ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料性能影響*

馬 峰，侯英杰，傅 珍,劉松然，楊希旺

(1. 長安大學 公路學院，西安 710064； 2. 長安大學 材料學院，西安 710064)

0 引 言

增塑劑常應用于塑料制品或樹脂中，用來提高其可加工性、柔韌性、塑性和可拉伸性能[1-2]。從微觀上來看，因為增塑劑的加入使分子間的范德華力減小，從而增加分子間的移動性，進而降低了分子鏈的結晶性，同時增強其柔韌性[3-5]。因增塑劑有多種優異性能，近年來多被廣泛應用于塑料制品中。借鑒增塑劑在塑料工業中的成功應用，國內申萬青[6-7]、孔志峰[8]、楊希旺等[3]嘗試在瀝青中加入增塑劑進行改性，發現增塑劑可以使瀝青混合料的低溫性能得到明顯改善。然而以鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)為代表的鄰苯二甲酸酯類增塑劑存在有毒致癌，難以降解等[9,10]缺點，在許多國家中被限制使用。與傳統增塑劑相比，乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)具有毒性弱[11]，對環境負面影響小[12-13]等特點。此外，ATBC增塑劑可以提高材料的柔韌性和伸長率[14-15]，而且高低溫性能良好[16]。因為ATBC增塑劑擁有以上優勢，且其優點契合實際工程中對于瀝青改性劑的需求[17-18]，故本文采用乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)作為瀝青改性劑。

本研究對不同摻量ATBC增塑劑改性后的瀝青及瀝青混合料進行相關試驗，探究ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響，為增塑劑改性瀝青的研究提供一定參考。

1 試驗材料及方案

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

本研究采用的3種基質瀝青分別為：中海90#、SK90#、SK70#，瀝青技術指標如表1所示。

表1 3種基質瀝青指標Table 1 Index of three kinds of base asphalt

1.1.2 集料級配

在本研究中，粗骨料為石灰巖礫石。細骨料為石灰石機制砂，含泥量為0.5%，其中砂的平均硒當量為70%。礦粉是細度大于96%的石灰石。瀝青混合料的級配類型為AC-13型，級配范圍為中值。

1.1.3 ATBC增塑劑

本試驗采用ATBC增塑劑，其技術指標如表2所示。

表2 ATBC增塑劑技術指標Table 2 Technical index of ATBC plasticizer

1.2 試驗方案

制備改性瀝青：首先將3種基質瀝青放置于140 ℃的烘箱中加熱1.5h至流動狀態，用電子秤稱取500g瀝青于缸中，相關文獻[19-20]指出ATBC增塑劑在改性瀝青中的適宜摻量為2%到3%，同時考慮到經濟性，本研究選擇加入2%、2.5%、3%、3.5%摻量的ATBC增塑劑，之后用剪切機剪切10 min，整個過程中控制溫度在130 ℃左右，得到4種摻量的改性瀝青。對制備的改性瀝青進行延度試驗、脆點試驗、軟化點試驗及針入度試驗，通過比較添加ATBC增塑劑前后瀝青性能指標的變化，研究瀝青高低溫性能和感溫性能因不同ATBC摻量產生的區別。

制備瀝青混合料：先將拌和鍋設置到150 ℃進行預熱，依次放入粗細集料、改性瀝青和礦粉，拌和1.5 min。將拌和好的瀝青混合料分別制成馬歇爾試件、車轍板試件和棱柱體小梁試件。對制備的瀝青混合料試件分別進行浸水馬歇爾試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗等試驗并根據結果對瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性和水穩定性能進行分析，探究ATBC增塑劑對瀝青混合料路用性能的影響規律。

2 ATBC增塑劑對瀝青性能的影響

2.1 低溫性能

為研究增塑劑對基質瀝青低溫性能的影響，將ATBC增塑劑按照0%、2%、2.5%、3%、3.5%的摻量分別加入到SK70#、SK90#、中海90#瀝青中，對得到的改性瀝青進行5 ℃和10 ℃延度試驗和脆點試驗分析。

2.1.1 延度

SK70#、SK90#、中海90# 3種基質瀝青在4種摻量下5 ℃延度如圖1所示。

圖1 3種瀝青結合料5 ℃延度Fig 1 5 ℃ ductility of asphalt binder

由圖1可以看出，摻入ATBC增塑劑后，3種瀝青5 ℃時的延度均有明顯提升，延度的上升與摻量的增加呈正相關性。不同種類瀝青受到ATBC增塑劑的影響程度并不相同。3種基質瀝青(SK70#、SK90#、中海90#)5 ℃時延度分別為4.7、5.6和5.5 cm，添加3.5%ATBC增塑劑后，延度分別增加到69、77.61和81.4 cm，增長率分別為1 368.08%、1 285.89%、1 371.69%。表明ATBC增塑劑可以提高瀝青的延度，進而表現為瀝青低溫時的拉伸性能增加。這是因為添加ATBC會導致基質瀝青四組分中的重組分瀝青質和膠質含量占比減少，相反輕組分芳香分和飽和分含量占比增大，使分子間范德華力減小，從而增加分子流動性，進而降低了分子鏈的結晶性，同時增強其柔韌性。

3種基質瀝青在2%ATBC摻量下10 ℃時延度大小如表3所示。

表3 3種瀝青結合料10 ℃延度Table 3 10 ℃ ductility of asphalt binder

由表3可見，10 ℃下，3種基質瀝青在2%摻量ATBC增塑劑時，其延度都大于150 cm，因試驗設備最大伸展尺寸所限，無法測出其最終延度，同時有關文獻指出，瀝青延度大于150 cm的數據意義已不大，故對其不再進行分析，但從表3可以得出ATBC增塑劑對3種瀝青的10 ℃延度改善效果十分顯著。

2.1.2 當量脆點

SK70#、SK90#、中海90# 3種基質瀝青在4種摻量下的當量脆點如圖2所示。

圖2 瀝青結合料當量脆點Fig 2 Equivalent brittle point of asphalt binder

由圖2可以看出，3種瀝青在加入ATBC增塑劑后，其當量脆性點均開始下降，且隨著摻量的增大而進一步減小。添加3.5%ATBC增塑劑后，SK70#基質瀝青的當量脆性點達到-23.88 ℃，降低了132%，SK90#基質瀝青的當量脆性點達到-23.44 ℃，下降了89.36%，中海90#基質瀝青的當量脆性點達到-26.16 ℃，降低了63.96%。3種瀝青結合料脆點溫度受ATBC增塑劑影響不全相同，其中中海90#在加入ATBC增塑劑后效果最好。脆點降低表示瀝青材料出現斷裂時的溫度越低，即瀝青的低溫性能越好。結合延度試驗和當量脆點試驗可知，ATBC增塑劑能夠明顯提升瀝青結合料的低溫性能。

2.2 高溫性能

本研究中改性前后瀝青結合料的高溫性能選用實測軟化點和當量軟化點進行評價。圖3是SK70#、SK90#、中海90# 3種基質瀝青在4種摻量下實測軟化點和當量軟化點的變化情況。

圖3 瀝青結合料的實測軟化點和當量軟化點Fig 3 Measured softening point and equivalent softening point of asphalt binder

由圖3(a)可知，添加ATBC增塑劑后，3種瀝青的實測軟化點均有所下降，且隨著ATBC含量的增加，軟化點不斷下降，其中SK90#瀝青的實測軟化點下降最明顯。添加3.5%ATBC增塑劑后，測得的軟化點降低了18.56%。圖3(b)中當量軟化點與ATBC含量的變化關系成反比，這與實測軟化點的趨勢相同。實測軟化點和當量軟化點有較大差異是因為國產瀝青的含蠟量普遍較高，在測量當量軟化點時除去了蠟含量的影響。當添加3.5%ATBC時，當量軟化點下降幅度最大，達到15.50%。可以看出ATBC增塑劑會對瀝青結合料的高溫性能造成較大損失。

2.3 感溫性能

為研究增塑劑對基質瀝青感溫性能的影響，在中海90#，SK90#、SK70#基質瀝青結合料中分別加入4種不同摻量的ATBC增塑劑，進行針入度試驗和瀝青旋轉黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)得到針入度指數PI和粘溫指數VTS，對比加入ATBC增塑劑前后兩個指標的變化，分析感溫性能。

2.3.1 針入度指數PI

一定范圍內，針入度指數PI值越大，瀝青的感溫性能越好。在中國的相關規范中，該范圍要求在-1.5和1.0之間。AlgPen表示感溫系數，其是線性擬合回歸方程的系數b，AlgPen數值越小，代表瀝青性能越好。本研究根據線性擬合出的相關系數R2均大于0.997。不同摻量ATBC增塑劑對3種瀝青針入度指數PI的影響結果如圖4所示。

從圖4可知，3種瀝青的針入度指數PI隨ATBC增塑劑摻量的增加而增大，同時AlgPen數值卻伴隨摻量的增加而減小。SK70#基質瀝青針入度指數PI為-1.10，AlgPen數值為0.0474，加入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升86.4%和13.7%；SK90#基質瀝青針入度指數PI為-1.12，AlgPen數值為0.0476，摻入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升73.6%和12.2%；中海90#基質瀝青針入度指數PI為-0.53，AlgPen數值為0.043，加入3.5%ATBC增塑劑后，分別提升69.8%和5.3%。瀝青PI值由-1向0靠攏，表示ATBC的加入會使瀝青的膠體結構從溶-凝膠型向凝膠型發展，導致瀝青的溫度敏感性降低，進而使其在低溫環境下的抗裂性能得到一定的提升。

圖4 針入度指數PI和AlgPen系數Fig 4 Penetration index PI and AlgPen coefficients

2.3.2 粘溫指數VTS

瀝青在測試溫度范圍內的溫度敏感性可以通過粘溫曲線的斜率m來表征。一般來說，瀝青的感溫性能與粘溫曲線的斜率m的大小成反比，m值越小瀝青的感溫性能越好，反之則越差。粘溫指數VTS與瀝青的感溫性能關系恰相反，VTS越大，瀝青的感溫性能越差。本研究粘溫指數VTS的試驗溫度為T1=60 ℃，T2=175 ℃。圖5是3種不同瀝青結合料加入不同摻量ATBC后粘溫指數VTS的變化情況。

由圖5可以發現，添加ATBC增塑劑后，3種瀝青結合料的粘溫指數VTS均有不同程度的上升。表明ATBC增塑劑可以降低瀝青的溫度敏感性，當ATBC摻量逐漸增加，瀝青的溫度敏感性持續降低，這一表現有利于瀝青路面的拌合施工。因為粘溫指數VTS上升幅度并不大，最大增幅只有3.99%，所以實際效果可能并不明顯。

圖5 瀝青結合料粘溫指數VTSFig 5 Viscosity temperature index VTS of asphalt binder

3 ATBC增塑劑對瀝青混合料性能的影響

由上文可知，ATBC增塑劑對中海90#瀝青的改善效果最為明顯，故選用中海90#瀝青制備瀝青混合料試件，并通過低溫彎曲試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究路用性能的變化。

3.1 低溫抗裂性能

制備ATBC增塑劑摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#瀝青混合料進行小梁低溫彎曲試驗，通過最大彎拉應變和抗彎拉強度兩個指標來評價瀝青混合料低溫性能，結果如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，在加入ATBC增塑劑后，中海90#瀝青混合料的最大彎拉應變呈提高趨勢，且隨摻量的增加而增大，當增塑劑含量為3.5%時，最大應變在基質瀝青的基礎上增幅達13.7%。從圖6(b)可知，摻入ATBC增塑劑后，中海90#瀝青混合料的抗彎拉強度逐漸增加，表明ATBC增塑劑可以提高瀝青混合料的低溫性能。同時摻量越多，抗彎拉強度也越大，3.5%摻量混合料的抗彎拉強度與原混合料相比，提高了9.6%，考慮到經濟性的因素，本研究只做到3.5%ATBC摻量。由圖6可知，增塑劑摻量的不同對瀝青混合料影響效果不同，兩者呈正相關，摻量越多，低溫抗裂性能就越好。考慮到瀝青試驗中，在基質瀝青中加入ATBC增塑劑后，瀝青的當量脆性點和低溫延度均有所提高，從而提高瀝青混合料骨料與瀝青界面之間的粘結力，綜上ATBC增塑劑的加入可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖6 不同摻量下低溫性能指標變化Fig 6 Variation of low temperature performance index with different content

3.2 高溫穩定性能

制備ATBC增塑劑摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#混合料進行車轍試驗分析。通過動穩定度評價瀝青混合料高溫性能，試驗結果如圖7所示。

由圖7(a)可知，中海90#瀝青混合料45 min和60 min累計車轍深度大小與ATBC增塑劑的摻量成正相關，其中45 min的累計車轍深度增幅更加明顯。

與之相反，圖7(b)中動穩定度的變化與ATBC增塑劑的摻量成反比，中海90#瀝青混合料中增塑劑摻量越大，動穩定度越小。與基質瀝青混合料相比，摻量3.5%ATBC瀝青混合料的動穩定度下降了37.07%，對于混合料的高溫穩定性能影響較大。瀝青混合料動穩定度的下降與瀝青試驗中軟化點和當量軟化點的下降有一定相同性。綜上所述，ATBC增塑劑的添加對瀝青混合料的高溫性能造成了較大的不利影響。

圖7 瀝青混合料累積變形和動穩定度Fig 7 Cumulative deformation and dynamic stability of asphalt mixture

3.3 水穩定性

制備ATBC摻量為0%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的中海90#瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，試驗結果見圖8。

由圖8可知，隨著ATBC增塑劑的加入，瀝青的殘余穩定度和凍融劈裂強度比有一定程度的提高。3.5%ATBC摻量的混合料殘余穩定度與基質瀝青混合料相比提升了5.84%。相對于殘余穩定度，混合料加入ATBC增塑劑后的凍融劈裂強度比提升比較顯著，線性增長關系也更清楚。基質瀝青混合料的凍融劈裂強度比只有72.55%，ATBC增塑劑摻量2.5%時，增長了1.8%，摻量3.5%時，達到8.58%。這可能是因為ATBC增塑劑在瀝青結合料和集料表面之間起到橋梁作用，促進附著力，抵抗水的作用。這通常是因為ATBC分子具有極化的末端，其電荷吸引另一種材料的相反電荷，使其能夠瀝青結合到骨料表面，并與瀝青粘合劑相容。可以看出，ATBC增塑劑對于瀝青混合料的水穩定性有較好的改善效果。

圖8 瀝青混合料殘余穩定度和凍融劈裂強度比Fig 8 Residual stability and freeze thaw splitting strength ratio of asphalt mixture

4 結 論

選用SK70#、SK90#、中海90#3種瀝青，分別加入4種不同摻量ATBC增塑劑對基質瀝青進行改性，并選用改性后的中海90#瀝青制備瀝青混合料試件，通過一系列試驗對比加入ATBC增塑劑前后多種指標的變化，分析了ATBC增塑劑對瀝青及瀝青混合料的影響，主要結論如下。

(1)ATBC增塑劑能顯著改善瀝青結合料的低溫性能，但會降低高溫性能，增塑劑摻量越高，上述效果越明顯；在感溫性能方面，ATBC增塑劑的加入使得瀝青結合料的感溫性能略有提高。

(2)摻加ATBC增塑劑的瀝青混合料抗彎拉強度和最大彎拉應變均有所提高，3.5%ATBC摻量可以使瀝青混合料最大彎拉應變提升13.74%，兩指標隨著ATBC增塑劑摻量的增加而提高，表明ATBC增塑劑的添加對瀝青混合料的低溫性能有所提升。

(3)當ATBC增塑劑摻量不斷增加時，瀝青混合料的高溫動穩定度數值隨之減小，當增塑劑摻量為3.5%時，動穩定度數值下降37.07%，瀝青混合料高溫性能明顯降低。

(4)在瀝青混合料水穩定性方面，添加ATBC增塑劑的瀝青混合料的殘余穩定度和凍融劈裂強度比均有所提高，且隨增塑劑摻量的逐漸增加，瀝青混合料的殘余穩定度可提高5.84%，凍融劈裂強度比提升8.58%，其對提高瀝青混合料抗水損害方面有一定提升。