HPD温拌剂对高粘沥青性能影响研究*

郝运哲，董夫强，孙鹏程

（河海大学 土木与交通学院，江苏南京 210098）

为了贯彻落实国家对“海绵城市”、“资源环保型社会”的要求，排水路面、微罩面等技术受到专家学者的重视，高粘沥青作为其关键核心材料，具有粘度高、抗车辙能力强等特点。但高粘沥青因其粘度过高会大大提高其拌合压实温度，造成资源损耗、环境污染等问题［1-4］。为此，本研究拟向高粘沥青中加入新型温拌剂改善高粘沥青的粘温性能，使沥青的施工温度得到降低，达到节约能源、减少污染物排放的效果。

温拌技术可以按工作原理分为三种，具体可以分为乳化分散降粘温拌技术、发泡降粘温拌技术和有机降粘温拌技术［5］。目前温拌剂多用于普通沥青路面，应用于高粘沥青路面较少。杨彦海等［6］研究了温拌剂对应用于普通路面沥青的性能影响，发现温拌剂的加入对路用沥青混合料的性能不会产生负面影响，并且可以降低施工总成本。程万里等［7］在将温拌技术应用于高速公路沥青路面时发现，温拌技术的应用可以减少高速公路上病害发生。Frigio等［8］通过在沥青中加入温拌剂，并对其进行老化试验，发现温拌技术可以提高老化后沥青混合料的抗疲劳性能。目前传统温拌技术用于高粘沥青时，能到达一定效果，但是会对高粘沥青的使用性能尤其是低温性能造成损害。徐国其、孙敏等［9-10］的研究发现，温拌剂的密度、相对分子质量等与改性沥青的性质相差较大，这就会在沥青储存时出现离析等问题。丁鹏等［11］在研究不同温拌高粘沥青性能时提出，传统温拌剂例如Sasobit温拌剂、EC120温拌剂可以提高沥青的高温性能，但是温拌高粘沥青的低温蠕变劲度和速率较普通高粘沥青会降低33.3%。陈颖川等［12］研究多种降粘型温拌剂对高粘沥青使用性能的影响时发现，温拌剂加入后，沥青软化点有所提升，但是延度较普通高粘沥青下降了30%。所以现阶段需要对温拌剂进行研发改进。目前国内对应用于高粘沥青路面的新型温拌剂开发的研究较少，从节能环保、材料性能等方面考虑，新型温拌剂的开发使用是一个十分重要的问题。因此，本文将通过对比自主研发新型粉末状HPD温拌剂与传统sasobit温拌剂对高粘改性沥青高低温性能以及微观结构的影响，验证自主研发HPD温拌剂的优越性，并且根据实验结果推荐一个最适宜掺量供工程应用。

1 原材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥青

本研究所采用的基质沥青为江苏通沙沥青厂生产的道路用70#基质沥青，其基本技术指标见表1。

表1 基质沥青技术指标Table 1 Properties of matrix asphalt

1.1.2 SBS改性剂

本研究采用YH-791型SBS改性剂，其相关技术指标见表2。

表2 SBS改性剂技术指标Table 2 Technical index of SBS modifier

1.1.3 温拌剂

本研究采用的HPD温拌剂（图1）是自主研发的一种新型粉末状蜡基沥青添加剂，由多种化工产品、沥青改性剂和其他辅助材料合成；外形为白色粉末，在使用时不会产生有毒副产品，是一种无刺激性气味、无污染的环保型产品。

图1 粉末状HPD温拌剂Fig.1 Powder warm mixture

1.1.4 温拌高粘改性沥青的制备

温拌高粘改性沥青的制备采用高速剪切法，室内制备工艺如图2所示。

图2 掺加温拌剂的高粘沥青的制备流程Fig.2 Preparation process of high viscosity asphalt mixed with heating admixture

1.2 试验方法

（1）基本指标

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》( JTG E20-2011)，对不同掺量高粘沥青的基本指标(包括针入度、软化点、延度、粘度)进行检浊分析。

（2）高温指标

使用TA-AR1500EX动态流变剪切仪分别对HPD温拌剂掺量为0%、1.8%、2%、2.2%和sasobit掺量为2.0%的改性沥青进行试验，以fail temperature评价改性沥青的高温性能。

（3）微观性能

通过傅里叶红外光谱和荧光显微镜对温拌高粘改性沥青和普通高粘改性沥青进行观察，分析温拌剂对沥青微观结构的影响。

2 试验结果与分析

2.1 常规性能

HPD温拌剂在改善高温性能方面表现尤为明显，掺量分别为0%、1.8%、2%、2.2%的HPD温拌剂（下文称为“H”）以及掺量为2%的sasobit温拌剂（下文称为“sa”）对改性沥青的基本性能影响见表3。

表3 不同掺量温拌剂对沥青常规性能的影响Table 3 Influence of different dosage of warm mixture on conventional performance of asphalt

从表3可以看出，温拌高粘改性沥青的软化点和60℃动力粘度要高于普通高粘沥青，5℃延度要低于普通高粘沥青，且当HPD温拌剂掺量上升时，软化点和60℃动力粘度最大上升幅度可以达到12.0%和27.0%，5℃延度下降幅度达到27.3%。相同掺量下，HPD温拌剂对高粘沥青软化点和60℃动力粘度的改善效果要好于sasobit温拌剂，对比两者沥青低温性能的影响时可以看到，添加sasobit温拌剂的高粘改性沥青的延度要小于30cm，已经不符合规范要求，相同掺量下，添加HPD温拌剂的高粘沥青延度要比传统温拌高粘沥青高21.1%。上述实验结果表明HPD温拌剂可以使高粘沥青的高温性能得到提升；而延度下降，说明HPD温拌剂对高粘沥青的低温性能有不利影响，会降低沥青路面的低温抗裂性能，但是相较于传统温拌剂，HPD温拌剂对高粘沥青低温性能的损伤有一定程度的改善。这是因为HPD温拌剂本身是一种蜡基温拌剂，会在沥青中发生溶胀作用，吸附沥青中的饱和分，对沥青中改性剂的分子链有润滑效果，温度越高，作用效果越显著；温度降低时，HPD温拌剂析出饱和分晶体，溶胀作用发挥不出效果，润滑作用在高分子链中无法起到作用，微观运动受阻，使得在低温情况下，改性沥青出现变硬变脆的现象。

2.2 粘温特性

布氏粘度用来表征沥青抵抗流动和变形的能力，是美国SHRP计划用来评价沥青的粘度性能以及温拌效果的关键指标，其大小影响沥青施工和易性。高粘沥青施工温度通常较高，此时高粘沥青粘度较小，约为10-1Pa·s数量级；但是在温度较低时，沥青粘度变大，近乎处于固体状态，这时的粘度可以达到1011Pa·s数量级。沥青在135℃时的布氏粘度过高时，不仅会对施工造成不利影响，从而影响路面寿命和使用性能，还会造成成本造价过高等问题［13］。本文考察了HPD以及sasobit温拌剂掺量对高粘沥青135℃布氏粘度影响规律，如图3所示。

图3 不同掺量温拌高粘沥青布氏粘度曲线图Fig.3 Brookfield viscosity curves of different content of warm mix high viscosity asphalt

从图3可以看出，随着温度的上升，高粘沥青样品的布氏粘度均不断减小，这表明在温度上升的过程中，高粘沥青内部的粘聚力有所下降，对沥青的施工有一定积极影响；在相同温度，温拌高粘沥青的粘度都要小于普通高粘沥青，随着HPD温拌剂掺量的增加，最大降低幅度可以达到39.47%；达到同一粘度时，普通高粘沥青所需达到的温度要比温拌高粘沥青最多高15℃。随着HPD温拌剂掺量的增加，高粘沥青布氏粘度的下降速率一直处于较大的状态，但是当温度大于155℃时，布氏粘度变化趋于平缓。同时还可以看出，相同温度下，加入HPD温拌剂的高粘沥青粘度要小于加入相同掺量sasobit温拌剂的高粘沥青，这也表明HPD温拌剂对沥青性能的改善效果要优于传统sasobit温拌剂。高粘沥青的拌和与压实温度可以以粘温曲线上（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.02）Pa·s对应的温度确定，由计算可得，温拌剂加入后，沥青的施工温度明显得到降低，且HPD温拌高粘沥青的拌和压实温度都要低于同掺量sasobit温拌高粘沥青（如图4所示），并且随着温拌剂掺量的增加，拌和温度最高可以降低10℃，压实温度最高可以降低9℃，可以有效提高沥青的施工和易性，达到节能减排的目的。

图4 不同掺量温拌高粘沥青拌和压实温度Fig.4 Compaction temperature of mixed high viscosity asphalt with different dosage

2.3 高温特性

对加入不同掺量HPD温拌剂以及sasobit温拌剂的高粘沥青进行温度扫描实验，温度控制在52～88 ℃之间，结果如图5、图6所示。

图5 不同掺量温拌高粘沥青复数剪切模量Fig.5 G＊ of warm mixed high viscosity asphalt with different dosage

图6 不同掺量温拌高粘沥青相位角Fig.6 δ of warm mixed high viscosity asphalt with different dosage

从图5、图6可以看到，温拌高粘沥青与普通高粘沥青相比，复数剪切模量G*增加而相位角δ减小。当HPD温拌剂掺量的增加时，在相同温度，G*值不断增高，但是δ值不断减小。同时，在温度为58℃时，添加HPD温拌剂的高粘沥青比加入同剂量sasobit温拌剂的模量提高最高，幅度达到16%。相位角大小反应了沥青体系的粘弹性关系，相位角越小，沥青体系弹性越好。由于HPD温拌剂加入，高粘沥青体系的弹性得到改善，高温性能有所提高，且改善效果优于sasobit温拌剂。

可以由实验得出沥青试样的抗车辙因子G*/sinδ，结果如图7所示。

图7 不同掺量温拌高粘沥青车辙因子Fig.7 G＊/sinδ result for different dosage of warm mixing agent

由图7可以看出，温度相同时，温拌高粘沥青的车辙因子要大于普通高粘沥青，且掺量增加时，车辙因子也会随之增大，HPD掺量为2.2%时，高粘沥青车辙因子达到最大值；在相同温度下，添加HPD温拌剂的高粘沥青沥青车辙因子要大于加入同掺量sasobit温拌剂的沥青车辙因子。说明HPD温拌剂的加入可以提高改性沥青的高温性能，且效果要优于sasobit温拌剂。根据数据建立车辙因子对数值log（G*/sinδ）～温度T的关系图，结果如图8所示。

图8 不同掺量温拌高粘沥青log(G＊/sinδ)～T曲线Fig.8 log(G＊/sinδ)～T result of different dosage of warm mixing agent modified asphalt

美国SHRP研究计划将G*/sinδ=1kPa时得出的温度定为沥青的破坏温度（fail temperature）。梁星敏等［14］的研究表明，当高粘沥青的破坏温度小于环境温度时，车辙等病害在沥青路面发生的概率要更大。根据图8回归拟合公式计算不同掺量的高粘改性沥青破坏温度，计算结果见表4。

表4 不同温拌剂掺量的改性沥青的破坏温度Table 4 Fail temperature of different dosage of warm mixing agent modified asphalt

由表4可以看出，普通高粘沥青的破坏温度要低于温拌高粘改性沥青，且随着HPD温拌剂掺量的增加，高粘改性沥青的破坏温度不断升高，HPD掺量在2.0%～2.2%范围时，破坏温度增幅显著增大，对高粘沥青高温性能改善最为明显。同时可以看出，当掺量相同时，HPD温拌高粘沥青的破坏温度要高于添加sasobit温拌剂的高粘沥青，表明自主研发的HPD温拌剂较传统的sasobit温拌剂相比，对沥青的高温性能改善效果要更优异。

2.4 微观结构

2.4.1 红外光谱分析

从微观角度来看，物质之间分子结构是不相同的,使用傅里叶变换红外光谱仪能够得到不同的谱带［15-16］，可以利用谱带对物质进行研究。根据上述实验结果，选择对HPD掺量为2.0%的高粘改性沥青、普通高粘改性沥青和HPD温拌剂进行红外光谱扫描，实验结果如图9所示。

图9 傅里叶红外光谱实验谱图Fig.9 Experimental spectrum of Fourier infrared spectroscopy

将两种沥青对照可以发现，只有在波数1600cm-1左右，温拌高粘沥青出现新的吸收峰，根据孟勇军等［17］的研究表明，这主要是由于峰芳环C=C的含量变化。对比HPD温拌剂的红外光谱可以发现，这是添加HPD温拌剂的效果，用Origin软件计算图9中C=C面积比，可知随着HPD温拌剂的掺加，C=C透光度有所增多，而C=C作为双键，其键能较高，是沥青试样力学性能的主要来源，由此解释了流变性能试验中温拌高粘改性沥青性能得以改善的原因。除此之外，两种沥青特征峰峰形基本相同，只是峰的强度存在差异，这说明温拌剂、改性剂和基质沥青之间存在某些组分之间的相互作用，但是并不会产生新的化学物质。

2.4.2 荧光显微镜分析

沥青的微观结构可以通过IMAGER Z2电动荧光显微镜观浊，图10、图11为普通高粘改性沥青和HPD掺量为2.0%的温拌高粘改性沥青在荧光显微镜下的图像，放大倍数为400倍。

图10 普通高粘改性沥青 Fig.10 Common high viscosity modified asphalt

图11 温拌高粘改性沥青Fig.11 Warm mix high viscosity modified asphalt

通过图10、图11的对比，可以看到，图中发光物主要是SBS颗粒，在高粘改性沥青中添加温拌剂前后，SBS分布发生了很大变化，加入温拌剂前，SBS颗粒存在聚集现象，且在沥青中分布不均匀，说明SBS在沥青中的溶胀不彻底；加入HPD温拌剂后SBS颗粒在沥青中分布均匀，形成了致密的网状结构，且没有明显的聚集现象，使SBS在沥青中的溶胀更为明显。由此可知，HPD温拌剂的加入可以使其在沥青中分布更均匀，从而使两者接触更加充分作用，对SBS在沥青中的溶胀情况进行改善，这也是高粘改性沥青性能得以明显改善的原因。

3 结论

（1）HPD温拌高粘沥青的软化点、60℃动力粘度、车辙因子和破坏温度均优于普通高粘沥青与传统sasobit温拌高粘沥青，HPD温拌剂掺量在2.0%～2.2%时提升幅度最大，对高粘沥青高温性能改善效果最好。

（2）HPD温拌剂对高粘沥青低温性能损伤效果有所改善，传统sasobit温拌高粘沥青延度小于HPD温拌高粘沥青且已经不符合规范要求，在工程使用过程中要注意温拌剂的掺量。

（3）HPD温拌剂的掺加可以达到节能减排的效果，有效地改善沥青的施工和易性，可以降低高粘沥青拌和压实温度10℃左右，优于掺加sasobit温拌剂的高粘改性沥青。

（4）HPD温拌剂的加入促进了SBS在沥青中的溶胀效果，从而提高高粘沥青各项使用性能，且不会在高粘沥青中形成新的官能团和化学物质。

（5）综合温拌剂对高粘沥青高低温性能、粘温特性、微观结构的影响以及造价成本，推荐HPD温拌剂的合适掺量为2.0%～2.2%。