硬质沥青复合基质沥青性能影响研究

孙 科

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年来，随着全球变暖和交通量激增，车辆重载、超载现象频繁，对我国沥青路面提出了严峻挑战。普通的道路石油沥青已无法满足路面的使用需求，道路沥青的选择有向低标号沥青方向发展的趋势[1-3]。硬质沥青作为一种刚度高、抗车辙能力强的路面材料逐渐引起研究者的广泛关注，硬质沥青或高模量外掺剂添加进沥青中，提高沥青混合料性能是道路铺筑发展趋势之一[4]。

国外经验表明，硬质沥青的使用可以提高沥青路面抗车辙能力、延长路面使用寿命、减薄路面厚度并增强路面结构[5]。由于硬质沥青低温性能不佳，我国对硬质沥青的研究和应用普遍较少。鉴于基质石油沥青良好的低温性能和硬质沥青突出的高温性能，笔者将硬质沥青以不同比例分别加入到基质沥青中制备出复合沥青，对复合沥青各项性能进行检测，以期得到硬质沥青掺量对复合沥青性能的影响规律。

1 试验准备

1.1 主要原材料

基质沥青为加德士AH-70，硬质沥青源于泽浩化工公司。

1.2 试验工艺

称取一定量基质沥青将其加热为流动状态，而后向其内分别加入8%、16%、24%、32%和40%基质沥青重量的硬质沥青，混合均匀后制备出不同硬质沥青掺量的复合沥青，对上述复合沥青进行各项性能检测。黏度测试仪器为Brookfield 旋转黏度计，流变仪为美国TA 流变仪，接触角测试仪器为梭伦接触角测定仪。

2 结果与讨论

2.1 硬质沥青与基质沥青的红外光谱分析

研究中为分析硬质沥青与基质沥青在分子结构、官能团等结构信息上的特征，笔者先对两者进行红外光谱测试，分析两者在化学结构上的差异。图1为70 号基质沥青和硬质沥青的红外光谱图。

图1 硬质沥青与基质沥青红外谱图

红外光谱FTIR 测试结果显示，硬质沥青的最强谱带位于2 921 cm-1附近，肩峰为2 848 cm-1附近，与基质沥青的最强谱带位置基本一致；次强谱带位于1 455 cm-1附近，对应肩峰为1 377 cm-1处；邻峰为1 606 cm-1处，亦与基质沥青出峰位置接近。硬质沥青和基质沥青在红外光谱测试中的出峰位置几乎完全相同，均出现烷烃伸缩振动吸收峰、烷烃弯曲振动吸收峰、芳香环C-H 弯曲振动吸收峰和烷烃C-H 弯曲振动吸收峰，及羰基和亚砜基吸收峰。两种沥青所含官能团极为一致，只是强度略有差别，因而理论上两者具有良好的相溶性。

2.2 硬质沥青掺量对复合沥青常规指标影响

不同硬质沥青掺量的复合沥青三大指标检测结果见表1。综合看来，随硬质沥青掺量增加，复合沥青的针入度降低、软化点升高、延度下降，表现为高温性能得到增强，低温性能减弱。PI 数值随硬质沥青掺量增多而减小，表现为复合沥青体系对温度的敏感性降低。这是由于硬质沥青自身高温性能显著而低温性能不足导致，且硬质沥青中较多的重质组分会钝化体系的感温性能。

表1 复合沥青的三大指标

2.3 硬质沥青掺量对复合沥青黏度影响

由于硬质沥青自身高黏的特点，它的加入必然会使复合沥青的黏度增加。但掺量对复合沥青黏度的提高幅度及对施工温度的影响程度不得而知，为此笔者对制备的复合沥青进行不同温度范围下的布氏黏度进行测试。表2 为复合沥青黏度检测结果。与预期一致，整体上复合沥青的黏度随硬质沥青掺量的增加呈上升趋势。当温度升高至135℃时沥青黏度骤降，这说明在110℃～135℃范围内存在沥青的黏弹性转变。硬质沥青掺量对复合沥青体系黏度的影响幅度随温度升高而减弱，即温度越高，硬质沥青掺量对黏度的影响越不显著，这是由于温度越高沥青体系呈牛顿性流体的趋势愈明显。

表2 复合沥青黏度 Pa·s

根据黏温曲线的关系，对上述黏度取双对数，对温度取对数，对上述沥青进行直线回归，回归方程见表3。

表3 复合沥青黏温方程

t 为试验温度，℃；η 为黏度，cp。

按照回归的黏温关系，推得黏度为0.19 Pa·s 和0.15 Pa·s 时的拌和温度以及黏度为 0.3 Pa·s 和0.26 Pa·s 时的压实温度，具体结果见表4。

表4 复合沥青拌和与压实温度℃

由表4 中数据可见，硬质沥青掺量每增加8%，绝大多数复合沥青拌和与压实温度的增幅为2℃～3℃，但24%和32%掺量下复合沥青的黏度差异不大，拌和与压实温度差值小于1℃。尽管硬质沥青的加入会使施工温度提高，即使40%硬质掺量的施工温度也低于常规聚合物改性沥青施工温度，因此研究掺量范围内，硬质沥青的加入未明显提高施工温度和增加施工能耗。

2.4 硬质沥青掺量对复合沥青接触角影响

润湿性可以反映固体表面结构性质和与之接触的液体表面与界面性质以及固液两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现，其具体过程可通过接触角大小体现。根据液体与固体接触角的大小可对固体表面的亲水性进行判断，通常若固体表面与水滴的接触角小于90°则为亲水状态，大于90°为疏水状态。

沥青混合料水稳定性是指沥青与集料形成黏附层后，水存在时由于水对沥青的置换作用而导致沥青剥落的抵抗程度[6]。沥青与水润湿性越好则水对沥青的置换作用越显著，即沥青与水的接触角越大，润湿性越差，越有利于提高混合料的水稳定性。为此笔者对不同硬质沥青掺量的复合沥青进行接触角测试，以期对复合沥青亲疏水性做出评价。

试验中水滴与沥青表面接触后成像，通过测定水滴高度H 与宽度2R 可根据反推出两者的接触角，如图2 所示。

图2 小液滴测量法

表5 复合沥青与水接触角 （°）

由表5 数据可见，上述沥青与水的接触角均大于90°，体现为疏水特性。复合沥青与水的接触角随硬质沥青掺量增加而变大，体现为疏水性逐渐增强。由于水是极性物质，根据相似相溶原理，沥青中极性组分越多则越易与水吸附，而沥青中极性组分绝大多数存在于轻质组分内。由于硬质沥青内部重组分多轻组分少，所以复合硬质沥青后会使极性组分比例降低，体现为与水接触角增大，疏水性增强，有利于提高水稳定性能。

2.5 硬质沥青掺量对复合沥青车辙因子影响

沥青材料作为典型的黏弹性体，从低温到高温过渡时会出现从弹性体向塑性体转变的过程，且沥青黏度随温度的升高会呈现非线性指数倍数降低，高温阶段沥青模量出现显著降低。SHRP 计划推荐采用车辙因子表征材料抵抗永久变形的能力，笔者对上述沥青进行流变测试，分析不同硬质沥青掺量对复合沥青车辙因子的影响。

图3 复合沥青车辙因子

由图3 可见，各沥青车辙因子均随温度升高而降低，表明温度越高材料抵抗变形的能力越弱。硬质沥青重质组分多、黏度大、弹性行为显著，它的加入可使沥青体系模量增加，弹性增强。随硬质沥青掺量增加，复合沥青的车辙因子不断增大，表现为硬质沥青掺量越多越有利于提升体系抵抗高温变形的能力。

3 结论

a）红外光谱结果显示，硬质沥青和基质沥青的出峰位置相同，两种沥青所含官能团和分子结构相似度高，理论上相溶性好。

b）随硬质沥青掺量增加，复合沥青针入度降低、软化点升高、延度下降，复合沥青体系对温度的敏感性降低。

c）复合沥青的黏度随硬质沥青掺量的增加呈上升趋势，掺量每增加8%，复合沥青拌和与压实温度的增幅约为2℃～3℃，研究掺量范围内的施工温度均低于常规聚合物改性沥青施工温度。

d）复合沥青与水的接触角随硬质沥青掺量增加而变大，体现为疏水性逐渐增强，硬质沥青的加入有利于提高体系水稳定性。

e）复合沥青的车辙因子随硬质沥青掺量增加而不断增大，越有利于提升体系抵抗高温变形的能力。