何兆益，蔣斌，譚洋偉，孔林，李家琪

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

溫拌瀝青技術(shù)能夠降低瀝青混合料在生產(chǎn)和施工過(guò)程中的能源消耗，減少有毒有害氣體排放，延長(zhǎng)施工季節(jié)，并改善施工環(huán)境，是目前行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)[1-2]。Sasobit作為世界上使用量最大的一種有機(jī)降黏溫拌劑，主要通過(guò)降低瀝青高溫黏度來(lái)降低瀝青混合料的拌和溫度，同時(shí)可以提升瀝青高溫性能和抗疲勞性能，但當(dāng)其摻量>2%時(shí)，會(huì)顯著降低瀝青低溫性能，對(duì)路面的使用性能造成不利影響[2-4]。

增塑劑是一種常見(jiàn)的用于改善材料彈性和延展性的塑料助劑，添加到材料中能夠使大分子間間距增大，降低分子間的作用力，從而起到增塑效果[5-6]。本文選擇三款常見(jiàn)增塑劑分別對(duì)Sasobit溫拌瀝青進(jìn)行二次改性，研究增塑劑對(duì)Sasobit溫拌瀝青降黏效果以及高低溫性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

東海70#瀝青(基質(zhì)瀝青)、溫拌劑(Sasobit)、增塑劑鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)、檸檬酸三丁酯(TBC)、馬來(lái)酸二辛脂(DOM)均為工業(yè)品。

布洛克菲爾德黏度計(jì)；DHR-2動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

1.2 溫拌瀝青改性

將70#基質(zhì)瀝青加熱到150 ℃左右，添加瀝青質(zhì)量3%的Sasobit，在1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切 20 min，得到Sasobit溫拌瀝青。加入瀝青質(zhì)量 2.5% 的增塑劑，在相同剪切速率下剪切20 min，得到增塑劑改性溫拌瀝青。為方便后續(xù)研究，將70#基質(zhì)瀝青記為J，Sasobit溫拌瀝青記為SA，不同增塑劑改性溫拌瀝青記為SA+DOP、SA+TBC、SA+DOM。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 布氏黏度 通過(guò)布洛克菲爾德黏度計(jì)對(duì)不同瀝青制樣進(jìn)行布氏黏度實(shí)驗(yàn)，選用21號(hào)轉(zhuǎn)子，從120～165 ℃，每15 ℃測(cè)試1次黏度，每種瀝青做2次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值作為測(cè)定值。

1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)(DSR) 采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同瀝青試樣進(jìn)行DSR實(shí)驗(yàn)，選用直徑為25 mm的金屬板，板間距1 mm，頻率10 rad/s，應(yīng)變12%，實(shí)驗(yàn)溫度46，52，58，64，70，76 ℃。

1.3.3 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)(MSCR) 利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀的蠕變模式進(jìn)行MSCR實(shí)驗(yàn)，選擇 25 mm 直徑金屬板，溫度控制在64 ℃，板間隙為 1 mm，首先在0.1 kPa應(yīng)力下以加載1 s卸載9 s為1個(gè)周期，循環(huán)10個(gè)周期后，切換3.2 kPa應(yīng)力重復(fù)上述操作。整個(gè)過(guò)程采用同一個(gè)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 測(cè)力延度實(shí)驗(yàn)(FDT) 選用普通延度模具，測(cè)試溫度為10 ℃。實(shí)驗(yàn)前先將試樣在10 ℃下保溫1.5 h，然后采用50 mm/min的速度進(jìn)行拉伸，直到力為0，或試件被拉斷即停止，并記錄每個(gè)試樣的最大峰值力和最大延度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 降溫效果評(píng)價(jià)

降低拌和溫度一直以來(lái)就是溫拌瀝青技術(shù)的主要目標(biāo)之一，通過(guò)測(cè)定瀝青的高溫黏度，可以確定瀝青達(dá)到拌和黏度所需溫度，從而對(duì)不同瀝青的降溫效果進(jìn)行比較。不同瀝青在不同溫度下的黏度見(jiàn)圖1，采用saal函數(shù)lglg(η)=A-Blg(273.13+T)對(duì)其進(jìn)行擬合，其中T為溫度，η為T溫度下的黏度，A、B為常數(shù)，得到不同瀝青的黏溫方程與降溫效果，見(jiàn)表1。

圖1 不同瀝青黏溫曲線

表1 不同瀝青的黏溫方程以及降溫效果

由圖1可知，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的布氏黏度均隨著溫度的增加而降低，溫度>150 ℃時(shí)，瀝青黏度變化趨于平緩；添加3%Sasobit后，瀝青的黏度顯著降低，與基質(zhì)瀝青相比，黏度平均下降30%以上；三種增塑劑均能夠降低Sasobit溫拌瀝青的黏度，其中SA+TBC黏度最低，但不同增塑劑改性溫拌瀝青之間的黏溫曲線相差并不明顯。我國(guó)規(guī)范要求，瀝青的拌和黏度需控制在0.15～0.19 Pa·s范圍內(nèi)，將其代入黏溫方程，即可反算出瀝青的拌和溫度，由表1可知，基質(zhì)瀝青的拌和溫度為157.5～164.2 ℃，Sasobit 溫拌瀝青較基質(zhì)瀝青溫度降低約15 ℃，添加DOP、TBC和DOM后，降低溫度分別為約19，20，17 ℃，與Sasobit溫拌瀝青相比，降溫效果分別提升了26.7%，33.3%和13.3%，增塑劑TBC的降黏效果最佳。

2.2 高溫性能

2.2.1 DSR 在美國(guó)SHRP規(guī)范中，常采用DSR實(shí)驗(yàn)的相位角(δ)和車轍因子(G*/sinδ)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性。其中，相位角反映了瀝青彈性成分和黏性成分的比例，其值越大，瀝青中黏性成分所占比例就越大；車轍因子表征瀝青的抗變形能力，在同一溫度下，車轍因子(G*/sinδ)越大，瀝青的高溫穩(wěn)定性越好[7]。不同瀝青的DSR測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 DSR測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，隨著Sasobit的加入，基質(zhì)瀝青的相位角明顯減小，說(shuō)明Sasobit會(huì)改變?yōu)r青組分，使瀝青彈性成分增加；而三款增塑劑會(huì)使Sasobit溫拌瀝青的相位角增大，黏性成分增加。隨著溫度上升，不同瀝青的車轍因子均呈下降趨勢(shì)，溫度低于64 ℃時(shí)，車轍因子衰減速度較快，當(dāng)溫度>64 ℃時(shí)，車轍因子變化趨于平緩。不同溫度下，Sasobit溫拌瀝青的車轍因子均接近基質(zhì)瀝青的2倍，而三款增塑劑的添加，降低了Sasobit溫拌瀝青的車轍因子，說(shuō)明三款增塑劑對(duì)其高溫性能有不利影響，其中，DOM/Sasobit復(fù)合改性瀝青的車轍因子變化最小，TBC/Sasobit復(fù)合改性瀝青的車轍因子下降最為明顯，其高溫流變性能與基質(zhì)瀝青接近。值得注意的是，溫度低于52 ℃時(shí)，TBC/Sasobit復(fù)合改性瀝青的車轍因子小于基質(zhì)瀝青，而當(dāng)溫度>52 ℃時(shí)，其車轍因子反而大于基質(zhì)瀝青，這是因?yàn)樵鏊軇┲饕ㄟ^(guò)增大分子間隙來(lái)削弱分子間的范德華力，從而使分子鏈易于移動(dòng)，隨著溫度升高，分子間間距自然增大，增塑劑的改性效果削弱，對(duì)Sasobit的結(jié)晶作用影響減小，從而導(dǎo)致TBC/Sasobit復(fù)合改性瀝青的車轍因子大于基質(zhì)瀝青。

2.2.2 MSCR 相關(guān)研究表明，軟化點(diǎn)、車轍因子等瀝青高溫指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能，而MSCR實(shí)驗(yàn)更能有效表征瀝青真實(shí)永久變形[8]。因此，本文對(duì)不同瀝青進(jìn)行了MSCR實(shí)驗(yàn)，得到瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異(Jnr-diff)，其中Jnr反映瀝青的抗永久變形能力，在同一溫度、同一應(yīng)力水平下，Jnr值越小，瀝青的抗車轍性能越好，而Jnr-diff表征瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感性，其值越大，對(duì)應(yīng)力越敏感[9]。不同瀝青的Jnr和Jnr-diff見(jiàn)圖3和圖4。

瀝青種類

瀝青種類

由圖3可知，基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃窟h(yuǎn)大于改性瀝青，Jnr0.1按由大到小排序?yàn)榛|(zhì)瀝青>TBC/Sasobit改性瀝青>DOP/Sasobit改性瀝青>DOM/Sasobit改性瀝青>Sasobit溫拌瀝青，Jnr3.2排序同樣如此，說(shuō)明0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下基質(zhì)瀝青抗永久變形能力最差；Sasobit使基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃拷档?，高溫性能得到提升，而三款增塑劑?duì)Sasobit溫拌瀝青高溫性能均有不利影響，其中TBC影響最大，DOM影響最?。粨饺隩BC后，Sasobit 溫拌瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2分別由0.48和0.788上升到1.082和1.842，增長(zhǎng)了約2.3倍。對(duì)比圖4不同瀝青的Jnr-diff值可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青的Jnr-diff較小，僅為3.11%，添加Sasobit后，Jnr-diff值突增到64.17%，而不同增塑劑也會(huì)使Jnr-diff值上升，說(shuō)明應(yīng)力對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能影響較小，而改性瀝青對(duì)應(yīng)力表現(xiàn)得更為敏感。

DSR和MSCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在64 ℃下，Sasobit 溫拌瀝青的高溫性能最好，而三款增塑劑雖然會(huì)降低Sasobit溫拌瀝青的高溫性能，但降低幅度有限，與基質(zhì)瀝青相比，增塑劑/Sasobit復(fù)合改性瀝青仍具有良好的高溫性能。

2.3 低溫性能

近年來(lái)，低溫延度、低溫針入度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等指標(biāo)能否準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青低溫性能受到質(zhì)疑[9]。部分學(xué)者對(duì)測(cè)力延度實(shí)驗(yàn)展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)其具有操作方便、制樣簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且測(cè)試得到的拉伸柔度指標(biāo)具有較大區(qū)分度，能夠較好地反映改性瀝青的低溫變形能力[10-11]。因此，本文采用拉伸柔度對(duì)不同瀝青的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。拉伸柔度(f)為最大延度與最大力之間的比值，f值越大，瀝青的低溫變形能力越好。不同瀝青的測(cè)力延度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)力延度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，Sasobit的加入，使瀝青的峰值力增大，最大延度值降低，拉伸柔度由2.31 mm/N下降到0.37 mm/N，降低了84%，低溫延展能力明顯減小，這是因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，Sasobit會(huì)與瀝青本身存在的蠟分一起結(jié)晶析出，形成穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，使瀝青變脆變硬[12]。三款增塑劑均能降低Sasobit溫拌瀝青的峰值力，增大最大延度，使其低溫性能得到改善，摻入2.5%DOP、TBC、DOM后，Sasobit拉伸柔度分別提升了4.9，4.3和1.2倍，DOP和TBC的提升幅度最大，其低溫性能接近基質(zhì)瀝青，說(shuō)明DOP和TBC均能極大彌補(bǔ)Sasobit導(dǎo)致的低溫性能下降。

3 結(jié)論

(1)增塑劑DOP、TBC和DOM均可使Sasobit溫拌瀝青的生產(chǎn)溫度進(jìn)一步降低，DOP、TBC和DOM對(duì)Sasobit的降溫增幅分別為26.7%，33.3%和13.3%，TBC/Sasobit的組合降溫效果最好。

(2)三款增塑劑的添加會(huì)使Sasobit溫拌瀝青的車轍因子減小，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭龃?，高溫性能變差，但其高溫性能仍?yōu)于基質(zhì)瀝青。

(3)Sasobit會(huì)明顯弱化瀝青的低溫性能，使在低溫環(huán)境下變脆變硬，但通過(guò)添加增塑劑可以削弱Sasobit的結(jié)晶作用，極大改善Sasobit溫拌瀝青的低溫性能。

(4)DOP對(duì)Sasobit溫拌瀝青的高溫性能影響較小，同時(shí)具有較大的降溫效果和低溫性能增幅，推薦采用DOP對(duì)Sasobit溫拌瀝青進(jìn)行改善。