路用新型常溫改性瀝青性能評價體系及其混合料性能研究

李 霖，張 丹，江睿南

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.長安大學公路學院，陜西西安 710064）

0 引言

隨著節能環保、綠色低碳等理念在道路領域的推廣，常溫改性瀝青混合料憑借其能耗低、致癌煙塵污染低、儲存時間長及施工便捷等技術優勢，越來越受到青睞[1-8]。Sol-Sánchez 等[9]研究了溫拌瀝青的開裂壽命，得出溫拌瀝青與熱拌瀝青在微觀和宏觀裂化發展方面具有相似的抗裂性能。Sebaaly 等[10]分析了常溫改性瀝青的抗水損害性能、抗車轍性能、疲勞開裂和熱開裂性能，認為常溫改性瀝青混合料與熱拌瀝青混合料性能相似。Kim 等[11]基于間接拉伸試驗和車轍試驗，研究發現溫拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能低于熱拌瀝青混合料，但表現出良好的抗拉伸性能。張冰清[12]通過研究常溫拌和瀝青混合料薄層路面技術的應用，認為常溫拌和瀝青混合料具有較好的路用性能。佟禹等[13]制備了一種常溫瀝青并對其瀝青混合料的性能進行研究，得出當加熱溫度不高于188 ℃時，常溫瀝青熱穩定性良好，其混合料各項路用性能均能達到熱拌瀝青混合料性能要求。余勝軍[14]通過分析常溫拌和瀝青性能得出，ACMP-2 混合料具有良好的高溫穩定性。羅浩原等[15]基于穩定度試驗、殘留穩定度試驗、低溫彎曲破壞應變測試，認為常溫改性劑對于瀝青混合料的低溫抗裂性有良好的改善作用，但對其強度、高溫抗車轍性能、水穩定性均存在劣化作用。綜上可知，目前有關常溫改性瀝青的研究主要集中在混合料路用性能方面，但對于常溫改性瀝青的高溫穩定性、水穩定性等路用性能并沒有達成共識，并且鮮有關于常溫改性劑及常溫改性瀝青混合料組成設計的研究，常溫改性瀝青性能評價體系也尚不明確，仍需進一步探討。

廢舊輪胎內含有大量的甲苯基乙烯類嵌段共聚物，能顯著提高瀝青的低溫變形延展性能[16-17]。鑒于此，以橡膠烴油為基體制備常溫改性劑，采用差示掃描量熱法、紅外光譜儀以及離析試驗，系統評價其微觀性能及其與瀝青的相容性。在此基礎上，利用常溫改性劑對基質瀝青進行改性，制備常溫改性瀝青，明確常溫改性瀝青性能評價體系，全面評價常溫改性瀝青混合料路用性能并總結其強度增長規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

原材料主要包括基質瀝青、常溫改性劑、集料等。基質瀝青選用90#基質瀝青，常溫改性劑以廢舊輪胎、塑料煉制的橡膠烴油為基體，橡膠烴油約占改性劑質量的80%，其他輔助化工原材料占改性劑質量的20%；粗集料選用玄武巖，細集料與礦粉選用石灰巖。原材料的技術指標見表1、表2。

表1 基質瀝青技術指標

表2 常溫瀝青改性劑技術指標

1.2 常溫改性瀝青的制備

常溫改性瀝青制備過程一般包括裂解、降壓分離、制備稀釋劑、制備高分子樹脂改性劑、改性和調配6個步驟。

（1）裂解：分別將松焦油、熱穩定劑（將高酸價植物油與硫磺按質量比49∶1放入硫化鍋內，升溫至200℃進行硫化制得的硫化植物油）、廢舊橡膠按質量比5～7∶1～2∶90～100 放入臥式旋轉裂解器內，升溫至345～365℃后停止加熱。

（2）降壓分離：待臥式旋轉裂解器內溫度降至320℃后，恒溫2h，然后自然冷卻，并將蒸發的氣體通入降壓包中進行降壓分離，其中氣體部分向上進入冷凝系統形成冷凝液，液體部分作為重組分。

（3）制備稀釋劑：將步驟（2）中得到的冷凝液中的水與高聚物分離，將得到的高聚物作為稀釋劑。

（4）制備高分子樹脂改性劑：向步驟（2）中得到的重組分液體中加入質量為其自身質量3%的分散劑W33 和1.5%的促進劑CBS，攪拌均勻得到高分子樹脂改性劑。

（5）改性：將130～150℃的基質瀝青放入酯化反應釜中，然后分別加入質量為基質瀝青質量5‰的高分子樹脂改性劑和5.5%的10#瀝青，攪拌30min。

（6）調配：待酯化反應釜內溫度降至80～90℃時，加入質量為基質瀝青質量5‰的環氧樹脂E-44 和1.5‰的固化劑T-31，攪拌30min，待溫度降至60～70℃時加入質量為基質瀝青質量10%～30%的稀釋劑，攪拌15min，制得常溫改性瀝青。

2 常溫改性劑性能試驗

常溫改性劑材料的微觀結構表征能夠體現其宏觀性能機理。常溫改性劑與瀝青的相容性是決定其改性效果和常溫改性瀝青制備工藝的關鍵因素。因此，開展常溫改性劑微觀性能以及其與瀝青相容性的研究尤為重要。

2.1 常溫改性劑微觀表征

為探究常溫改性劑微觀結構表征，采用差示掃描量熱法測量樣品的熔點以及熔融范圍，升溫速率為10℃/min；采用紅外光譜儀，研究樣品分子的結構，鑒別其化學組成。試驗結果顯示：隨著溫度的升高，樣品開始熔化，吸熱（或放熱）峰逐漸產生。常溫改性劑起始熔點較高，初始吸熱溫度為57.5℃，而且幾個峰之間距離較近，形狀也較為明顯，這表明材料的純度較高，且小分子物質的含量較低。

常溫改性劑紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 常溫改性劑紅外光譜圖

分析圖1 可知，常溫改性劑的紅外光譜圖在y軸有3 個峰值，分別為：吸收波長在2917～2949cm-1附近的—CH2—（彎曲和伸縮振動），吸收波長在1462～1472cm-1附近的—CH2—（剪式振動），吸收波長在719～729cm-1附近的CH2面外搖擺，3個主峰都是CH 振動，未觀察到C—C振動，符合飽和直鏈烷烴的主要振動特征，表明常溫改性劑的主要成分為飽和直鏈烷烴。

吸收波長在3 603cm-1附近的為游離O—H 伸縮，在3 439cm-1附近的為締合O—H伸縮振動，在2 635cm-1附近的為—SH伸縮。吸收波長在2328cm-1附近的為—C≡≡≡C—或—C≡≡≡N—，在1 738cm-1附近的為＞C==O，在1 641cm-1附近的為C==C，在1 377cm-1附近的為—CH(CH3)2和—C(CH3)3。這些小的吸收峰表明常溫改性劑中含有少量不飽和雙鍵，以及少量的醇、酚、醚類物質。

綜上可知，常溫改性劑起始熔點較高，小分子物質含量較低，材料純度較高，主要成分為飽和直鏈烷烴，另外還含有少量的不飽和雙鍵以及醇、酚、醚類物質。

2.2 常溫改性劑與瀝青的相容性

為了解常溫改性劑與瀝青的相容性，通過離析試驗，詳細觀察了常溫改性瀝青在停止攪拌、冷卻后的離析情況。試驗結果詳見表3。

表3 常溫改性瀝青離析情況

由表3 可知，常溫改性瀝青在試驗過程中混合均勻，無結皮和沉淀，表明常溫改性劑與基質瀝青的相容性較好，無離析現象。

3 常溫改性瀝青性能評價

常溫改性瀝青在常溫密閉存儲條件下呈糊狀，類似潤滑油狀，在常溫條件下具有一定的流動性，經過一定時間的揮發固化后，與聚合物改性瀝青性能相當。現行規范和標準中尚未有針對該類材料的性能評價體系。鑒于此，先采用道路石油瀝青與液體石油瀝青材料的性能評價體系對該類材料的性能進行初步評價，然后根據其揮發性溶劑的技術特點，提出適用于常溫改性瀝青的性能評價體系。

3.1 基于道路石油瀝青的性能評價體系

為科學評價常溫改性瀝青的性能，先采用道路石油瀝青材料性能評價體系對常溫改性瀝青的性能進行初步評價，結果如表4所示。

表4 常溫改性瀝青技術指標性能初評（道路石油瀝青性能評價體系）

分析表4 可知，采用道路石油瀝青性能評價體系進行常溫改性瀝青材料性能評價時，針入度超出儀器設備量程，軟化點為5℃，延度為0cm。并且，除溶解度、儲存穩定性等技術指標滿足現行規范要求外，其余技術指標均不滿足要求。因此，常溫改性瀝青性能評價不宜采用道路石油瀝青性能評價體系。

3.2 基于液體石油瀝青的性能評價體系

為進一步明確常溫改性瀝青性能評價體系，采用液體石油瀝青性能評價體系進行常溫改性瀝青性能評價，結果如表5所示。

表5 常溫改性瀝青技術指標初評（液體石油瀝青性能評價體系）

分析表5 可知，采用液體石油瀝青性能評價體系進行常溫改性瀝青性能評價時，除黏度（C25.5）不滿足現行規范要求外，其余技術指標均滿足規范要求。常溫改性瀝青由于摻配溶劑比例的不同，蒸發時間有所差別，因此，應根據摻配的揮發性溶劑的質量比例控制蒸發質量損失時間，并建議待揮發性溶劑全部揮發后進行相關技術指標的檢測。通常，該類產品的溶劑質量摻配比例在內摻15%左右，常溫通風條件下揮發14～28d 或135℃條件下通風加熱蒸發6～24h，其質量損失可達到12%以上，即可進行相關技術指標檢測。一般不推薦采用加熱蒸發法，因為從后續的實體工程應用中發現，高于100℃時，常溫改性瀝青中的部分物質發生變化，針入度、延度及閃點等技術指標的變異性較大，影響該試驗方法的可靠度。

3.3 常溫改性瀝青性能評價體系

為更加科學合理地評價常溫改性瀝青的性能，根據氣候類型及交通量大小，并綜合考慮道路石油瀝青評價體系與液體石油瀝青評價體系下常溫改性瀝青的性能評價結果，將常溫改性瀝青按照適用區域分為以下3 種類型，其技術指標要求如表6所示。

A型：適用于寒溫帶至中溫帶區域。

B型：適用于中溫帶至暖溫帶區域。

C型：適用于暖溫帶至亞熱帶及熱帶區域。

表6 常溫改性瀝青技術指標要求

4 常溫改性瀝青混合料配合比優化及性能評價

常溫改性瀝青混合料的強度完全形成需耗時半個月，在強度形成初期，主要靠礦料間的嵌擠能力提供初期強度。因此，其礦料級配與最佳油石比是決定其路用性能及強度增長規律的關鍵因素。

4.1 常溫改性瀝青混合料級配設計

集料配合比設計采用SAC 斷級配設計法，級配設計過程中嚴格控制合成級配最大公稱粒徑、4.75mm和0.075mm這3個篩孔的通過率，采用冪函數數學模型構建粗細集料級配曲線。冪函數模型為：

式（1）中：y為各粒徑的通過率（%）；x為各粒徑的孔徑（mm）；a,b為級配曲線系數。

式（1）中的兩個待定參數a和b的確定方法如下：根據4.75mm,0.075mm 篩孔通過率計算細集料級配曲線的系數a,b；根據最大公稱粒徑、4.75mm 篩孔通過率計算粗集料級配曲線的系數a,b。

采用冪函數構建的常溫改性瀝青混合料各篩孔通過率如表7所示。

表7 常溫改性瀝青混合料各篩孔通過率

4.2 基于礦料最緊密狀態的最佳油石比確定

對于任何一種礦料級配，在某一固定的壓實狀態下，隨著瀝青的摻入，由于瀝青的潤滑和填充作用，使得混合料的框架結構越來越緊密。當瀝青摻量達到一定程度時，混合料中自由瀝青增加，導致混合料的框架結構逐漸被撐開。其中，混合料框架結構被撐開前的狀態稱為最緊密狀態，此時對應的油石比為混合料最緊密狀態下的最佳油石比。采用旋轉壓實試驗，測定礦料最緊密狀態下的最佳油石比，常溫旋轉壓實100 次，試驗結果如表8所示。

表8 SAC-10-35常溫改性瀝青混合料旋轉壓實試驗結果

由表8 可知，隨著油石比的增大，瀝青混合料的最大干密度呈先增大后減小的趨勢。因此，可以采用二次曲線模型回歸分析瀝青混合料的最大干密度隨油石比變化的規律，并根據二次曲線的極值特性確定混合料的最佳油石比，結果詳見圖2。

圖2 油石比與干密度關系曲線

采用旋轉壓實法成型試件，很容易得到油石比與干密度（礦料最緊密狀態）的關系曲線。由圖2 中的二次拋物線系數可以計算得出最大干密度對應的油石比為5.4%。因此，上述礦料級配對應的最佳油石比為5.4%，此時對應的空隙率為0.9%。

4.3 常溫改性瀝青混合料路用性能及強度增長規律

基于前文確定的混合料組成設計方法設計常溫改性瀝青混合料，全面分析其高溫性能、水穩定性以及強度變化規律。

（1）高溫性能

瀝青混合料應具有良好的高溫穩定性能，以保證材料自身的結構強度。為研究不同溫度與養生時間下常溫改性瀝青混合料的高溫性能，采用車轍試驗分別測試試件養生7d 和15d 時瀝青混合料的高溫性能，試驗結果如表9所示。

表9 常溫改性瀝青混合料車轍試驗結果

由表9 可知，養生7d 后，當試驗溫度為60℃時，瀝青混合料的相對變形較大，超出車轍試驗設備測試量程，溫度降至50 ℃和40 ℃時，動穩定度可以測量，但相對變形較大，均超出《公路瀝青路面設計規范》（JTG 050—2017）的要求，表明常溫改性瀝青混合料的高溫性能有待進一步提高。但養生15d 后，當試驗溫度為60℃時，瀝青混合料的動穩定度達1 403次/mm以上，車轍試驗結果滿足規范要求。由于本次試驗選用的最大公稱粒徑為9.5mm，當選用最大公稱粒徑為16mm 時，車轍試驗結果的動穩定度會有所提高，混合料的高溫穩定性能明顯增強。

（2）水穩定性

路面投入使用后，將長期受到雨水等自然環境因素的影響。因此，常溫改性瀝青混合料應具有良好的水穩定性。本研究采用殘留穩定度試驗與凍融劈裂試驗評價常溫改性瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果如表10、表11所示。

表10 常溫改性瀝青混合料殘留穩定度試驗結果

表11 常溫改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表10、表11可知，常溫改性瀝青混合料的水穩定性滿足《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）的要求，但推薦采用旋轉壓實法成型，保證其礦料達到最緊密狀態。

（3）強度變化規律

常溫改性瀝青混合料經過一定時間的揮發固化后，強度逐漸形成，與聚合物改性瀝青混合料性能相當。為研究其強度變化規律，確定該類材料適宜的性能檢測時間，采用旋轉壓實法成型圓柱體試件，常溫養護一定齡期，考察養護時間對常溫改性瀝青混合料強度的影響，試驗結果如表12和圖3所示。

表12 常溫改性瀝青混合料單軸抗壓強度試驗結果

圖3 常溫改性瀝青混合料單軸抗壓強度與齡期關系曲線

分析表12 和圖3 可知，隨著養護齡期的增長，常溫改性瀝青混合料的抗壓強度呈先增大后減小的趨勢；當養護齡期為14d 時，常溫改性瀝青混合料的單軸抗壓強度達到峰值，為13.23MPa。因此，對該類材料進行性能檢測試驗時，其養護齡期應大于14d。

5 結語

本文以橡膠烴油為基體制備了常溫改性劑，系統評價了常溫改性劑的微觀性能及其與瀝青的相容性，明確了常溫改性瀝青性能評價體系及其混合料組成設計方法，全面研究了常溫改性瀝青混合料的高溫性能、水穩定性等路用性能及強度增長規律，得出以下結論：

（1）常溫改性劑的純度較高，無低熔點的小分子物質，主要成分為飽和直鏈烷烴，含有少量的不飽和雙鍵以及醇、酚、醚類物質，且其與基質瀝青的相容性較好；

（2）常溫改性瀝青的性能評價不宜采用道路石油瀝青與液體石油瀝青的性能評價體系，因此根據氣候類型及交通量大小，將常溫改性瀝青分為A、B、C 3 種類型，提出適用于常溫改性瀝青的性能評價體系；

（3）常溫改性瀝青混合料應采用冪函數構建骨架礦料級配，以礦料最緊密狀態確定最佳油石比，其高溫性能有待進一步提升；但常溫養生15d 的高溫性能可滿足現行規范要求；常溫改性瀝青混合料的水穩定性亦滿足現行規范要求；

（4）隨著養護齡期的增長，常溫改性瀝青混合料的抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，養護齡期為14d 時，其抗壓強度達到峰值，為13.23MPa。因此，進行該類材料的性能檢測試驗時，其養護齡期應大于14d。

但本文只提出了常溫改性瀝青性能評價體系，對于常溫改性瀝青混合料的性能評價體系未作深入探討，后續可建立針對常溫改性瀝青混合料的性能評價體系。此外，本文只基于室內試驗對常溫改性瀝青混合料的性能進行評價，后續可結合實際應用情況進一步完善對常溫改性瀝青混合料的性能評價。