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)

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

目前，主要的溫拌技術包括泡沫溫拌類、有機降黏類、表面活性類。不同溫拌技術、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實現混合料溫拌化。王朝輝等[8]對國內外溫拌劑進行調查選取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公司生產的Evotherm-3溫拌劑(表面活性類)，由于其含有表面活性類物質，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料的黏度進而降低瀝青混合料的生產溫度，同時對原瀝青混合料的相關路用性能不會產生影響。2種溫拌劑主要技術指標見表1、表2。

表1 Evotherm溫拌劑主要技術指標

表2 Sasobit溫拌劑主要技術指標

1.1.2瀝青

所用瀝青為SBS(I-D)改性瀝青，其主要技術指標見表3。

表3 SBS(I-D)改性瀝青主要技術指標

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

采用動態剪切流變儀(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 溫度掃描參數設置

2 結果與討論

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改性瀝青膠結料的針入度均呈持續下降趨勢。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狀晶格形式結構存在于瀝青膠結料中，從而增強了瀝青分子間的黏結力，宏觀上則表現為高溫性能增強；當Evotherm溫拌劑的摻量從0%逐漸增加到0.9%時，對應的溫拌SBS改性瀝青膠結料軟化點從67 ℃上升至74 ℃，表明Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青膠結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改性瀝青膠結料軟化點的影響效果發現，在考慮本研究初擬的廠家建議的摻量范圍內， Sasobit溫拌劑對SBS改性瀝青膠結料的高溫性能改善效果在一定程度上優于Evotherm溫拌劑，其原因是溫拌劑自身結構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增加，2種溫拌瀝青膠結料的延度均出現下降趨勢。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范要求，表明Sasobit溫拌劑對SBS改性瀝青膠結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象的產生；Evotherm溫拌劑摻量從0%增加到0.9%的過程中，其對應的溫拌SBS改性瀝青膠結料延度出現了較小幅度的下降，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，但仍滿足相關規范要求，說明Evotherm溫拌劑對SBS改性瀝青膠結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改性瀝青膠結料的黏度變化趨勢，發現隨著2種溫拌劑摻量的不斷增加，溫拌SBS改性瀝青膠結料的黏度持續降低，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改性瀝青膠結料黏度測試結果

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范要求。通過黏度變化規律，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(動態剪切流變)試驗對最佳摻量下的2種溫拌SBS改性瀝青膠結料46～64 ℃區間內復數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測試結果見圖7。

圖7 溫拌瀝青蠕變勁度與蠕變速率測試結果

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生脆斷，從而降低了低溫性能。通過對比2種溫拌瀝青膠結料的s值和m值，可以發現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改性瀝青膠結料的流變性能測試發現， 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，建議實際使用時優先選擇Evotherm溫拌劑，并結合降黏效果確定實際摻量。