改性瀝青，表明摻加Evotherm溫拌劑可改善SBS改性瀝青的高溫性能而Sasobit溫拌劑的加入在一定程度上輕微降低了SBS改性瀝青的高溫性能，但影響效果基本不明顯。

2.2.2低溫性能

研究采用彎曲梁流變試驗(BBR)評價SBS改性瀝青及最佳摻量下的溫拌SBS改性瀝青的低溫抗裂性能，其中主要包括彎曲勁度模量、蠕變速率2個評價指標。3種瀝青材料在-12 ℃下的BBR測試結(jié)果見圖7。

圖7 溫拌瀝青蠕變勁度與蠕變速率測試結(jié)果

由圖7可見，SBS改性瀝青摻加溫拌劑后彎曲勁度模量增大，蠕變速率降低，表明溫拌劑使得SBS改性瀝青強度變大，松弛能力變差，同時蠕變速率降低后使得其溫度應力的消散能力降低，使其在低溫下更容易發(fā)生脆斷，從而降低了低溫性能。通過對比2種溫拌瀝青膠結(jié)料的s值和m值，可以發(fā)現(xiàn)Sasobit溫拌劑相比Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青的低溫性能影響更大。

3 結(jié)論

1) 隨著溫拌劑摻量不斷增加，2種溫拌SBS改性瀝青的針入度不斷下降，且初始階段下降趨勢較為明顯；軟化點則呈不斷增加的趨勢，Sasobit型溫拌SBS改性瀝青的軟化點增加幅度高于Evotherm型溫拌SBS改性瀝青；2種溫拌SBS改性瀝青的延度均呈現(xiàn)降低趨勢，但Sasobit型溫拌SBS改性瀝青延度降低十分明顯，而Evotherm型溫拌SBS改性瀝青的延度則受溫拌劑摻量影響較小。

2) 2種溫拌劑均可顯著降低SBS改性瀝青黏度，但當摻量增加到一定程度后降黏效果趨于飽和。綜合溫拌瀝青的施工要求進行考慮，確定Sasobit溫拌劑最佳摻量為3%，Evotherm溫拌劑最佳摻量為0.7%。

3) 通過對最佳摻量下的2種溫拌SBS改性瀝青膠結(jié)料的流變性能測試發(fā)現(xiàn)， Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能的影響效果要明顯優(yōu)于Sasobit溫拌劑。

4) 通過對比2種溫拌劑對SBS改性瀝青的各項性能的影響，建議實際使用時優(yōu)先選擇Evotherm溫拌劑，并結(jié)合降黏效果確定實際摻量。