硬質瀝青復合基質瀝青性能影響研究

孫 科

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著全球變暖和交通量激增，車輛重載、超載現象頻繁，對我國瀝青路面提出了嚴峻挑戰。普通的道路石油瀝青已無法滿足路面的使用需求，道路瀝青的選擇有向低標號瀝青方向發展的趨勢[1-3]。硬質瀝青作為一種剛度高、抗車轍能力強的路面材料逐漸引起研究者的廣泛關注，硬質瀝青或高模量外摻劑添加進瀝青中，提高瀝青混合料性能是道路鋪筑發展趨勢之一[4]。

國外經驗表明，硬質瀝青的使用可以提高瀝青路面抗車轍能力、延長路面使用壽命、減薄路面厚度并增強路面結構[5]。由于硬質瀝青低溫性能不佳，我國對硬質瀝青的研究和應用普遍較少。鑒于基質石油瀝青良好的低溫性能和硬質瀝青突出的高溫性能，筆者將硬質瀝青以不同比例分別加入到基質瀝青中制備出復合瀝青，對復合瀝青各項性能進行檢測，以期得到硬質瀝青摻量對復合瀝青性能的影響規律。

1 試驗準備

1.1 主要原材料

基質瀝青為加德士AH-70，硬質瀝青源于澤浩化工公司。

1.2 試驗工藝

稱取一定量基質瀝青將其加熱為流動狀態，而后向其內分別加入8%、16%、24%、32%和40%基質瀝青重量的硬質瀝青，混合均勻后制備出不同硬質瀝青摻量的復合瀝青，對上述復合瀝青進行各項性能檢測。黏度測試儀器為Brookfield 旋轉黏度計，流變儀為美國TA 流變儀，接觸角測試儀器為梭倫接觸角測定儀。

2 結果與討論

2.1 硬質瀝青與基質瀝青的紅外光譜分析

研究中為分析硬質瀝青與基質瀝青在分子結構、官能團等結構信息上的特征，筆者先對兩者進行紅外光譜測試，分析兩者在化學結構上的差異。圖1為70 號基質瀝青和硬質瀝青的紅外光譜圖。

圖1 硬質瀝青與基質瀝青紅外譜圖

紅外光譜FTIR 測試結果顯示，硬質瀝青的最強譜帶位于2 921 cm-1附近，肩峰為2 848 cm-1附近，與基質瀝青的最強譜帶位置基本一致；次強譜帶位于1 455 cm-1附近，對應肩峰為1 377 cm-1處；鄰峰為1 606 cm-1處，亦與基質瀝青出峰位置接近。硬質瀝青和基質瀝青在紅外光譜測試中的出峰位置幾乎完全相同，均出現烷烴伸縮振動吸收峰、烷烴彎曲振動吸收峰、芳香環C-H 彎曲振動吸收峰和烷烴C-H 彎曲振動吸收峰，及羰基和亞砜基吸收峰。兩種瀝青所含官能團極為一致，只是強度略有差別，因而理論上兩者具有良好的相溶性。

2.2 硬質瀝青摻量對復合瀝青常規指標影響

不同硬質瀝青摻量的復合瀝青三大指標檢測結果見表1。綜合看來，隨硬質瀝青摻量增加，復合瀝青的針入度降低、軟化點升高、延度下降，表現為高溫性能得到增強，低溫性能減弱。PI 數值隨硬質瀝青摻量增多而減小，表現為復合瀝青體系對溫度的敏感性降低。這是由于硬質瀝青自身高溫性能顯著而低溫性能不足導致，且硬質瀝青中較多的重質組分會鈍化體系的感溫性能。

表1 復合瀝青的三大指標

2.3 硬質瀝青摻量對復合瀝青黏度影響

由于硬質瀝青自身高黏的特點，它的加入必然會使復合瀝青的黏度增加。但摻量對復合瀝青黏度的提高幅度及對施工溫度的影響程度不得而知，為此筆者對制備的復合瀝青進行不同溫度范圍下的布氏黏度進行測試。表2 為復合瀝青黏度檢測結果。與預期一致，整體上復合瀝青的黏度隨硬質瀝青摻量的增加呈上升趨勢。當溫度升高至135℃時瀝青黏度驟降，這說明在110℃～135℃范圍內存在瀝青的黏彈性轉變。硬質瀝青摻量對復合瀝青體系黏度的影響幅度隨溫度升高而減弱，即溫度越高，硬質瀝青摻量對黏度的影響越不顯著，這是由于溫度越高瀝青體系呈牛頓性流體的趨勢愈明顯。

表2 復合瀝青黏度 Pa·s

根據黏溫曲線的關系，對上述黏度取雙對數，對溫度取對數，對上述瀝青進行直線回歸，回歸方程見表3。

表3 復合瀝青黏溫方程

t 為試驗溫度，℃；η 為黏度，cp。

按照回歸的黏溫關系，推得黏度為0.19 Pa·s 和0.15 Pa·s 時的拌和溫度以及黏度為 0.3 Pa·s 和0.26 Pa·s 時的壓實溫度，具體結果見表4。

表4 復合瀝青拌和與壓實溫度℃

由表4 中數據可見，硬質瀝青摻量每增加8%，絕大多數復合瀝青拌和與壓實溫度的增幅為2℃～3℃，但24%和32%摻量下復合瀝青的黏度差異不大，拌和與壓實溫度差值小于1℃。盡管硬質瀝青的加入會使施工溫度提高，即使40%硬質摻量的施工溫度也低于常規聚合物改性瀝青施工溫度，因此研究摻量范圍內，硬質瀝青的加入未明顯提高施工溫度和增加施工能耗。

2.4 硬質瀝青摻量對復合瀝青接觸角影響

潤濕性可以反映固體表面結構性質和與之接觸的液體表面與界面性質以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現，其具體過程可通過接觸角大小體現。根據液體與固體接觸角的大小可對固體表面的親水性進行判斷，通常若固體表面與水滴的接觸角小于90°則為親水狀態，大于90°為疏水狀態。

瀝青混合料水穩定性是指瀝青與集料形成黏附層后，水存在時由于水對瀝青的置換作用而導致瀝青剝落的抵抗程度[6]。瀝青與水潤濕性越好則水對瀝青的置換作用越顯著，即瀝青與水的接觸角越大，潤濕性越差，越有利于提高混合料的水穩定性。為此筆者對不同硬質瀝青摻量的復合瀝青進行接觸角測試，以期對復合瀝青親疏水性做出評價。

試驗中水滴與瀝青表面接觸后成像，通過測定水滴高度H 與寬度2R 可根據反推出兩者的接觸角，如圖2 所示。

圖2 小液滴測量法

表5 復合瀝青與水接觸角 （°）

由表5 數據可見，上述瀝青與水的接觸角均大于90°，體現為疏水特性。復合瀝青與水的接觸角隨硬質瀝青摻量增加而變大，體現為疏水性逐漸增強。由于水是極性物質，根據相似相溶原理，瀝青中極性組分越多則越易與水吸附，而瀝青中極性組分絕大多數存在于輕質組分內。由于硬質瀝青內部重組分多輕組分少，所以復合硬質瀝青后會使極性組分比例降低，體現為與水接觸角增大，疏水性增強，有利于提高水穩定性能。

2.5 硬質瀝青摻量對復合瀝青車轍因子影響

瀝青材料作為典型的黏彈性體，從低溫到高溫過渡時會出現從彈性體向塑性體轉變的過程，且瀝青黏度隨溫度的升高會呈現非線性指數倍數降低，高溫階段瀝青模量出現顯著降低。SHRP 計劃推薦采用車轍因子表征材料抵抗永久變形的能力，筆者對上述瀝青進行流變測試，分析不同硬質瀝青摻量對復合瀝青車轍因子的影響。

圖3 復合瀝青車轍因子

由圖3 可見，各瀝青車轍因子均隨溫度升高而降低，表明溫度越高材料抵抗變形的能力越弱。硬質瀝青重質組分多、黏度大、彈性行為顯著，它的加入可使瀝青體系模量增加，彈性增強。隨硬質瀝青摻量增加，復合瀝青的車轍因子不斷增大，表現為硬質瀝青摻量越多越有利于提升體系抵抗高溫變形的能力。

3 結論

a）紅外光譜結果顯示，硬質瀝青和基質瀝青的出峰位置相同，兩種瀝青所含官能團和分子結構相似度高，理論上相溶性好。

b）隨硬質瀝青摻量增加，復合瀝青針入度降低、軟化點升高、延度下降，復合瀝青體系對溫度的敏感性降低。

c）復合瀝青的黏度隨硬質瀝青摻量的增加呈上升趨勢，摻量每增加8%，復合瀝青拌和與壓實溫度的增幅約為2℃～3℃，研究摻量范圍內的施工溫度均低于常規聚合物改性瀝青施工溫度。

d）復合瀝青與水的接觸角隨硬質瀝青摻量增加而變大，體現為疏水性逐漸增強，硬質瀝青的加入有利于提高體系水穩定性。

e）復合瀝青的車轍因子隨硬質瀝青摻量增加而不斷增大，越有利于提升體系抵抗高溫變形的能力。