蜡型温拌剂与岩沥青的复合改性研究

宋卿卿，于 江，冯 娟，张 帆

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

我国交通运输业的发展对沥青路面的性能提出了越来越高的要求，而改性沥青由于其良好的性能而受到越来越多的关注。在众多的改性沥青中，岩沥青由于常年与自然环境共存，其性质特别稳定[1-2]，并且由于其本身极易与石油沥青相溶，属于沥青基对沥青基的掺配，其与基质沥青具有优良的配伍性[3]。但也发现掺入岩沥青后，改性沥青的低温抗裂能力变差，同时高温和低温黏度大幅提升，这就要求改性后的沥青需要在更高的压实及拌和温度下施工，导致消耗更多的能源，排出更多的气体，从而会对环境造成更大的污染。

蜡型温拌剂作为一种新型的改性剂，可以在降低沥青拌和温度的同时提高其低温黏度。相对于常规的热拌沥青混合料，温拌沥青混合料的施工温度可以降低20～55℃，而使用性能基本不变[4]。笔者结合岩沥青与温拌沥青的优势，制得温拌岩沥青复合改性沥青，试验研究其改性后的性能，从组分变化上分析改性机理。

1 试 验

1.1 试验材料

1.1.1 温拌剂

选用新疆克拉玛依石油化工研究院所生产的蜡型温拌剂KSHD，其基本特性见表1。

表1 KSHD型温拌沥青添加剂基本特性

1.1.2 沥青材料

1)岩沥青。岩沥青选用新疆乌尔禾岩沥青，其基本特性见表2。

表2 乌尔禾岩沥青基本性能指标

2)基质沥青。基质沥青选用克拉玛依90号(以下简称“克90”)与库车90号(以下简称“库90”)两种沥青，其常规试验指标见表3。

表3 克90与库90各项性能指标

1.2 试验方案

分别将岩沥青、温拌剂KSHD单独或复合掺入基质沥青“克90”与“库90”中，然后测定其常规性能，并进行四组分分析，以研究温拌剂KSHD及岩沥青的复合改性机理。

1.3 试样制备

1)分别将“克90”、“库90”在155℃及170℃的恒温箱中融化，然后分别掺入8%岩沥青，搅拌5 min。

2)将“‘克90’+8%岩沥青”放入155℃恒温箱中养护1 h后取出，备用；而“‘库90’+8%岩”放入170℃恒温箱中养护1 h后取出，备用。

3)将3%温拌剂KSHD分别掺入“克90”、“‘克90’ +8%岩沥青”和“库90”、“‘库90’+8%岩沥青”中，“克”系及“库”系的拌和温度分别为155℃、150℃，然后搅拌25 min。

4)浇筑试模进行试验。所制得试样详情见表4。

1.4 性能测定

试验按照JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关规定进行。

1.4.1 针入度分级评价

分别测定15，25，30℃针入度，10，15℃延度以及软化点，试验结果见表4。

1.4.2 老化性能试验

采用薄膜烘箱加热试验，测点沥青试样的质量损失，及老化后25℃针入度比，10℃延度，老化后软化点，结果见表4。

1.4.3 黏度试验

按照沥青旋转黏度(布洛克菲尔德黏度计法)试验规程，采用上海昌吉地质仪器有限公司的NDJ-1C布氏旋转黏度计测定了不同搅拌时间下70，80，90，105，120，135，165℃共6个温度下的布氏黏度，结果见图1、图2。

1.4.4 四组分试验

按照沥青化学组分试验(四组分法)试验规程，测定各类沥青的四组分即饱和分、芳香分、胶质、沥青质所占的百分比进行测定。

2 试验结果分析

2.1 KSHD与岩沥青对基质沥青的常规指标的改性效果(表4)

表4 常规指标试验结果

从表4看出：

1)加入温拌剂KSHD后“克90”的PI值降低了，而PI值是沥青感温性的重要指标，该值越高则沥青的温度敏感性越好，因此KSHD对于改善“克90”的温度敏感性是不利的。但温拌剂KSHD的加入，使得“克90”的延度和软化点均得到了提高，这对改善沥青的高温低温抗性能都是有利的。

2)岩沥青的加入使得“克90”的PI值和软化点升高了，延度却下降了。而把温拌剂KSHD和岩沥青同时掺入“克90”中之后，其PI值得到了提高，同时其延度值也比只掺入岩沥青时的延度值高了，软化点也比单一改性后的软化点值升高。说明温拌剂KSHD-岩沥青复合改性剂可以避免单一改性的不良影响，但可保留单一改性优点。

3)复合改性后“库90”的各项性能都比单一改性时的效果好，沥青的温度敏感性、高温低温性能都得到了极大程度的改善。因此温拌剂KSHD-岩沥青对基质沥青的常规性能的复合改性效果是优异的。

2.2 黏度变化

2.2.1 温拌剂KSHD-岩沥青的低温改性效果研究

在夏季时，由于室外温度较高，路面的温度往往能达到70～80 ℃，为了保证路面结构的力学性能，这就要求沥青的黏度足够大。图1展现了温拌剂KSHD与岩沥青对“克90”和“库90”在70℃与80℃时黏度的改性效果。

图1 “克90”及“库90”改性前后的低温黏度变化Fig.1 Viscosity changes of Ke 90 and Ku 90 at low temperature before and after modification

从图1可以看出，“克90”与“库90”经温拌剂KSHD-岩沥青复合改性后，比单一改性或基质沥青，在70℃与80℃这两个温度下的黏度均为最大，因此温拌岩沥青的高温稳定性也是最好的。

2.2.2 温拌岩沥青的高温黏度的改性效果

图2是“克90”和“库90” 在120，135，150，165℃的黏度改性效果。

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图2 “克90”及“库90” 改性前后的高温黏度变化Fig.2 Viscosity changes of Ke 90 and Ku 90 at high temperature before and after modification

从图2中可知，对于“克90”与“库90” ，岩沥青的加入使得这两种沥青的高温黏度大幅上升；而将温拌剂KSHD-岩沥青加入后，“克90”与“库90” 的高温黏度均有大幅降低。根据JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的黏温曲线计算方法，换算出温拌剂KSHD-岩沥青复合改性沥青的压实与拌和温度较岩沥青改性沥青降低了10℃以上。可见，温拌剂KSHD-岩沥青复合改性后，沥青的拌和与压实温度都有降低，意味着温拌剂KSHD-岩沥青复合改性沥青能够在施工过程中排放更少的气体，减少大气污染，并且也有利于在低温下施工。

此外，在高温下，沥青展现出了牛顿液体的特性，它的黏温关系符合安德拉得方程：

(1)

式中：E为流体的活化能，表明黏度对温度的敏感性；R为气体常数；T为绝对温度；A为材料常数。

将式(1)两边取对数，改写成对数形式：

(2)

从表5可以看出，单一温拌剂KSHD与岩沥青的加入均降低了“克90”的黏度对温度的敏感性，而温拌剂KSHD-岩沥青复合改性沥青则介于这两者之间，说明岩沥青改性沥青的温度敏感性最低，温拌剂KSHD改性沥青介于“克90”和岩沥青改性沥青之间。

表5 沥青黏度试验结果

从表5还可以看出，由于“库90”本身的黏度对温度的敏感性较低，加入温拌剂KSHD后其该值反而升高了，但岩沥青的加入依旧降低了其温度敏感性。说明岩沥青改性沥青的温度敏感性最低，而复合改性沥青的黏度对温度的敏感性还是介于温拌剂KSHD改性沥青与岩沥青改性沥青之间。

2.3 组分变化分析

现代胶体理论认为，大多数沥青是由大分子的沥青质吸附胶质形成胶团后分散在相对分子质量较小的可溶分(饱和分与芳香分)中形成的胶体溶液。从胶体结构类型来看，沥青按照沥青质的含量与沥青质被胶质胶溶的情况分为3种结构类型：溶胶型、凝胶型、溶-凝胶型。对于从减压渣油中制取的道路石油沥青，一般认为PI< -2的为溶胶型沥青，PI> 2的为凝胶型沥青，PI= -2～2的为溶-凝胶型沥青[5]。而沥青的各项性能与四组分之间存在着密切关系，有研究将从沥青中提取的四组分进行双组分调和试验，最后总结了四组分与沥青的各项性能之间的关系，见表6[6]。

表6 各组分对沥青的性能贡献

通过试验与叠加计算法得到了沥青与改性沥青的组分，见表7。

表7 沥青与改性沥青的组分

1)从基质沥青来看，“克90”沥青质含量很低(0.2%)，为溶胶型；“库90”沥青质含量为(16.82%)，为溶-凝胶型，所以“克90”的PI值较低，而“库90”的PI值较高(表4)。

2)当掺入温拌剂KSHD后，对于“库90”(溶-凝胶型)，其饱和分与沥青质增加了，这也验证了文献[7]的研究结论，该研究所用沥青也为溶-凝胶型。但对于“克90”，却并没有符合这一结论。加入温拌剂KSHD后，胶质与沥青质增加了，这很有可能是因为对于溶胶型“克90”，其内部沥青质较少，胶质较多，而沥青质带有的极性为亲胶质而排斥油分(饱和分与芳香分即为油分)，极性很强。而胶质带有的极性为亲沥青质和油分，极性相对较弱。于是在“克90”中沥青质将会吸附大量的胶质形成一个较大的胶团，而这样的胶团中的沥青质的极性在胶团表面就会很弱，因此胶团表面的胶质就会继续吸附温拌剂(KSHD为蜡型温拌剂)中的油分使得胶质增加。而对于“库90”，它自身为溶-凝胶型，其内部由于沥青质较多，因此形成的胶团较小，此外它的胶团中沥青质的极性在胶团表面还很强，因此会排斥温拌剂中的油分，使得饱和分增加。

3)岩沥青中沥青质的含量特别高，将岩沥青掺入“克90”和“库90”后，得到的改性沥青的沥青质均增加了。说明沥青质对沥青的感温性和高温黏度贡献较好，对延度贡献较差。因此，岩沥青改性沥青的感温性与高温稳定性都得到了改善，但同时延度也变差了(表4)，高温黏度也升高了。

4)当用温拌剂KSHD-岩沥青对基质沥青复合改性后，改性沥青中的沥青质与胶质增加了，因此沥青的高温稳定性，感温性能均得到了改善而低温抗裂性下降了。当温拌剂KSHD加入后，由于其为一种蜡，该蜡的软化点很高，大约在105℃左右，因此它能使得沥青的低温黏度增强，而高温黏度也下降。

3 结 论

1)对于基质沥青的常规性能，用温拌剂KSHD-岩沥青复合改性后，能够改善基质沥青的感温性能、高温稳定性能以及老化性能。

2)温拌剂KSHD单独使用时，会降低沥青感温性能；岩沥青单独使用时，会降低沥青低温抗裂和增加沥青高温黏度；而温拌剂KSHD-岩沥青复合改性时，这些缺点都得到了的改善。

3)岩沥青改性机理是，岩沥青中大量的沥青质使得基质沥青的感温性能、高温稳定性、抗老化性能得到改善。

4)蜡型温拌剂KSHD的加入，对于溶-凝胶型沥青，增加了其饱和分、沥青质含量；对于溶胶型沥青，增加了其胶质、沥青质含量。蜡型温拌剂KSHD改性机理是，由于其软化点在105℃左右，在低温时增加沥青的黏度，高温时降黏。

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