HPD溫拌劑對(duì)高粘瀝青性能影響研究*

郝運(yùn)哲，董夫強(qiáng)，孫鵬程

（河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

為了貫徹落實(shí)國(guó)家對(duì)“海綿城市”、“資源環(huán)保型社會(huì)”的要求，排水路面、微罩面等技術(shù)受到專家學(xué)者的重視，高粘瀝青作為其關(guān)鍵核心材料，具有粘度高、抗車轍能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但高粘瀝青因其粘度過高會(huì)大大提高其拌合壓實(shí)溫度，造成資源損耗、環(huán)境污染等問題［1-4］。為此，本研究擬向高粘瀝青中加入新型溫拌劑改善高粘瀝青的粘溫性能，使瀝青的施工溫度得到降低，達(dá)到節(jié)約能源、減少污染物排放的效果。

溫拌技術(shù)可以按工作原理分為三種，具體可以分為乳化分散降粘溫拌技術(shù)、發(fā)泡降粘溫拌技術(shù)和有機(jī)降粘溫拌技術(shù)［5］。目前溫拌劑多用于普通瀝青路面，應(yīng)用于高粘瀝青路面較少。楊彥海等［6］研究了溫拌劑對(duì)應(yīng)用于普通路面瀝青的性能影響，發(fā)現(xiàn)溫拌劑的加入對(duì)路用瀝青混合料的性能不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，并且可以降低施工總成本。程萬里等［7］在將溫拌技術(shù)應(yīng)用于高速公路瀝青路面時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫拌技術(shù)的應(yīng)用可以減少高速公路上病害發(fā)生。Frigio等［8］通過在瀝青中加入溫拌劑，并對(duì)其進(jìn)行老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫拌技術(shù)可以提高老化后瀝青混合料的抗疲勞性能。目前傳統(tǒng)溫拌技術(shù)用于高粘瀝青時(shí)，能到達(dá)一定效果，但是會(huì)對(duì)高粘瀝青的使用性能尤其是低溫性能造成損害。徐國(guó)其、孫敏等［9-10］的研究發(fā)現(xiàn)，溫拌劑的密度、相對(duì)分子質(zhì)量等與改性瀝青的性質(zhì)相差較大，這就會(huì)在瀝青儲(chǔ)存時(shí)出現(xiàn)離析等問題。丁鵬等［11］在研究不同溫拌高粘瀝青性能時(shí)提出，傳統(tǒng)溫拌劑例如Sasobit溫拌劑、EC120溫拌劑可以提高瀝青的高溫性能，但是溫拌高粘瀝青的低溫蠕變勁度和速率較普通高粘瀝青會(huì)降低33.3%。陳穎川等［12］研究多種降粘型溫拌劑對(duì)高粘瀝青使用性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫拌劑加入后，瀝青軟化點(diǎn)有所提升，但是延度較普通高粘瀝青下降了30%。所以現(xiàn)階段需要對(duì)溫拌劑進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)用于高粘瀝青路面的新型溫拌劑開發(fā)的研究較少，從節(jié)能環(huán)保、材料性能等方面考慮，新型溫拌劑的開發(fā)使用是一個(gè)十分重要的問題。因此，本文將通過對(duì)比自主研發(fā)新型粉末狀HPD溫拌劑與傳統(tǒng)sasobit溫拌劑對(duì)高粘改性瀝青高低溫性能以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證自主研發(fā)HPD溫拌劑的優(yōu)越性，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推薦一個(gè)最適宜摻量供工程應(yīng)用。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青

本研究所采用的基質(zhì)瀝青為江蘇通沙瀝青廠生產(chǎn)的道路用70#基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Properties of matrix asphalt

1.1.2 SBS改性劑

本研究采用YH-791型SBS改性劑，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 SBS改性劑技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of SBS modifier

1.1.3 溫拌劑

本研究采用的HPD溫拌劑（圖1）是自主研發(fā)的一種新型粉末狀蠟基瀝青添加劑，由多種化工產(chǎn)品、瀝青改性劑和其他輔助材料合成；外形為白色粉末，在使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品，是一種無刺激性氣味、無污染的環(huán)保型產(chǎn)品。

圖1 粉末狀HPD溫拌劑Fig.1 Powder warm mixture

1.1.4 溫拌高粘改性瀝青的制備

溫拌高粘改性瀝青的制備采用高速剪切法，室內(nèi)制備工藝如圖2所示。

圖2 摻加溫拌劑的高粘瀝青的制備流程Fig.2 Preparation process of high viscosity asphalt mixed with heating admixture

1.2 試驗(yàn)方法

（1）基本指標(biāo)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》( JTG E20-2011)，對(duì)不同摻量高粘瀝青的基本指標(biāo)(包括針入度、軟化點(diǎn)、延度、粘度)進(jìn)行檢濁分析。

（2）高溫指標(biāo)

使用TA-AR1500EX動(dòng)態(tài)流變剪切儀分別對(duì)HPD溫拌劑摻量為0%、1.8%、2%、2.2%和sasobit摻量為2.0%的改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，以fail temperature評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。

（3）微觀性能

通過傅里葉紅外光譜和熒光顯微鏡對(duì)溫拌高粘改性瀝青和普通高粘改性瀝青進(jìn)行觀察，分析溫拌劑對(duì)瀝青微觀結(jié)構(gòu)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)性能

HPD溫拌劑在改善高溫性能方面表現(xiàn)尤為明顯，摻量分別為0%、1.8%、2%、2.2%的HPD溫拌劑（下文稱為“H”）以及摻量為2%的sasobit溫拌劑（下文稱為“sa”）對(duì)改性瀝青的基本性能影響見表3。

表3 不同摻量溫拌劑對(duì)瀝青常規(guī)性能的影響Table 3 Influence of different dosage of warm mixture on conventional performance of asphalt

從表3可以看出，溫拌高粘改性瀝青的軟化點(diǎn)和60℃動(dòng)力粘度要高于普通高粘瀝青，5℃延度要低于普通高粘瀝青，且當(dāng)HPD溫拌劑摻量上升時(shí)，軟化點(diǎn)和60℃動(dòng)力粘度最大上升幅度可以達(dá)到12.0%和27.0%，5℃延度下降幅度達(dá)到27.3%。相同摻量下，HPD溫拌劑對(duì)高粘瀝青軟化點(diǎn)和60℃動(dòng)力粘度的改善效果要好于sasobit溫拌劑，對(duì)比兩者瀝青低溫性能的影響時(shí)可以看到，添加sasobit溫拌劑的高粘改性瀝青的延度要小于30cm，已經(jīng)不符合規(guī)范要求，相同摻量下，添加HPD溫拌劑的高粘瀝青延度要比傳統(tǒng)溫拌高粘瀝青高21.1%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HPD溫拌劑可以使高粘瀝青的高溫性能得到提升；而延度下降，說明HPD溫拌劑對(duì)高粘瀝青的低溫性能有不利影響，會(huì)降低瀝青路面的低溫抗裂性能，但是相較于傳統(tǒng)溫拌劑，HPD溫拌劑對(duì)高粘瀝青低溫性能的損傷有一定程度的改善。這是因?yàn)镠PD溫拌劑本身是一種蠟基溫拌劑，會(huì)在瀝青中發(fā)生溶脹作用，吸附瀝青中的飽和分，對(duì)瀝青中改性劑的分子鏈有潤(rùn)滑效果，溫度越高，作用效果越顯著；溫度降低時(shí)，HPD溫拌劑析出飽和分晶體，溶脹作用發(fā)揮不出效果，潤(rùn)滑作用在高分子鏈中無法起到作用，微觀運(yùn)動(dòng)受阻，使得在低溫情況下，改性瀝青出現(xiàn)變硬變脆的現(xiàn)象。

2.2 粘溫特性

布氏粘度用來表征瀝青抵抗流動(dòng)和變形的能力，是美國(guó)SHRP計(jì)劃用來評(píng)價(jià)瀝青的粘度性能以及溫拌效果的關(guān)鍵指標(biāo)，其大小影響瀝青施工和易性。高粘瀝青施工溫度通常較高，此時(shí)高粘瀝青粘度較小，約為10-1Pa·s數(shù)量級(jí)；但是在溫度較低時(shí)，瀝青粘度變大，近乎處于固體狀態(tài)，這時(shí)的粘度可以達(dá)到1011Pa·s數(shù)量級(jí)。瀝青在135℃時(shí)的布氏粘度過高時(shí)，不僅會(huì)對(duì)施工造成不利影響，從而影響路面壽命和使用性能，還會(huì)造成成本造價(jià)過高等問題［13］。本文考察了HPD以及sasobit溫拌劑摻量對(duì)高粘瀝青135℃布氏粘度影響規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同摻量溫拌高粘瀝青布氏粘度曲線圖Fig.3 Brookfield viscosity curves of different content of warm mix high viscosity asphalt

從圖3可以看出，隨著溫度的上升，高粘瀝青樣品的布氏粘度均不斷減小，這表明在溫度上升的過程中，高粘瀝青內(nèi)部的粘聚力有所下降，對(duì)瀝青的施工有一定積極影響；在相同溫度，溫拌高粘瀝青的粘度都要小于普通高粘瀝青，隨著HPD溫拌劑摻量的增加，最大降低幅度可以達(dá)到39.47%；達(dá)到同一粘度時(shí)，普通高粘瀝青所需達(dá)到的溫度要比溫拌高粘瀝青最多高15℃。隨著HPD溫拌劑摻量的增加，高粘瀝青布氏粘度的下降速率一直處于較大的狀態(tài)，但是當(dāng)溫度大于155℃時(shí)，布氏粘度變化趨于平緩。同時(shí)還可以看出，相同溫度下，加入HPD溫拌劑的高粘瀝青粘度要小于加入相同摻量sasobit溫拌劑的高粘瀝青，這也表明HPD溫拌劑對(duì)瀝青性能的改善效果要優(yōu)于傳統(tǒng)sasobit溫拌劑。高粘瀝青的拌和與壓實(shí)溫度可以以粘溫曲線上（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.02）Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度確定，由計(jì)算可得，溫拌劑加入后，瀝青的施工溫度明顯得到降低，且HPD溫拌高粘瀝青的拌和壓實(shí)溫度都要低于同摻量sasobit溫拌高粘瀝青（如圖4所示），并且隨著溫拌劑摻量的增加，拌和溫度最高可以降低10℃，壓實(shí)溫度最高可以降低9℃，可以有效提高瀝青的施工和易性，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖4 不同摻量溫拌高粘瀝青拌和壓實(shí)溫度Fig.4 Compaction temperature of mixed high viscosity asphalt with different dosage

2.3 高溫特性

對(duì)加入不同摻量HPD溫拌劑以及sasobit溫拌劑的高粘瀝青進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，溫度控制在52～88 ℃之間，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同摻量溫拌高粘瀝青復(fù)數(shù)剪切模量Fig.5 G＊ of warm mixed high viscosity asphalt with different dosage

圖6 不同摻量溫拌高粘瀝青相位角Fig.6 δ of warm mixed high viscosity asphalt with different dosage

從圖5、圖6可以看到，溫拌高粘瀝青與普通高粘瀝青相比，復(fù)數(shù)剪切模量G*增加而相位角δ減小。當(dāng)HPD溫拌劑摻量的增加時(shí)，在相同溫度，G*值不斷增高，但是δ值不斷減小。同時(shí)，在溫度為58℃時(shí)，添加HPD溫拌劑的高粘瀝青比加入同劑量sasobit溫拌劑的模量提高最高，幅度達(dá)到16%。相位角大小反應(yīng)了瀝青體系的粘彈性關(guān)系，相位角越小，瀝青體系彈性越好。由于HPD溫拌劑加入，高粘瀝青體系的彈性得到改善，高溫性能有所提高，且改善效果優(yōu)于sasobit溫拌劑。

可以由實(shí)驗(yàn)得出瀝青試樣的抗車轍因子G*/sinδ，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同摻量溫拌高粘瀝青車轍因子Fig.7 G＊/sinδ result for different dosage of warm mixing agent

由圖7可以看出，溫度相同時(shí)，溫拌高粘瀝青的車轍因子要大于普通高粘瀝青，且摻量增加時(shí)，車轍因子也會(huì)隨之增大，HPD摻量為2.2%時(shí)，高粘瀝青車轍因子達(dá)到最大值；在相同溫度下，添加HPD溫拌劑的高粘瀝青瀝青車轍因子要大于加入同摻量sasobit溫拌劑的瀝青車轍因子。說明HPD溫拌劑的加入可以提高改性瀝青的高溫性能，且效果要優(yōu)于sasobit溫拌劑。根據(jù)數(shù)據(jù)建立車轍因子對(duì)數(shù)值log（G*/sinδ）～溫度T的關(guān)系圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同摻量溫拌高粘瀝青l(xiāng)og(G＊/sinδ)～T曲線Fig.8 log(G＊/sinδ)～T result of different dosage of warm mixing agent modified asphalt

美國(guó)SHRP研究計(jì)劃將G*/sinδ=1kPa時(shí)得出的溫度定為瀝青的破壞溫度（fail temperature）。梁星敏等［14］的研究表明，當(dāng)高粘瀝青的破壞溫度小于環(huán)境溫度時(shí)，車轍等病害在瀝青路面發(fā)生的概率要更大。根據(jù)圖8回歸擬合公式計(jì)算不同摻量的高粘改性瀝青破壞溫度，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同溫拌劑摻量的改性瀝青的破壞溫度Table 4 Fail temperature of different dosage of warm mixing agent modified asphalt

由表4可以看出，普通高粘瀝青的破壞溫度要低于溫拌高粘改性瀝青，且隨著HPD溫拌劑摻量的增加，高粘改性瀝青的破壞溫度不斷升高，HPD摻量在2.0%～2.2%范圍時(shí)，破壞溫度增幅顯著增大，對(duì)高粘瀝青高溫性能改善最為明顯。同時(shí)可以看出，當(dāng)摻量相同時(shí)，HPD溫拌高粘瀝青的破壞溫度要高于添加sasobit溫拌劑的高粘瀝青，表明自主研發(fā)的HPD溫拌劑較傳統(tǒng)的sasobit溫拌劑相比，對(duì)瀝青的高溫性能改善效果要更優(yōu)異。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

2.4.1 紅外光譜分析

從微觀角度來看，物質(zhì)之間分子結(jié)構(gòu)是不相同的,使用傅里葉變換紅外光譜儀能夠得到不同的譜帶［15-16］，可以利用譜帶對(duì)物質(zhì)進(jìn)行研究。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)HPD摻量為2.0%的高粘改性瀝青、普通高粘改性瀝青和HPD溫拌劑進(jìn)行紅外光譜掃描，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)譜圖Fig.9 Experimental spectrum of Fourier infrared spectroscopy

將兩種瀝青對(duì)照可以發(fā)現(xiàn)，只有在波數(shù)1600cm-1左右，溫拌高粘瀝青出現(xiàn)新的吸收峰，根據(jù)孟勇軍等［17］的研究表明，這主要是由于峰芳環(huán)C=C的含量變化。對(duì)比HPD溫拌劑的紅外光譜可以發(fā)現(xiàn)，這是添加HPD溫拌劑的效果，用Origin軟件計(jì)算圖9中C=C面積比，可知隨著HPD溫拌劑的摻加，C=C透光度有所增多，而C=C作為雙鍵，其鍵能較高，是瀝青試樣力學(xué)性能的主要來源，由此解釋了流變性能試驗(yàn)中溫拌高粘改性瀝青性能得以改善的原因。除此之外，兩種瀝青特征峰峰形基本相同，只是峰的強(qiáng)度存在差異，這說明溫拌劑、改性劑和基質(zhì)瀝青之間存在某些組分之間的相互作用，但是并不會(huì)產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)。

2.4.2 熒光顯微鏡分析

瀝青的微觀結(jié)構(gòu)可以通過IMAGER Z2電動(dòng)熒光顯微鏡觀濁，圖10、圖11為普通高粘改性瀝青和HPD摻量為2.0%的溫拌高粘改性瀝青在熒光顯微鏡下的圖像，放大倍數(shù)為400倍。

圖10 普通高粘改性瀝青 Fig.10 Common high viscosity modified asphalt

圖11 溫拌高粘改性瀝青Fig.11 Warm mix high viscosity modified asphalt

通過圖10、圖11的對(duì)比，可以看到，圖中發(fā)光物主要是SBS顆粒，在高粘改性瀝青中添加溫拌劑前后，SBS分布發(fā)生了很大變化，加入溫拌劑前，SBS顆粒存在聚集現(xiàn)象，且在瀝青中分布不均勻，說明SBS在瀝青中的溶脹不徹底；加入HPD溫拌劑后SBS顆粒在瀝青中分布均勻，形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且沒有明顯的聚集現(xiàn)象，使SBS在瀝青中的溶脹更為明顯。由此可知，HPD溫拌劑的加入可以使其在瀝青中分布更均勻，從而使兩者接觸更加充分作用，對(duì)SBS在瀝青中的溶脹情況進(jìn)行改善，這也是高粘改性瀝青性能得以明顯改善的原因。

3 結(jié)論

（1）HPD溫拌高粘瀝青的軟化點(diǎn)、60℃動(dòng)力粘度、車轍因子和破壞溫度均優(yōu)于普通高粘瀝青與傳統(tǒng)sasobit溫拌高粘瀝青，HPD溫拌劑摻量在2.0%～2.2%時(shí)提升幅度最大，對(duì)高粘瀝青高溫性能改善效果最好。

（2）HPD溫拌劑對(duì)高粘瀝青低溫性能損傷效果有所改善，傳統(tǒng)sasobit溫拌高粘瀝青延度小于HPD溫拌高粘瀝青且已經(jīng)不符合規(guī)范要求，在工程使用過程中要注意溫拌劑的摻量。

（3）HPD溫拌劑的摻加可以達(dá)到節(jié)能減排的效果，有效地改善瀝青的施工和易性，可以降低高粘瀝青拌和壓實(shí)溫度10℃左右，優(yōu)于摻加sasobit溫拌劑的高粘改性瀝青。

（4）HPD溫拌劑的加入促進(jìn)了SBS在瀝青中的溶脹效果，從而提高高粘瀝青各項(xiàng)使用性能，且不會(huì)在高粘瀝青中形成新的官能團(tuán)和化學(xué)物質(zhì)。

（5）綜合溫拌劑對(duì)高粘瀝青高低溫性能、粘溫特性、微觀結(jié)構(gòu)的影響以及造價(jià)成本，推薦HPD溫拌劑的合適摻量為2.0%～2.2%。