环保增塑剂对天然改性沥青高低温性能的作用研究

环保增塑剂对天然改性沥青高低温性能的作用研究

胡春燕、胡燕红、闫桂林

山东晨阳新型碳材料股份有限公司 山东 济宁 272000

摘要:为探究不同环保增塑剂对不同天然沥青高低温性能的影响，采用室内动态剪切流变试验和弯曲流变试验，对不同掺量的环保增塑剂和天然沥青复合改性沥青的高低温流变性能进行了研究，并采用车辙试验和小梁弯曲试验，分别评价其复合改性沥青混合料的高低温性能。研究结果表明:不同的环保增塑剂可有效提升天然改性沥青结合料低温等级，但会降低其高温等级。当增塑剂掺量＞4%时，高温等级会降低一个等级。不同环保增塑剂可有效提升天然改性沥青混合料的低温性能，但会降低其高温性能。环保增塑剂的掺量越大，其弯拉应变增幅越显著，动稳定度降幅越大。综合考虑环保增塑剂-天然沥青复合改性沥青及其混合料高温性能，确定4%为最佳掺量。

关键词:环保增塑剂；天然沥青改性沥青；低温性能；高温性能

天然沥青(岩沥青和湖沥青)改性剂掺入基质沥青中，能够有效改善沥青材料的稳定性、高温性能和抗老化性能，因而在许多沥青混凝土道路建设中得到应用，但天然沥青对沥青低温性能的改善效果欠佳，甚至会产生负面影响。对天然岩沥青的高低温流变性能及其混合料路用性能进行了研究，发现岩沥青改性沥青可以较大程度地提升沥青的高温性能和抗疲劳性能，但会降低沥青的低温延展性。通过低温小梁弯曲流变试验及常规性能试验，对天然湖沥青的低温性能进行了分析，分析结果表明:在基质沥青中掺入天然湖沥青会降低沥青的低温韧性和拉伸性。为了优化天然沥青改性沥青的低温性能，使其具有良好的稳定性、高温性能及抗老化性能的同时，又能满足低温性能，目前常采用两种或更多种改性剂对沥青进行复合改性，以满足其各项路用性能的要求，使复合改性后的沥青在道路工程中应用更为广泛。

1、原材料与试验方案

1.1试验材料

本文基质沥青为齐鲁70#，其指标满足我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（F40—2004）[2]相关要求。改性剂为岳阳石化生产的线形SBS791-H，分子量为120kg/mol，苯乙烯与丁二烯的嵌段比为3︰7[3]。

1.2制备方法

HPT复合改性沥青制备方法如下：首先制备SBS改性沥青，将基质沥青加热到135-145℃，加入相容剂，将SBS缓慢的加入沥青中，溶胀15分钟，待温度到达175-180℃，将剪切机转速调制3500r/min，剪切30min左右，加入高分子HPT（转速调制4000r/min），再剪切30min左右，加入一定量的交联剂硫磺，低速搅拌30-40min，HPT复合改性沥青制备完成。

POE复合改性沥青制备方法如下：SBS改性沥青的制备方法同上述陈述一致，只是待SBS改性沥青制备完成时，将温度调整到180-185℃时加入一定掺量的改性剂POE，搅拌40min以上（2000r/min），加入一定量的交联剂硫磺，在175-180℃下搅拌30-40分钟，POE复合改性沥青样品制备完成。

1.3试验方法

本文采用低温弯曲梁流变仪试验（BBR），参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0661—2011）[4]，分别对不同的复合改性沥青低温下的流变特性，对PAV后的沥青在-12℃、-18℃和-24℃温度下，利用广义Maxwell流变模型对SBS改性沥青、HPT复合改性沥青和POE复合改性沥青低温劲度模量主曲线进行拟合，并求得低温劲度模量主曲线的面积大小来评价其低温性能。

2、结果与讨论

2.1长期老化后的不同沥青的BBR试验分析

按照SHRP试验要求，对长期老化（PAV）后的沥青胶结料进行低温弯曲梁试验，随着HPT掺量的增加，低温劲度模量S呈现出先减小后增大的趋势（掺量在1.5%时S值最小），但是在数值上呈现出减小的趋势，说明一定量HPT的掺入在一定程度上可以有效的改善沥青的低温抗裂性能即说明HPT的加入减缓了SBS改性剂的降解从而使得HPT复合改性沥青的耐老化性能较好；同时发现随着试验温度的降低，低温劲度模量逐渐增大，说明随着温度的降低，沥青的应力松弛性能降低，从而导致沥青的低温抗开裂性能下降。

随着POE的加入，SBS改性沥青的低温劲度模量逐渐减小，并且在掺量为4%时S值达到最小，说明当POE掺量为4%时，沥青的应力松弛性能最好，当POE掺量大于4%时S值就呈现增大的趋势，低温性能变差。可能是由于POE掺量过于饱和时，不能够很好的与SBS改性沥青更好的形成网络三维结构，从而使得沥青胶结料的抗裂性能降低。       

2.2不同稳定剂的SBS改性沥青混合料配合比设计

沥青混合料的配合比设计采用马歇尔试验设计法，即通过试拌法确定沥青混合料的矿粉配合比，通过马歇尔试验判断矿粉配合比级配的合理性，确定沥青混合料的最佳油石配比。沥青材料选择：OMMT含量为6%的SBS/OMMT改性沥青，CB含量为5%的SBS/CB改性沥青，S含量为2%的SBS/S改性沥青。级配设计选用多砾石级配sac16。采用马歇尔试验设计法确定了混合料的最佳级配。通过马歇尔系列试验得到了混合物的体积参数、马歇尔稳定性和流动值。三种SBS改性沥青混合料的空隙率与沥青含量呈负相关。当沥青掺量达到6.0%时，三种混合料的孔隙率均降至5%左右。根据马歇尔稳定性和流动值数据，在相同的磨石比条件下，三种稳定剂的加入均能不同程度地提高SBS沥青混合料的稳定性。其中，当沥青的比例是5.2%到6%，SBS/CB的变形和SBS/OMMT复合改性沥青混合料减少24.4%和3.82%，分别与沥青混合料的比例是4.5%和5%，和四种类型的沥青混合料的塑性变形与SBS改性沥青混合料总是/S低于普通SBS沥青混合料。

2.3改性沥青混凝土降温性能研究

试验离子粉来研究改性沥青混凝土的冷却性能，研究选择不同掺量的改性沥青混凝土制备车辙板，对车辙板进行温度试验，研究不同时间段的温度变化对冷却性能的影响。从实验结果看，车辙板的温度明显低于普通SBS改性沥青混凝土的温度，表明其对沥青路面有明显的冷却效果。

2.3.1外界温度对改性沥青混凝土降温性能影响分析

为了研究改性沥青混凝土的冷却效果对温度的影响，在改性沥青车辙板的温度和普通SBS改性沥青车辙板温差的条件下，选择不同温度下20%的用量。实验结果表明:在高温周期13:00-15:00时，普通SBS改性沥青板表面温度超过60度，改性沥青混凝土的温度小于53，最高温度范围可达9.5℃,温度较低时,冷却速率很小,表明环境温度越高,沥青混凝土的冷却效果越好。

2.3.2掺量对沥青混凝土降温性能影响分析

根据试验结果，计算了不同掺量的改性沥青混凝土的冷却性能，分别为10:00、12:00、14:00和16:00不同高温时间段的温度数据。根据实验结果，(1)改性沥青混凝土的冷却性能与掺混量的变化基本一致，其冷却性能随掺量的增加而增加。(2)车撤板的最大冷却范围分别为14%、17%、20%和30%。

2.4改性沥青混凝土降温机理分析

2.4.1释放负离子

十几微米表面厚度范围是有高强静电场的，静电场不会被沥青包裹住,静电场与大气的交互,可以产生直流静电,当其与周围的水分子接触,瞬间放电,消耗热量。空气中的水分子和酸性气体分子在电场作用下产生负离子并释放，使得改性后的沥青以负离子的形式耗散了一些能量。

2.4.2自发极化效应

具有自发极化作用,在高温的环境下,随环境温度的变化和内部应力变化,发生自发极化,促进水分解形成负离子,在周围的温度变化同时,内部结构受到温度应力的影响,极性分子从低级别到高级别过渡,以无线电波形式释放的过剩能量，达到降低路面温度的效果。

2.4.3热电效应具有热电性质

当温度变化时，电荷会释放到静电场中，将热能转化为电能，减少城市道路热量的释放，从而缓解城市热岛效应。良好的热电性能是改性沥青冷却效果的重要前提。为了研究改性沥青混凝土的冷却机理，本文对改性沥青混凝土进行了热电性能试验。通过实验结果可以显著提高沥青的介电常数和电导率，并与改性沥青的技术规范相类似，将其添加到沥青中，使其具有明显的热电性能，从而降低沥青混凝土路面的温度。

2.5改性沥青混凝土路用性能分析为评价

根据沥青混凝土路面道路的性能，选择20%的负离子粉掺杂到改性沥青混凝土路面使用，对沥青混凝土路面性能进行研究。具体的实验结果可以看出,改性沥青的各方面的性能指标均高于普通SBS改性沥青混凝土,所以建议添加来提高沥青混凝土的性能。

3、结论

通过对不同聚合物复合改性沥青进行试验研究发现，加入HPT和POE一定程度上对低温抗开裂性能具有改善，主要是由于聚合物的耐热性、耐老化性能较强，并且发现对于不同的聚合物，存在一个最佳掺量使其聚对SBS改性沥青低温性能影响最大。

参考文献
[1]中华人民共和国交通部.F.05.JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范[Z].2014

[2]徐志荣,赵忠达,常艳婷等.改性沥青SBS含量的红外光谱分析[J].长安大学学报.2015(2)

[3]中华人民共和国交通运输部.JTGE20-2011公路沥青及沥青混合料试验规程[Z].2011