新型TPS改性沥青的高低温及感温性能

2019-06-05赵少宗董飞龙陈阳阳王佳伟

筑路机械与施工机械化 2019年5期

赵少宗，董飞龙，陈阳阳，郭创，王佳伟

1. 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200082

2. 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064

0 引言

排水沥青路面因具有特殊的结构而有着排水、降噪、抗滑以及雨天减轻水漂、水雾等多种功能，大大提高了行车的安全性。法国是推广排水沥青路面最快、最为广泛的国家，其将排水路面中的黏结材料聚合物采用改性沥青、橡胶沥青以及纤维，从而提高混合料的抗松散、剥落的性能[1]。英国早在20世纪60年代就已经开始铺筑过排水性沥青路面，但是由于当时用普通沥青作为混合料的黏结材料，所以使用效果不佳，英国认为在保证高温下不发生沥青析漏的前提下应尽量采用较多的沥青[2]。日本对于排水沥青路面的研究不是很早，但是其技术研究较深入、成熟，提出了自己的设计方法和标准，累计铺筑面积已经达到3 000万m2[3]。日本自主研究出一种名为TPS的高黏改性剂，用于制作高黏改性沥青。在2003年，陕西的公路建设部门同日本的某公司合作，在咸阳国际机场的高速路上铺设了厚度为50 mm的排水性沥青路面[4-6]，其中沥青改性剂采用的就是日本的TPS高黏改性剂。结果显示，高黏改性剂的加入确实解决了排水路面常见的病害，明显增强了集料与沥青之间的黏结力。TPS高黏改性沥青以其优异的黏性和黏附能力，已在排水路面中得到了广泛应用[7-8]，在中国当前排水路面中使用的高黏改性沥青多数是进口改性沥青，价格的高昂成为制约排水

沥青路面推广、发展的关键性因素。中国的高黏改性剂研究正处于起步阶段，并没有形成一个成熟的材料评价体系和标准。所以，本文主要研究一种新型的国产TPS高黏改性剂，并将这种TPS改性沥青与SBS改性沥青和日本的TPS改性沥青进行温度性能的对比，目的在于研究新型TPS改性剂的最佳掺量，为国内的排水沥青路面建设打下良好基础。

1 原材料的技术指标

1.1 沥青

本文共采用4种沥青，包括3种基质沥青和1种改性沥青。基质沥青分别为甘肃机械化生产的70号沥青、壳牌70号沥青以及昆仑90号基质沥青，改性沥青为昆仑SBS I-C，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对各种沥青指标进行试验，结果见表1~3。

由表1~3中数据可知，各沥青的基本指标均满足规范要求。

2 TPS高黏改性沥青的制备

2.1 TPS高黏沥青的制备过程

本文选取2种70号基质沥青进行TPS改性沥青的制备，按照高黏沥青的制备工艺[9-10]，采用高速剪切机进行剪切制备。

表1 70号基质沥青指标

表2 90号基质沥青指标

表3 昆仑SBS I-C沥青指标

将剪切之后的高黏沥青在低速搅拌机中，于170 ℃搅拌30 min，使其产生一定的高温溶胀，得到形态结构更加稳定的高黏沥青，进而达到高黏和耐久的特性[11-12]。本文用以对比的日本TPS高黏改性剂掺量为12%。

2.2 储存稳定性试验

本文对8%、13%和18%改性剂掺量的高黏沥青进行铝管离析试验[13]，结果见表4。

从试验结果可以看出，高黏沥青的顶部软化点要比底部高，原因是在高温状态下聚合物在沥青中会出现上浮的情况。其软化点差均在规范要求的2.5 ℃之下，此高黏改性剂与沥青的相容稳定性比较好。

3 高黏沥青的温度指标

3.1 高温性能

本文对高黏改性沥青的高温性能研究选择软化点以及60 ℃动力黏度2个试验指标。中国当前规范中对高黏沥青各项指标的要求是参照日本96版的规范制定的。

3.1.1 60 ℃动力黏度

对2种70号基质沥青进行改性得到的高黏沥青进行60 ℃动力黏度的测试，结果见表5和图1、2。

从图1、2和表5可以看出，随着新型TPS的加入，2种基质沥青的动力黏度均得到了大幅度的提高，本文所选取的SBS沥青动力黏度介于新型TPS掺量为3%和8%时高黏沥青的黏度，SBS改性沥青的60 ℃动力黏度测试结果为8 837Pa·s，掺量在13%时，2种基质沥青的60 ℃动力黏度均已超过了20 000 Pa·s，满足了规范对高黏沥青的要求。

表4 离析试验结果

表5 动力黏度

图1 动力粘度变化图

图2 动力黏度比较

由于油源之间的差异导致相同标号不同种类的基质沥青改性效果也存在着不同，在TPS掺量由3%增大到18%的过程中，甘肃机械化生产的70号沥青的黏度一直高于壳牌沥青，分析其原因应该是，甘机沥青的沥青质相对较少，使得沥青与TPS改性剂的相容性较好。假如在沥青质含量较多的沥青中没有足够多的芳香烃，则其改性的稳定性就会下降[14]。本文中不同基质沥青的改性效果相差不大，从60 ℃动力黏度来看均取得了良好的效果。在TPS掺量为18%时，沥青黏度的测定就已经十分困难，达到了50 000~60 000 Pa·s，新型TPS黏度的提高方面与日本TPS改性剂存在着差异，其掺量达到18%时的60 ℃动力黏度才仅次于日本TPS掺量为12%的动力黏度。但是，黏度过高会大幅提高施工温度而且泵送困难，所以从黏度角度推荐新型TPS掺量为13%~18%。本文后续试验只选择甘肃机械化70号基质沥青作为对比沥青。

3.1.2 软化点

各个沥青的软化点试验结果见图3、4。从图3、4可以看出，随着新型TPS掺量的增加，沥青软化点逐渐升高，SBS的软化点介于新型TPS掺量3%~8%时的软化点，日本TPS掺量为12%的沥青软化点并未像60 ℃动力黏度那样超出新型TPS掺量为18%的沥青，而是介于掺量为13%~18%的沥青的软化点。总体而言，从软化点来看，新型TPS的加入显著提高了沥青的软化点，满足规范要求（80 ℃）。

图3 软化点变化

图4 软化点对比

3.2 低温性能

本文选择低温延度对新型TPS高黏改性沥青的低温性能进行研究。

基质沥青的低温延度一般在10 ℃，改性沥青一般在5 ℃下测量，本文选择这2种温度对不同掺配比例的TPS改性沥青进行延度试验，其试验结果见表6和图5。

从图5和表6中可以看出，无论是5 ℃延度还是10 ℃延度，均随着新型TPS掺量的增加而变大，但是变化幅度很小，即使掺量达到18%时，相对于基质沥青的提高幅度也在20 cm以内。从图6中可以看出，SBS沥青的5 ℃和10 ℃延度均明显高于新型TPS高黏改性沥青，是其2倍左右，12%日本TPS改性沥青的延度也要比掺入新型TPS的高黏沥青的大，分析原因应该是由该TPS改性剂的组成成分所致。TPS中含有部分树脂类的物质，它不但不会改善沥青的低温性能，甚至有降低沥青低温性能，起负面作用，与日本TPS改性剂的差异来源于其成分比例的不同。可见TPS改性剂对于沥青低温性能的提高并不明显，但是延度仅仅是从低温塑性的变形方面来考察的，其低温下应力的累计和应力松弛还是要通过弯曲梁蠕变试验来研究，而且即使是5 ℃延度也并不能比较真实地模拟沥青在路面中所处的真正低温环境[15]。由于TPS本身是一种热塑性的弹性体，随着其在沥青中的掺量逐渐增加，会形成交联的网状结构。当掺量较少的时候，网状交联结构未能完全形成，此时基质沥青为连续相，TPS则分散在沥青介质中，随着掺量的继续增加，胶结料分散状态将发生变化，网状交联结构逐步增强，TPS由开始的分散相逐渐变为连续相，所以后期趋于较为稳定的状态[16]。

表6 各沥青延度

图5 延度变化图

图6 延度比较

3.3 感温性能

本文选择多种指标进行高黏沥青感温性能的测试，首先对各个TPS掺量的高黏改性沥青和SBS沥青在15 ℃、25 ℃和30 ℃的针入度进行试验，并用布氏黏度仪对其135 ℃的表观黏度进行测试，结果见表7和图7~9。

由表7和图7、8可以看出，沥青的针入度均随着新型TPS掺量的增加而降低；而且随着温度的升高，针入度的降低幅度会逐渐变大。由图8可以看出，各温度下高黏沥青的针入度要明显低于SBS改性沥青，日本TPS掺量为12%的高黏沥青也表现出较硬的状态，其各个温度下的针入度同新型TPS掺量为18%的高黏沥青相差不多，甚至更低。

表7 各沥青黏温指数指标

图7 针入度变化

如图9所示，135 ℃的表观黏度随着新型TPS掺量的增加呈现出阶梯状缓慢上升，日本TPS掺量为12%的高黏沥青的表观黏度介于新型TPS掺量的13%~18%的高黏改性沥青之间，仅次于掺量为18%的新型TPS高黏沥青；掺量为13%的沥青表观黏度和SBS改性沥青相当，但是由于高黏沥青非牛顿流体的特性，其135 ℃表观黏度的测试只能在同试验条件下对不同沥青之间的定性比较，并不能以此数值来估计其对施工温度的影响。

图9 135 ℃粘度比较

根据各个沥青的基本试验指标，进行沥青感温性评价指标计算，得到不同沥青的各个指标值，如表8、图10所示。

由表8和图10可以看出，从针入度指数（PI）、以25℃针入度和60 ℃黏度计算得到的针入度黏度指数（PVN25-60）和以25 ℃针入度和135 ℃黏度计算得到的针入度黏度指数（PVN25-135）来看，沥青感温性均随着新型TPS掺量的增加而降低。从针入度指数来看，各个沥青均属于溶-凝胶型结构，虽然随着TPS掺量增加其感温性降低了不少，但远不及SBS改性沥青的感温性低。从PVN25-60来看，由于高黏沥青在60 ℃具有高黏的特性，其针入度-黏度指数急剧增加，在掺量达到8%时就已经高出SBS改性沥青，PVN25-135指数同样增加很明显，但各个掺量之间的感温性区分不是很大，在TPS掺量为18%时接近了SBS改性沥青，这与PI的表现有很大的差异。