杨志峰,周志刚,罗根传,3,王习进

(1.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室,湖南 长沙 410004;2.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西南昌 330000;3.广西交通投资集团有限公司,广西南宁 530000)

温拌剂对SBS改性沥青性能的影响

杨志峰1,2,周志刚1,罗根传1,3,王习进1

(1.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室,湖南 长沙 410004;2.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西南昌 330000;3.广西交通投资集团有限公司,广西南宁 530000)

为进一步完善温拌沥青技术,针对测试沥青的常规指标与实际路用性能的关联性、PG分级方法对温拌沥青的适用性及其应用范围等方面的不足,分析了不同温拌剂对SBS改性沥青性能的影响。选用7种温拌剂,分别对SBS改性沥青制备温拌沥青进行了布氏旋转粘度和粘温扫描等试验。研究结果表明:有的温拌剂不利于SBS改性沥青的高温稳定性,或不利于其低温性能,或不利于其施工性能。根据添加温拌剂对SBS改性沥青在施工温度区间的降粘效果和温拌沥青的高温性能要求,推荐选用A和B 2种温拌剂。动态剪切流变试验结果表明:与温拌剂B相比,添加温拌剂A能显著地提高SBS改性沥青的高温抗车辙性能。若不考虑拌合过程中的短期老化,掺人A和B温拌剂,采用温拌工艺,能增强SBS改性沥青的抗疲劳性能。若考虑热拌工艺,温拌剂A对SBS改性沥青的抗疲劳性能不利。

SBS改性沥青;温拌剂;沥青常规指标;PG分级

传统的热拌沥青混合料(hot-mix asphalt,简称为HMA)是一种热拌热铺材料,其拌和、摊铺及碾压过程均需在较高的温度下(135～160℃)进行,不仅消耗大量能源,而且会排放出大量废气和粉尘,污染环境和影响施工人员的身体健康。为此欧美国家开发了一类低能耗环保型的温拌沥青混合料(warm-mix asphalt,简称为WMA)来替代热拌沥青混合料[1—3]。温拌沥青混合料使用特定的技术或添加剂,使其拌和及施工温度比热拌沥青混合料的低30～50℃,却具有与热拌沥青混合料相近的施工和路用性能。从2005年开始,中国引进了温拌沥青混合料技术,并在近几年铺筑了一些试验路。研究和工程实践[4—10]表明:不同温拌剂的适应范围、设计和施工工艺及使用效果有所不同。在不同的工程中,需将改性的具体沥青对象及其工程与环境特点开展系统的研究论证。而已有的研究成果大多是针对实际工程应用的沥青开展的,具有局限性。相对于普通沥青, SBS改性沥青温拌技术的研究尚存在不足。此外,不少学者的试验限于相关技术规范要求的沥青性能指标,缺乏对沥青实际路用性能的系统研究。目前,公认美国SHRP的PG分级方法能真实地反映沥青路用性能的优劣。在PG分级方法中,测试短期老化(模拟施工老化后早期沥青路面状态)沥青的高温车辙因子和失效温度,检验其是否满足高温稳定性的要求;测试短期老化+长期老化(模拟长期使用沥青路面状态)沥青的中温疲劳因子,检验其是否满足中温抗疲劳性能的要求。必须指出,该方法仅适用于热拌沥青路面,而温拌沥青混合料的施工温度比热拌沥青混合料的低30～50℃,温拌施工的沥青老化程度大为减轻。故有必要调整PG分级方法中模拟长期老化的方式,更真实地反映温拌沥青的路用性能。因此,作者拟针对SBS改性沥青,选用7种温拌剂,在不同温拌沥青的针人度、软化点、延度及粘度指标的基础上,根据粘温关系和粘度指标,筛选适合的温拌剂,并进一步通过动态剪切流变试验,基于PG分级方法,对比分析不同老化方式下温拌沥青的高温抗车辙性能和中温抗疲劳性能,为温拌沥青路面工程提供参考依据。

1 原材料

1.1 SBS改性沥青

试验用沥青为SBS(I—D)改性沥青,其性能指标为:针人度5.6 mm,延度104.1 cm,软化点78.1℃,闪点319℃,135℃粘度2.68 Pa·s,旋转薄膜烘箱(RTFOT)老化后残留物质量变化0.1%,25℃残留针人度比88%,5℃残留延度63.55 cm。各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》[11]的要求。

1.2 温拌剂

选取7种温拌剂进行比较。采用的掺量分别为:温拌剂A3%,温拌剂B0.7%,温拌剂C5%,温拌剂D5%,温拌剂E4%,温拌剂F4%,温拌剂G0.5%。

1)温拌剂A:德国Sasol-Wax公司生产的Sasobit,为白色或淡黄色固体小颗粒的新型聚烯烃类沥青普适改性剂,由合成长链饱和碳氢化合物的混合物组成。其机理为:加人低熔点的有机添加剂到沥青或者混合料中,温拌剂熔化后,在沥青中起润滑作用,降低沥青的粘度,从而降低沥青混合料拌和温度。其技术指标为:熔点115℃,闪点286℃,密度0.9 g/cm3。

2)温拌剂B:上海龙孚公司生产的EWMA—1,为暗黄色液体的表面活性剂类沥青添加剂。其机理为:加人该温拌剂到沥青混合料中,使沥青内部形成大量结构性水膜。水膜结构在拌和过程中起润滑作用,避免沥青混合料的团聚效应,使沥青混合料拌和充分。其技术指标为:20℃粘度760 mPa·s,25℃密度0.966 g/cm3。

3)温拌剂C:深圳海川公司生产的EC120,为白色粉末状的有机降粘型温拌剂。其机理为:加人温拌剂到沥青中,在100℃左右融化,起润滑的作用,降低沥青的粘度,从而降低沥青混合料拌合温度。其技术指标为:闪点290℃,熔点98℃,密度0.97 g/cm3。

4)温拌剂D:深圳海川公司生产的EC130,为白色粉末状的含水无机材料,其中含有的水分在100℃左右持续释放出来,使沥青中产生泡沫,降低了沥青的粘度,使沥青在相同温度下有更好的流动性,更易于包裹集料,从而降低沥青混合料的拌合温度。其技术指标为:含水率19.2%,p H值12,密度0.76 g/cm3。

5)温拌剂E:美德维实伟克公司(MWV)上海特殊化学品(中国)研发中心生产的evotherm温拌剂DAT—H5,为暗橙色液体的乳化分散型温拌剂。其主要成分为复配专利表面活性剂,与水结合在沥青内部能形成大量的胶团。这个由胶团组成的膜结构具有润滑作用,能改善沥青的和易性,易于与集料裹覆,从而降低拌合温度。其技术指标为:p H值9.9,密度1.006 g/cm3,沸点98℃,固形物含量10%。

6)温拌剂F:北京交通运输部公路科学研究院生产的RH温拌剂,为粉末状有机降粘剂。其机理为:加人低熔点的有机添加剂到沥青混合料中熔化后,起到润滑作用,降低了沥青的粘度,从而降低了沥青混合料拌和温度。其技术指标为:密度0.893 g/cm3,灰分0%,含水率0.1%,不溶于水。

7)温拌剂G:BMH温拌剂,其浓缩原液在常温下稀释,然后与适宜温度下的熔融热沥青拌合。

2 常规性能指标分析

2.1 三大指标

1)针人度

不同温拌沥青针人度的比较如图1所示。从图1中可以看出,原沥青中掺加温拌剂A后,针人度有所降低。这说明温拌剂A使原样SBS改性沥青变硬、稠度变大,抵抗变形的能力有所增加。原沥青中掺加温拌剂B和D后,针人度略有降低,其影响较小。原沥青中分别掺加温拌剂C,E,F和G后,其针人度比原样沥青的大,使沥青变软、稠度变小,抵抗变形的能力降低。由于原SBS改性沥青的针人度较大,接近规范要求的上限值,因此宜选择使其针人度降低的温拌剂。除了温拌剂A,B和D外,其余温拌剂均使得原样沥青的针人度增大。

图1 不同温拌沥青针入度的比较Fig.1 Comparison between penetration values of different kinds of warm-mix asphalts

2)延度

不同温拌沥青5℃延度的比较如图2所示。从图2中可以看出,温拌剂A的掺人降低了原沥青的5℃延度,对其低温性能有一定的负面影响,但仍然满足规范对SBS(I—D)沥青延度大于20 cm的要求。掺人温拌剂B后,SBS改性沥青的延度有一定程度的增长,说明温拌剂B对SBS改性沥青的低温性能有利。分别掺人温拌剂C和D后, SBS改性沥青的延度急剧下降,表明温拌剂C和D对SBS改性沥青的低温性能负面影响较大。掺人温拌剂E后,SBS改性沥青延度也有一定程度的下降。掺人温拌剂F后,SBS改性沥青的延度也较大幅度地下降。掺人温拌剂G后,SBS改性沥青的延度变化较小。除了温拌剂B外,其余温拌剂均使得SBS改性沥青的5℃延度降低,其中以温拌剂C和D对SBS改性沥青的低温性能最为不利。

图2 不同温拌沥青5℃延度的比较Fig.2 Comparison between ductility values of different kinds of warm-mix asphalts at 5℃

3)软化点

不同温拌沥青软化点的比较如图3所示。从图3中可以看出,掺人温拌剂A后,温拌沥青的软化点大于原样SBS改性沥青的软化点,表明温拌剂A对其高温稳定性有利。分别掺人温拌剂B和E后,温拌沥青的软化点小于原样SBS改性沥青的软化点,但降幅较小,表明这2种温拌剂对SBS改性沥青的高温稳定性影响不大。掺人温拌剂C后,温拌沥青的软化点大于原样SBS改性沥青的软化点,对其高温稳定性有利。掺人温拌剂D后,温拌沥青的软化点大于原样SBS改性沥青的软化点,增幅较大,表明该温拌剂能大幅提高SBS改性沥青的高温稳定性。掺人温拌剂F后,温拌沥青的软化点与原样SBS改性沥青的软化点相近,表明该温拌剂对SBS改性沥青的高温稳定性影响不大。掺人温拌剂G后,温拌沥青的软化点小于原样SBS改性沥青的软化点,表明该温拌剂对SBS改性沥青的高温稳定性不利。

2.2 布氏旋转粘度

由于布氏旋转粘度能用于评价施工温度区间温拌剂降低沥青粘度的效果,因此将布氏旋转粘度作为比选温拌剂的主要指标。SBS改性沥青及其温拌沥青布氏旋转粘度与温度关系见表1。

从表1中可以看出,分别掺人温拌剂A和F后,在高温区有一定的降低沥青粘度的作用,其低温区粘度比原样SBS改性沥青的大,对沥青路用性能有利。掺人温拌剂B后,在高温区也会使沥青的粘度降低。掺人温拌剂C后,使沥青粘度降低的效果明显。掺人温拌剂D后,在高温区沥青的粘度下降得明显,在120℃附近,原样沥青的粘度大幅度增加;在105℃时,其粘度超过了布氏旋转粘度仪的量程。考虑对施工压实的影响,可排除温拌剂D。掺人温拌剂E后,沥青粘度下降的效果不明显。从其机理分析,温拌剂E在制备温拌沥青的过程中产生泡沫,降低了沥青的粘度,其作用时间为刚加人到沥青或者沥青混合料的小段时间里。一旦发泡完毕,温拌沥青的粘度与原样SBS改性沥青的粘度差别不大。温拌剂G降低粘度的效果也不明显。

在高温区,分别添加7种温拌剂后,SBS改性沥青的粘度均有不同程度的降低。然而,在不同的温度区间,其粘度的改变趋势并不一样。规范规定135℃时SBS改性沥青的粘度不能大于3 Pa·s,因此以135℃粘度来评价温拌剂降低粘度的效果。

图3 不同温拌沥青软化点的比较Fig.3 Comparison between softening point of different kinds of warm-mix asphalts

表1 SBS改性沥青及其温拌沥青布氏旋转粘度—温度关系Table 1 The relationship of Brookfield viscosity-temperature between SBS modified asphalt and warm-mix asphalt

不同温拌沥青135℃粘度的比较见表2。从表2中可以看出,各种温拌剂按降低粘度的效果从优到劣的顺序依次为:C,D,F,A,E,B和G。由于温拌剂D在120℃时的粘度为11.2 Pa·s,远大于原样SBS改性沥青120℃时的粘度5.81 Pa·s。温度越低,粘度增加越快。即温拌剂D降低粘度的温度区间较窄,在该温度区间内,还未完成压实施工作业,因此它不宜作为备选温拌剂。

表2 不同温拌沥青135℃粘度的比较Table 2 Comparison between Brookfield viscosity of different kinds of warm-mix asphalts at 135℃

2.3 动态剪切流变仪粘温扫描试验

由于沥青的粘度随着温度降低而迅速增加,会超出布氏旋转粘度仪的量程,因此,布氏旋转粘度仪适用于测量沥青高温状态下的粘度,难以测量对应路面使用温度时的粘度。在夏天高温时期,沥青路面的温度可达到60℃左右,此时路面易产生车辙现象。而该温度下沥青的粘度会影响沥青路面的抗车辙能力,因此,研究SBS改性沥青的60℃粘度具有重要意义。应用沥青动态剪切流变仪,对掺加温拌剂后的沥青进行粘温扫描试验,以获取较低温度时的粘度。为测试温拌沥青低温区的粘度,使用智能剪切流变仪,进行了50～180℃的粘温扫描试验。其中:50～100℃时,每隔0.1℃采集一个数据点;100℃以上时,每隔1℃采集一个数据点。温拌沥青布氏旋转粘度与粘温扫描结果的对比曲线如图4所示。

从图4中可以看出,粘温扫描试验粘度和布氏旋转粘度曲线接近,表明高温区的结果非常接近。105℃以下时,布氏旋转粘度偏大,而且随着温度降低,它们的差距不断增大。

图4 温拌沥青布氏旋转粘度与粘温扫描结果的对比曲线Fig.4 Comparison between of Brookfield viscosity and viscosity-temperature scanning test for warm-mix asphalts

在105℃以下的相对低温区,由于布氏旋转粘度试验时很难做到在一个转子的情况下选择同样的旋转速度对温拌沥青试样进行测试,但粘温扫描试验能保持一定的剪切速率进行测试,且量程范围大,因此沥青粘度以粘温扫描试验结果为准,特别是相对低温的粘度。利用粘温扫描试验测得各种温拌沥青的60℃粘度,见表3。从表3中可以看出,分别添加温拌剂B,C,E,F和G,均会降低沥青的60℃粘度;而分别添加温拌剂A和D,则有利于增强沥青的60℃粘度,改善沥青的抗车辙能力。

表3 不同温拌沥青60℃粘度的比较Table 3 Compare between Brookfield viscosity of different kinds of warm-mix asphalts at 60℃

2.4 温拌剂的比选

根据试验结果,温拌剂D降低粘度的温度区间小,90～120℃区间还未完成碾压,其粘度增大,对压实不利。温拌剂E使沥青的针人度增大、60℃粘度降低,存在削弱SBS改性沥青高温性能的不足。温拌剂C和F虽然在施工温度区间有降低粘度的效果,但与原样沥青相比,其温拌沥青60℃粘度大大降低,针人度增大,延度降低,对沥青的高温稳定性和低温性能均不利。温拌剂G尽管在施工温度区间的粘度变化不大,却使沥青针人度显著增大、软化点降低,对沥青的高温稳定性不利。温拌剂A在施工温度区间有降低粘度的效果,它使60℃粘度和软化点增大、针人度显著降低,对沥青高温稳定性有利。温拌剂B在施工温度区间有降低粘度的效果,对沥青的路用性能影响不大。

根据添加温拌剂对SBS改性沥青在施工温度区间降低粘度的效果以及温拌沥青的高温性能要求,宜选择A和B 2种温拌剂做进一步的对比。

3 PG分级方法评价

对SBS改性沥青与温拌剂A和B制备的温拌沥青分别进行了老化前、后的动态剪切流变试验,以评价它们的高温抗车辙能力和中温抗疲劳能力。根据美国SHRP的PG分级方法的要求,原样沥青的车辙因子≥1.0 k Pa,旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)后,其车辙因子≥2.2 kPa;短期老化(RTFOT)+长期老化(压力老化PAV)后,在相应温度下,其疲劳因子≤5 000 kPa。

3.1 高温车辙动态剪切流变试验

SBS改性沥青及其温拌沥青的高温动态剪切流变试验结果见表4。从表4中可以看出,温拌剂A制备的温拌沥青高温等级比原样SBS改性沥青的高一个等级,为PG76—XX。其老化后的车辙因子高于SBS改性沥青的,说明添加温拌剂A能提高SBS改性沥青的高温抗车辙性能。

而温拌剂B制备的温拌沥青高温等级与原样SBS改性沥青的相同,同为PG70—XX。老化后的沥青失效温度变化不大,说明添加温拌剂B对SBS改性沥青的高温抗车辙能力影响不大。

表4 SBS改性沥青及其温拌沥青的高温动态剪切流变试验结果Table 4 The results of high-temperature dynamic shear rheometer test of SBS modified asphalt and warm-mix asphalt

3.2 中温疲劳动态流变剪切试验

测试中温疲劳因子时,使用2种方式老化沥青:短期老化(RTFOT)+长期老化(PAV),反映热拌工艺;长期老化(PAV),反映温拌工艺。

中温动态剪切流变试验结果见表5。从表5中可以看出,不考虑温拌施工实际老化过程,仍沿用热拌施工长期老化(即:短期老化+长期老化)方式时,单纯掺人温拌剂A后SBS改性沥青在相应温度下的疲劳因子有所增大,19℃时SBS改性沥青疲劳因子为5 853 kPa,温拌剂A温拌沥青的疲劳因子为6 520 k Pa,均不满足疲劳因子≤5 000 k Pa的要求,PG分级中温等级为同一温度级,说明温拌剂A的掺加不改变中温等级,但是对SBS改性沥青结合料的疲劳性能略为不利。

表5 SBS改性沥青及其温拌沥青的中温动态剪切流变试验结果Table 5 The results of moderate temperature dynamic shear rheometer test of SBS modified asphalt and warm-mix asphalt

然而,考虑温拌施工工艺时,即若不考虑拌合过程中的短期老化,直接做长期老化模拟试验,掺人温拌剂A的抗疲劳性能会明显增强。在19℃时,温拌剂A温拌沥青的疲劳因子为4 742 kPa,低于5 000 kPa,满足规范要求。温拌沥青的抗疲劳中温等级比原样SBS改性沥青高一个等级,说明在评价温拌沥青中温疲劳性能时要结合温拌施工实际情况。

从表5中可以看出,添加温拌剂B后,同一温度下的疲劳因子会降低。19℃时SBS改性沥青的疲劳因子为5 853 kPa,不满足疲劳因子≤5 000 kPa的规范要求。而温拌剂B温拌沥青的疲劳因子为4 700 k Pa,满足疲劳因子≤5 000 k Pa的规范要求。其中:其中温性能比SBS改性沥青的高一个温度等级。这说明若不改变原来的拌合方式,仍然采用热拌工艺,单纯地添加温拌剂B,能提高SBS改性沥青结合料的抗疲劳性能。

若采用温拌工艺,拌合温度在150℃以下时,短期老化程度会大大降低。当完全不考虑施工过程中的老化时,即室内试验不经过旋转薄膜短期老化试验,直接对经过压力老化的温拌剂B温拌沥青样品进行测试,发现:与经过RTFOT+PAV老化后的SBS改性沥青相比较,其疲劳因子大为降低, 19℃时RTFOT+PAV老化后SBS改性沥青的疲劳因子为5 853 kPa,不满足疲劳因子≤5 000 kPa的规范要求,RTFOT+PAV老化后温拌剂B温拌SBS改性沥青的疲劳因子为4 700 k Pa,仅PAV老化后温拌剂B温拌SBS改性沥青的疲劳因子为4 040 k Pa,疲劳因子降低了近31%,说明引人温拌工艺能明显改善沥青结合料的疲劳性能。

4 结论

1)选取7种温拌剂,分别将SBS改性沥青制备成温拌沥青,进行三大指标(针人度、延度和软化度)、布氏旋转粘度及粘温扫描试验。试验结果表明:有的温拌剂不利于SBS改性沥青的高温稳定性,或不利于其低温性能,或不利于其施工性能。根据135℃粘度,各种温拌剂降低沥青粘度的效果从优到劣依次顺序为:C,D,F,A,E,B和G。分别添加温拌剂A和D,有利于增强沥青的60℃粘度,从而改善沥青的抗车辙能力。根据添加温拌剂对SBS改性沥青在施工温度区间降低粘度的效果和温拌沥青的高温性能,建议选择A和B 2种温拌剂。

2)基于PG分级方法,动态剪切流变试验结果表明:与温拌剂B相比,添加温拌剂A能提高了SBS改性沥青的高温抗车辙性能。若不考虑拌合过程中的短期老化,分别掺人A和B温拌剂,采用温拌工艺,能增强SBS改性沥青的抗疲劳性能。若考虑热拌工艺,温拌剂A对SBS改性沥青的抗疲劳性能不利。

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Effect of warm-mix agent on the performance of SBS modified asphalt

YANG Zhi-feng1,2,ZHOU Zhi-gang1,LUO Gen-chuan1,3,WANG Xi-jin1
(1.Key Laboratory of Road Structure and Material,Ministry of Transport of PRC,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004,China;2.Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.,Ltd., Nanchang 330000,China;3.Guangxi Communications Investment Group Co.,Ltd,Nanning 53000,China)

In order to further improve the warm-mix asphalt technology,for weaknesses about the relevance between asphalt conventional index and the performance of pavement on site,the applicability of asphalt PG grade method in observing warm-mix asphalt and the application range,the influence of different kinds of warm-mix agent on performance of SBS modified asphalt systematically by laboratory tests in order to perfect the warm-mix asphalt technology further is analyzed.Seven kinds of warm-mix agents have been selected to mix with SBS modified asphalt to prepare warm-mix modified asphalt samples,respectively.Reductions in high-temperature stability,low-temperature performance or workability of SBS modified asphalt after added some kinds of warm-mix agent are shown in the penetration,softening point,ductility,brookfield viscosity and viscosity-temperature scanning tests.Warm-mix agents A and B are selected according to the viscosity reduction effectiveness after modified by warm-mix agent in the construction temperature conditions and the requirement of high-temperature per-formance.Results of dynamic shear rheometer(DSR)test shows that warm-mix agent A is better than agent B in improving the ability of resisting high temperature rutting of SBS modified asphalt obviously.If the short-term aging in the mix progress is ignored, anti-fatigue capability of SBS modified asphalt which added warm-agent A or B with warm-mix technology can be obviously improved.If hot mix technology is used,warmmix agent A will be harmful to the anti-fatigue capability of SBS modified asphalt.

SBS modified asphalt;warm-mix agent;conventional index of asphalt;asphalt PG grade

U416.217

A

1674—599X(2015)04—0018—08

2015—03—27

国家自然科学基金项目(51378084);江西交通科技计划项目(2011C0063);广西交通科技计划项目(桂交科教发[2013]100号)

杨志峰(1977—),男,长沙理工大学硕士生。