彩色沥青用基础浅色胶结料的调配与性能研究★

康金玲，王黎明，孙思达

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

用彩色沥青混合料铺筑的路面颜色艳丽，可以起到美化路容和引导交通的作用，随着应用规模的扩大，已经逐渐成为一种受到重视的铺面材料。性能类似沥青的浅色胶结料是制备彩色沥青路面的基础，俗称明色沥青，现阶段的制备方法有两种: 沥青脱色法和浅色有机化工产品调配法，其中后者的生产工艺简单、性能易于调节且成本较低，目前已经成为制备技术的主流[1-5]。

自20 世纪80 年代以来，国内外不同学者进行了浅色有机化工产品调配浅色沥青技术的研究，赵亮等[6]采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 复合改性C9 树脂和高含量芳烃减压馏分油获得了浅色沥青胶结料，对比考察了国内外同类产品和70 号基质沥青组成和流变性能。刘开文等[7]采用芳烃油、萜烯树脂、邻苯二甲酸丁二酯(DBP) 等原材料制备出喷涂速凝彩色防水材料。詹成根等[8]使用乳化剂、胶乳改性剂、70 号明色沥青，制备了明色改性乳化沥青。汪建平等[9]改变剪切速率、剪切温度、剪切时间制备彩色高黏沥青，并确定其最佳施工温度。Afroditi Synnefa 等[10]对5 种彩色薄层沥青样品与常规黑色沥青样品相比较，证明彩色薄层沥青有助于减轻热岛效应。随着研究和国内化工产业发展，调配法或物理共混法制备浅色胶结料逐渐取得较为统一的技术认识，即参考沥青的化学组成关系，以芳烃油(芳香烃质量分数70% ～87%的减压馏分油) 和树脂(松香和萜烯树脂等天然树脂，C9 石油树脂或古马隆树脂等合成树脂) 为基础，混溶浅色弹性高聚物(如EVA，SBR，SBS 等) 形成稳定胶体。以高、中、低温黏度作为关键控制指标，确定各种比例的调配水平[11-17]。为满足基础路用性能，我国交通行业标准JT/T 1128—2017 彩色沥青结合料中所规定的浅色胶结料的技术指标和标准与本行业中对沥青的相关规定基本相同。但是，由于作为制备浅色胶结料的上游化工产品，芳烃油、树脂、高分子聚合物等原材料的品质和性质受生产工艺和成本的影响较大，迄今为止，行业内并未形成如何依据技术标准调配浅色胶结料的统一方法。

本文采用芳烃油，C9 石油树脂，EVA，SBR 四种常用调配原材料，研究了基于正交试验确定最佳调配比例的方法，明确了材料比例对调配性能的影响规律，并引入DSR 和BBR 试验用以验证调配出的浅色胶结料的路用性能。本文的调配和验证方法可以为其他基于类似组成材料调配彩色路面用浅色胶结料提供参考依据。

2 试验概况

2．1 试验原材料

本试验采用的原材料为芳烃油、C9 石油树脂以及丁苯橡胶(SBR) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 。原材料性质如表1 所示。

表1 原材料基本性质

2．2 制备工艺

按比例量取C9 石油树脂，芳烃油，丁苯橡胶(SBR)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) ，树脂黏度较高，为使溶液充分溶解，先将芳烃油加热至160 ℃后将EVA 和SBR分次加入反应容器中搅拌溶解，然后将C9 石油树脂加入反应容器中，参考文献[6]中制备浅色胶结料的方法，采用高速剪切，温度控制在160 ℃，时间为60 min，使各成分充分融合后160 ℃保温1 h，待溶液冷却后即制得浅色沥青。

3 浅色胶结料的调配规律

3．1 试验与结果

本研究调配法制备浅色沥青的原材料有4 种，按照有机化学相似相溶的原理及前人研究经验[18]，4 种成分可较好地物理混溶，但不会发生显著化学反应。4 种成分对调配结果的影响或调配规律可以通过全面交叉试验得到，当考虑各成分的不同变化水平时，其试验工作量巨大。鉴于各种成分物理混溶而无化学反应的特征，各成分可看作是对调配结果的独立因素，本文设计正交试验以缩减试验工作量，并基于正交试验结果分析各因素的调配结果(产品性能) 的影响规律和最佳调配比例。

在4 种成分中，芳烃油和C9 石油树脂在化学特性方面接近，二者混溶比例的最直接影响结果是改变混溶物的黏度，因此取油脂比(芳烃油与C9 石油树脂的质量比) 作为独立因素，取EVA 掺量和SBR 掺量分别为另外两个独立影响因素，分别命名为A，B，C。基于L9(33) 正交表设计三因素三水平的试验，根据经验，三因素的变化水平分别安排为A(1．25∶1，1．5∶1，1．75∶1) ，B(2．0%，4．0%，6．0%) ，C(0%，2．0%，4%) ，其中B，C 的比例为占油+脂(100) 的外掺质量。

按试验设计和2．2 节标准制备工艺制备9 组试件，按我国规程JT/T 1128 和CJJT 218 选定25 ℃针入度、10 ℃延度及软化点作为调配结果的评价指标。试验安排和各组试验的测试结果如表2 所示。

3．2 调配规律分析

通过正交试验可确定各因素对针入度、延度和软化点的影响规律以及选定最优方案。表2 给出了油脂比、EVA 掺量和SBR 掺量影响因素的直观分析，其中Ki表示每一列(g) 每一同种水平(i) 所对应试验结果的算术平均值(i=1，2，3) ，R为每一列中的极差。

表2 L9(33)正交试验方案与试验结果

由表2 极差分析结果可知，影响针入度的主次因素为:油脂比>EVA 掺量>SBR 掺量，其中，针入度随着油脂比的提高而提高，软化点随着油脂比的提高而降低。因此，从宏观概念上来说，油脂比决定了浅色沥青的软硬，是决定浅色沥青性能的基础因素。影响10 ℃延度的主次因素为:油脂比>EVA 掺量>SBR 掺量。影响软化点的主次因素为: 油脂比>SBR 掺量>EVA 掺量，EVA掺量变化引起的极差极小，说明其水平变化对软化点无明显影响。

与单因素分析相比，方差分析更能区别不同因素水平所对应的结果差异，由表3 ～表5 方差分析可知，油脂比对针入度、10 ℃延度、软化点的影响均为极显著水平(P<0．01) ，EVA 掺量对软化点无显著影响。综上，方差分析与极差分析结果相一致。

表3 针入度方差分析表

表4 10 ℃延度方差分析表

表5 软化点方差分析表

根据极差和方差分析综合来看，以上述四种组分调配彩色沥青时，应以油脂比为基础调节沥青的黏度(以针入度和软化点表征) ，微调EVA 掺量和SBR 掺量改善其低温性能(以延度表征) 。

3．3 优选比例

根据各因素各水平所对应指标结果的平均值的大小可以确定优选方案。如果要求指标越小越好，则取最小的平均值所对应水平;如果要求指标越大越好，则取最大的平均值所对应水平; 如果要求指标适中(固定值) ，则取适中的平均值所对应水平。

当以CJJT 218 中90 号浅色沥青为制备目标时，其针入度应在80 ～100 之间，而此时的软化点和延度值应越高越好。由表3 可知，油脂比对浅色沥青的针入度、延度和软化点的影响最大。以针入度最大值作为优选方案，选取A2(1．5∶1) 。同理，对于EVA 掺量，以延度最大值作为优选方案，选取B1(2%) ，但按此调配比例制备的浅色沥青延度指标不符合CJJT 218 标准，因此调整EVA 掺量为B2(4%) ，满足规范值，选取B2(4%) 。对于SBR 掺量，以软化点最大值作为优选方案，选取C2(2%) ，最终确定优选调配比例为芳烃油∶C9 石油树脂∶EVA∶SBR =60∶40∶4 ∶2(EVA 和SBR 外掺) ，或芳烃油∶C9 石油树脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9(内掺) 。

4 优选调配比例下的性能验证

按优选调配比例制备彩色沥青，对其常规的针入度、软化点、延度等经验性能，及流变学指标进行评价，以验证其是否符合JT/T 1128 中的技术标准。同时，采用一种常用中东油源盘锦90 号基质沥青做对比，以评价其相对普通沥青的性能变化规律。

4．1 常规基本性能

其按JT/T 1128，CJJT 218，JTG F40 等相关规程所规定指标和标准方法进行针入度、软化点等常规基本指标的性能检验，结果如表6 所示。

表6 优选比例下的浅色沥青指标

试验结果表明，按芳烃油∶C9 石油树脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9 比例调配的混溶物各项性能满足CJJT 218 和JT/T 1128 中普通浅色沥青技术标准。混溶物的颜色为棕褐色，在后期的混合料试验中，可以采用不同颜色色粉调配出色泽明亮的彩色沥青混合料。后续试验也表明，当采用颜色更浅的芳烃油和树脂时，其混溶物色泽也会更浅。最佳比例下制备的浅色沥青见图1。

图1 最佳比例下制备的浅色沥青

4．2 流变学性能指标

沥青的流变学性质包含黏温关系及蠕变特性，研究采用60 ℃～135 ℃大范围的黏度测试分析其黏度随温度的变化规律，采用动态剪切流变仪DSR 和弯曲梁流变仪BBR 测试和分析了浅色沥青的高温抗车辙和低温抗开裂指标相对普通沥青的特性。

4．2．1浅色胶结料的黏温关系和温度敏感性

沥青的黏温曲线直接体现了沥青的路用性能，反映出沥青的温度敏感性。采用ASTM D2493 中的Walther和Saal 公式进行回归分析，见式(1) ，拟合曲线见图2，图3。用黏温曲线斜率b表征沥青的温度敏感性能，称为感温系数，b值越大沥青的温度敏感性越高。

图2 浅色沥青黏温曲线

其中，η为沥青黏度，Pa·s;T为温度;b为感温系数。

由图2 得，通过对浅色沥青测试黏度数据回归，拟合曲线的方程为: lglg(η×103) =9．880 3-3．639 3lg(T+273．15) ，通过对90 号基质沥青测试黏度数据回归，拟合曲线的方程为lglg(η×103) =9．551 4-0．305 2lg(T+273．15) ，拟合优度分别为0．999 1 和0．996 7，具有较好的相关性。浅色沥青60 ℃～135 ℃感温系数为-3．639 3，而90 号基质沥青在该温度区间的感温系数为-3．505 2，浅色沥青的温度敏感性比90 号基质沥青略高。和大多数道路沥青一样，在60 ℃～135 ℃温度范围内浅色沥青黏温关系对数坐标图中呈线性，表现出牛顿流体的特性。根据曲线拟合得到其拌和黏度范围(0．17 ±0．02) Pa·s与压实黏度范围(0．28 ±0．03) Pa·s 所对应的温度范围分别为130 ℃～134 ℃和140 ℃～146 ℃，上述温度范围与90 号基质沥青相差不大。

针入度指数PI是用以描述沥青在常温段的温度敏感性的指标，针入度指数PI越大，沥青的温度敏感性越小。沥青的针入度的对数与温度呈线性关系，即:

其中，lgP为不同温度条件下测得的针入度值的对数;T为试验温度;K为回归方程的常数项a;AlgPen为回归方程的系数b。

针入度指数的计算公式为:

试验选取温度为15 ℃，25 ℃和30 ℃，测得浅色针入度指数PI=-0． 6，90 号基质沥青针入度指数PI=-0．9，符合JTG F40 要求(-1．5≤PI≤1．0) ，在15 ℃～30 ℃范围内其感温性能优于90 号基质沥青。浅色沥青针入度指数-2

4．2．2浅色沥青的高温抗车辙能力

通过动态剪切流变仪分别对老化前后的浅色沥青进行温度扫描试验。温度扫描范围46 ℃～82 ℃，浅色沥青和90 号基质沥青复数剪切模量G*、车辙因子G*/×sinδ和疲劳因子G*×sinδ随温度变化情况如图3 ～图5所示。

图3 复数剪切模量影响曲线

图4 车辙因子影响曲线

图5 疲劳因子影响曲线

由图3，图4 可知，沥青的复数剪切模量与车辙因子随温度升高而持续减小，与对照组变化趋势相同;在同种温度下，浅色沥青的G*和G*/sinδ皆小于90 号基质沥青，即浅色沥青的高温抗变形能力低于90 号基质沥青。

由图5 可知，随着温度升高，浅色沥青和90 号基质沥青的疲劳因子G*/sinδ均降低，且浅色沥青的疲劳因子小于90 号基质沥青，相比90 号基质沥青，浅色沥青抗疲劳性能更好。

根据AASHTO MP1a-04 中对PG 分级的划分，当某个温度等级下原样沥青G*/sinδ≥1．0 kPa 以及RTFOT后的沥青G*/sinδ≤2．2 kPa 时，称最高温度等级为沥青的高温PG 分级，由本试验确定的浅色沥青的高温PG 分级为58。

4．2．3浅色胶结料的低温抗开裂能力

蠕变劲度模量S反映沥青在低温中抵抗变形的能力，数值越小，表明沥青在低温环境下的柔性越好。蠕变速率m反映沥青应力松弛能力的强弱，数值越高，表明沥青路面抵抗低温开裂能力越强。为了研究制备得到的浅色沥青的低温性能，对浅色沥青和90 号基质石油沥青进行BBR 试验，试验温度为-18 ℃，-12 ℃和-6 ℃，其测试结果如图6，图7 所示。

图6 蠕变曲线

图7 蠕变速率曲线

由图6，图7 可知，在-6 ℃，-12 ℃温度下，浅色沥青的劲度模量均小于基质沥青，且均满足S≤300 MPa 的技术要求，在此温度下，浅色沥青低温性能优于基质沥青，而在-18 ℃时，浅色沥青和基质沥青的S值已超出S≤300 MPa 技术要求。在三个温度下，浅色沥青的m值比基质沥青的m值大，表明在-6 ℃，-12 ℃和-18 ℃温度下，浅色沥青产生的应力松弛比基质石油沥青好，抗低温开裂性能强于基质沥青。综合蠕变劲度模量S和蠕变速率m来看，浅色沥青低温抗裂能力较好。

根据AASHTO MP1a-04，浅色沥青在-12 ℃下的蠕变劲度模量S小于300 MPa、蠕变速率m大于0．3，浅色沥青的低温PG 分级为-22。

5 结论

本研究基于化学调配法，以芳烃油，C9 石油树脂，EVA，SBR 四种成为制备彩色沥青混合料用基础浅色胶结料，按技术目标设计正交试验取得了组成成分的调配规律和优选比例，并对优选调配比例下的胶结料进行了性能评价和分析。研究结论如下:

1) 各成分比例中，油脂比对浅色沥青黏度或软硬程度的影响最为显著，是决定浅色沥青性能的基础因素，微调EVA 掺量和SBR 掺量改善其低温性能(以延度表征) 。由试验确定的优选比例，芳烃油∶C9 石油树脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9，满足我国90 号彩色沥青胶结料技术标准。

2)60 ℃～135 ℃的大温度范围黏度测试和针入度指数测试表明，优选比例下调配的浅色沥青的黏温关系与基质沥青接近，具有相近的施工温度段和服役温度段温度敏感性。

3) DSR 对比温度扫描试验表明，浅色沥青与普通基质沥青的高温蠕变变形趋势基本相同，但浅色沥青的G*和G*/sinδ皆小于90 号基质沥青，疲劳因子大于90 号基质沥青，浅色沥青的高温抗变形能力低于基质沥青，耐疲劳性好于基质沥青。

4) BBR 对比试验表明，在-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃温度下，浅色沥青的低温抗裂能力优于90 号基质沥青。

5) 根据AASHTO 标准可知，浅色沥青的PG 分级为PG58-22。