王昊宇，宗有杰，王志斌，張少波，李駿，閆曉慧，熊銳

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 霸州 065799)

高黏改性瀝青由于良好的抗剝落性、高黏度及高軟化點(diǎn)等特點(diǎn)常用于排水瀝青路面[1-2]。TPS改性劑具有裹附力強(qiáng)、抗變形能力及黏附性好等特點(diǎn)常用于高黏改性瀝青，缺點(diǎn)為價(jià)格較高[3-4]。故研制性能優(yōu)良且價(jià)格低廉的高黏改性瀝青及高黏瀝青改性劑引起人們關(guān)注。新型改性劑如SINO TPS、橡膠/SBS、RST、S型及C9石油樹(shù)脂/SBS等制備高黏改性瀝青的各項(xiàng)性能均優(yōu)于TPS高黏改性瀝青且較大程度降低成本[5-10]。

本文選用上海浦東路橋研制的RST(Road Science Technology)高黏改性劑，從多孔瀝青路面對(duì)高黏瀝青技術(shù)特點(diǎn)的需求出發(fā)試驗(yàn)制得RST高黏改性瀝青，對(duì)其感溫性能、貯存穩(wěn)定性以及微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行研究分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)選用韓國(guó)SK A-70#基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1；RST改性劑，由上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司研制，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

FM300高剪切分散乳化機(jī)；WSY-025F軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀；LYY-10A瀝青延伸度儀；SYD-2801F針入度試驗(yàn)儀；NDJ-1CBrookfield旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；WMX-3930改性瀝青熒光檢測(cè)顯微鏡。

表1 SK A-70#基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of SK A-70# base asphalt

表2 RST改性劑各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of RST modifier

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

工藝流程見(jiàn)圖1。將SK A-70#基質(zhì)瀝青加熱至軟化后加入RST改性劑，將改性瀝青置于控溫電熱爐加熱到185 ℃，并以1 000 r/min剪切20 min后，將轉(zhuǎn)速提升至5 000 r/min剪切1 h；剪切完成后進(jìn)行人工攪拌且溫度控制在(185±5)℃，直至高黏改性瀝青發(fā)育完成。

圖1 RST高黏改性瀝青制備工藝Fig.1 Preparation technology of RST high viscosity modified asphalt

實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。首先，通過(guò)對(duì)不同摻量RST高黏改性瀝青的PI、PVN、VTS進(jìn)行測(cè)定并計(jì)算，對(duì)其感溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；其次，采用離析管試驗(yàn)法對(duì)高黏改性瀝青的48 h貯存穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定；最后，通過(guò)測(cè)定高黏改性瀝青的延度、軟化點(diǎn)及針入度并進(jìn)行熒光顯微實(shí)驗(yàn)，分析RST摻量對(duì)高黏改性瀝青的影響及微觀機(jī)理。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Test flow chart

2 結(jié)果與討論

2.1 感溫性評(píng)價(jià)

2.1.1 針入度指數(shù) 針入度指數(shù)(PI)是分析中溫環(huán)境下瀝青感溫性的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定溫度為15，25，30 ℃，不同摻量RST高黏改性瀝青的針入度結(jié)果見(jiàn)表3?；谡n題組前期研究，本文選擇RST摻配比例為瀝青質(zhì)量的7%，9%，11%，13%，15%，17%。通過(guò)公式(1)對(duì)針入度與溫度進(jìn)行回歸分析得到回歸常數(shù)A(通常于0.015～0.06之間)，基于公式(2)求解得到針入度指數(shù)(PI)，分析RST摻量與針入度指數(shù)之間的關(guān)系。

表3 針入度指數(shù)(PI)結(jié)果Table 3 Results of penetration index

lgP=AT+K

(1)

(2)

式中P——針入度，0.1 mm；

T——溫度，℃；

A——溫度敏感系數(shù)；

K——回歸系數(shù)。

不同摻量RST高黏改性瀝青針入度指數(shù)(PI)回歸結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 針入度指數(shù)(PI)回歸結(jié)果Fig.3 Penetration index PI regression results

由表3和圖3可知，溫度范圍為15～30 ℃時(shí)，隨RST改性劑摻量增加，高黏改性瀝青的針入度指數(shù)(PI)不斷增高且回歸常數(shù)(A)逐漸降低，表明RST改性劑可有效改善瀝青的溫度敏感性。其原因?yàn)椋篟ST改性劑發(fā)生溶脹且吸收瀝青的輕質(zhì)組分，提高瀝青中的重組分；此外，部分RST改性劑擴(kuò)散到瀝青中與之形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低高黏改性瀝青的溫度敏感性。然而，由于PI指數(shù)僅分析了高黏改性瀝青中溫度范圍內(nèi)的感溫性，因此其評(píng)價(jià)存在一定的局限性。本文將通過(guò)PVN及VTS對(duì)高黏改性瀝青高溫區(qū)間內(nèi)的感溫性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.2 針入度黏度指數(shù) 我國(guó)夏季路表溫度通常會(huì)達(dá)到50～70 ℃，故選用135 ℃黏度可更好表征中高溫下不同摻量RST高黏改性瀝青的感溫性。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了RST高黏改性瀝青25 ℃針入度與135 ℃黏度，并通過(guò)公式(3)計(jì)算得到PVN[11]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 針入度黏度指數(shù)(PVN)結(jié)果Table 4 Results of penetration viscosity index

PVN(25～135 ℃)

式中P25 ℃——25 ℃針入度，0.1 mm；

η135 ℃——135 ℃黏度，0.1 Pa·s。

由表4可知，隨RST摻量增加PVN逐漸增大，在中高溫環(huán)境下增加RST摻量可降低高黏改性瀝青的溫度敏感性，分析結(jié)果與PI一致。RST摻量由13%增大到15%時(shí)，PVN變化率為7.54%相比其他摻量較顯著；繼續(xù)增加RST摻量至17%時(shí)，僅發(fā)生小幅度變化，變化率為3.31%。究其原因?yàn)椋簱搅康陀?5%時(shí)，RST可吸收瀝青中輕質(zhì)組分形成較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，引起PVN顯著變化；摻量高于15%時(shí)，RST無(wú)法均勻分散于瀝青中，致使PVN變化甚微。

2.1.3 黏溫指數(shù) 為深入評(píng)價(jià)高溫環(huán)境下RST摻量對(duì)高黏改性瀝青感溫性的影響，測(cè)試120，135，150，165 ℃下RST高黏改性瀝青的布氏黏度，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of Brookfield viscosity tests

通過(guò)公式(4)對(duì)RST高黏改性瀝青的黏溫指數(shù)(VTS)進(jìn)行計(jì)算擬合。

lg(lg(η×103))=A+VTS×lg(T+273.13)

(4)

式中P——針入度，0.1 mm；

η——黏度，Pa·s；

VTS——黏溫指數(shù)。

不同摻量RST高黏改性瀝青黏溫指數(shù)回歸結(jié)果見(jiàn)圖4。|VTS|數(shù)值越小表示溫度敏感性越低。

圖4 黏溫指數(shù)(VTS)回歸結(jié)果Fig.4 Viscosity temperature index regression results

由圖4可知，隨RST摻量逐漸增加|VTS|表現(xiàn)為先增大后減小。RST摻量為11%時(shí)，|VTS|最大為3.165，表示其溫度敏感性較高；RST摻量高于11%時(shí)，提高RST摻量可降低|VTS|，表明高黏改性瀝青的感溫性隨RST摻量的增加逐漸改善。

2.2 貯存穩(wěn)定性

為探究RST高黏改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，本文采用離析管實(shí)驗(yàn)法，將6組RST高黏改性瀝青(163±5)℃儲(chǔ)存48 h后，測(cè)其軟化點(diǎn)差值。

不同摻量RST高黏改性瀝青軟化點(diǎn)差見(jiàn)圖5。

圖5 不同摻量RST高黏改性瀝青軟化點(diǎn)差Fig.5 Softening point difference of RST high viscosity modified asphalt with different contents

由圖5可知，RST摻量從9%升至11%時(shí)，軟化點(diǎn)差值變化率為30.77%；RST摻量為17%時(shí)，軟化點(diǎn)差已不滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，離析比較顯著。這表明RST摻量低于15%時(shí)，RST顆粒能夠與瀝青形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且體系Gibbs自由能與表面張力相差甚微，不會(huì)產(chǎn)生改性劑與瀝青相產(chǎn)生脫離。因此，為保證RST高黏改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，RST改性劑摻量應(yīng)不超過(guò)15%。

2.3 RST摻量對(duì)改性瀝青的影響及微觀機(jī)理分析

本文通過(guò)測(cè)試RST高黏改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、針入度，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同摻量RST改性劑對(duì)高黏改性瀝青性能的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同摻量RST高黏改性瀝青常規(guī)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of conventional indexes of RST high viscosity modified asphalt with different contents

由表6可知，隨RST摻量增加，RST不斷吸收瀝青中輕質(zhì)組分從而提高瀝青質(zhì)含量，針入度逐漸降低；軟化溫度為彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的溫度，軟化溫度越高則表明熱穩(wěn)定性越好，高黏改性瀝青的熱穩(wěn)定性隨RST摻量增加逐漸升高；延度隨RST摻量增加而上升，15%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)并開(kāi)始下降。

RST摻量由11%增至13%時(shí)，延度及軟化點(diǎn)發(fā)生較大變化且變化率為40.55%及10%；RST摻量增至17%時(shí)，高黏改性瀝青的延度并無(wú)持續(xù)提升，其原因?yàn)镽ST已不能在瀝青中均勻混合。綜上，加入RST改性劑可有效提高基質(zhì)瀝青性能，且RST摻量為15%時(shí)性能達(dá)到最優(yōu)。

RST高黏改性瀝青的制備是一種三元共混體系下二階熱混過(guò)程。改性分為兩個(gè)階段：一階熱混為RST網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，即通過(guò)分子鏈的取代及分子間的相互作用力，使RST改性劑形成穩(wěn)定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；二階熱混為RST對(duì)瀝青的改性作用，RST由于保持溶脹狀態(tài)并吸收瀝青中輕質(zhì)組分，增大重質(zhì)組分在體系中的相對(duì)含量，宏觀表現(xiàn)為瀝青變稠，從而提高體系穩(wěn)定性。

不同摻量RST高黏改性瀝青熒光顯微實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖6。

圖6 不同摻量RST改性瀝青熒光顯微圖Fig.6 Fluorescence micrograph of RST modified asphalt with different contents

由圖6可知，RST摻量較低時(shí)，處于均勻分散狀態(tài)且無(wú)大顆粒聚集現(xiàn)象，基質(zhì)瀝青為連續(xù)相且RST分散其中。RST摻量高于11%時(shí)，RST在瀝青中逐漸形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)現(xiàn)象在15%時(shí)達(dá)到臨界值且影響最顯著。RST摻量為17%時(shí)開(kāi)始聚集成長(zhǎng)條狀，此時(shí)RST形成網(wǎng)狀連續(xù)相且基質(zhì)瀝青分散其中，由于其摻量過(guò)高出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，故延度出現(xiàn)下降。

3 結(jié)論與展望

(1)通過(guò)PI、PVN及VTS對(duì)不同摻量RST高黏改性瀝青感溫性進(jìn)行評(píng)價(jià)，高黏改性瀝青的溫度敏感性隨RST摻量增加而降低且最佳摻量為15%。

(2)采用離析管實(shí)驗(yàn)對(duì)RST高黏改性瀝青的貯存穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定，改性劑摻量不超過(guò)15%時(shí)貯存穩(wěn)定性較好。

(3)RST摻量未超過(guò)15%時(shí)，RST可在瀝青中均勻分散形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高黏改性瀝青感溫性及貯存穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)良；RST摻量超過(guò)15%時(shí)，RST發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致高黏改性瀝青延度及性能下降。

(4)本研究將從原材料優(yōu)化配伍入手，進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍，深入探究不同工況條件下RST高黏改性瀝青的適用性及其路用性能優(yōu)化。