高黏改性剂对普通沥青改性性能的影响研究

邓家喜 邹前 陈杰 欧冬 黎柱强

【摘要：】为研究高黏改性剂种类及掺量对高黏沥青性能的影响，文章选取市场常用的四种高黏改性剂及四种掺量对泰普克70#沥青进行改性，分别测试改性后的高黏沥青的针入度、软化点、5 ℃延度、布氏旋转黏度等关键技术指标，分析高黏改性剂种类及掺量对各项指标性能的影响规律，从而优选高黏改性剂产品，确定最佳掺量。结果表明：四种高黏改性剂对泰普克70#沥青的高温性能及低温性能均有大幅的提升作用，不同种类的高黏改性剂对基质沥青的改性效果不同;四种高黏改性剂中C改性效果最佳，根据不同掺量下各项技术指标变化规律，推荐最佳掺量为12%。

【关键词：】超薄罩面;高黏沥青;高黏改性剂;最佳掺量;预防性养护

U416.03A020043

0 引言

我国高速公路建设逐渐由建设为主转向建养并重发展阶段，沥青路面的养护工作必将迎来新的高潮。抗滑衰减是当前高速公路沥青路面存在的普遍问题，一些高速公路通车不到三年路面抗滑系数就急剧下降，最大降幅达到73%，严重影响了公路的使用性能和服务水平。《公路沥青路面预防养护技术规范》（JTG/T 5142-01-2021）对预防性养护提出了明确的技术措施，超薄罩面是解决沥青路面抗滑衰减的重要措施之一，沥青胶结料性能的优劣对超薄罩面的使用性能及耐久性具有重要影响。

添加高黏改性剂是提升沥青胶结料性能及其混合料路用性能的主要途径。陈加干等[1]采用SBS改性剂及高黏改性剂TS-1并辅以稳定剂、相容剂对双龙70#沥青进行改性，改性后的高黏沥青60 ℃动力黏度是普通改性沥青的13倍，复数模量是普通改性沥青的1.6倍，路用性能大幅提升。不同高黏改性剂与基质沥青的配伍性不同，对沥青性能提高的贡献程度不同，其高黏改性剂最佳掺量也有差异。周沛延等[2]对比了两种高黏改性剂在8%掺量下对沥青使用性能的影响，发现两种高黏改性剂均能不同程度地提升沥青的高温性能。刘学亮等[3]采用自主开发的HVB改性剂与日本TPS改性剂对SK-90基质沥青的改性效果进行对比，当HVB改性剂掺量为11.5%时与TPS改性剂掺量为16.5%时的性能相当，均具有良好的路用性能。梁若翔等[4]通过对四种掺量下某高黏改性剂与SBS改性沥青复配后的针入度、延度、软化点、60 ℃动力黏度等指标变化规律进行分析，确定高黏改性剂最佳掺量为8%，并验证了该掺量下得到的高黏沥青具有良好的流变性能。而相同的改性组分改性不同品质的沥青，改性效果也不相同，杨三强等[5]研究了SBS、TPS等改性剂与两种基质沥青的配伍性，发现基质沥青品质不同，改性沥青指标差异较大。

如何选取与基质沥青具有良好配伍性的高黏改性剂产品以及确定最佳掺量，是影响超薄罩面路面性能和经济性的重要因素。本文通过选取市场上常用的4种高黏改性剂对基质沥青进行改性，研究改性后高黏沥青关键技术指标随掺量的变化规律，并结合高黏沥青路用性能要求，优选高黏改性剂产品，优化最佳掺量，为预防性养护超薄罩面建设用原材料的选择及高黏沥青性能质量控制提供参考。

1 原材料

本文高黏改性剂样品来自国内三家公司自主研发并生产的高黏改性剂A、B、C，以及日本生产的高黏改性剂D。试验用基质沥青为泰普克70#沥青，性能指标如表1所示。

2 试验方案

2.1 高黏沥青制备工艺

高黏沥青制备工艺通常分为混溶阶段、高速剪切阶段和发育阶段，加工温度、剪切速率及发育时间等参数对高黏沥青性能有重要影响。本文参考已有文献[6]采用的高黏沥青制备工艺关键参数为：剪切温度170 ℃、剪切时间50 min、发育时间120 min。

试验室制备高黏沥青工艺：

（1）先将基质沥青加热至170 ℃，然后用烧杯称取所需的基质沥青放入电热套中保温，保持基质沥青温度在170 ℃±5 ℃。

（2）称取所需的高黏改性剂，边添加高黏改性剂边用玻璃棒搅拌，添加过程应在2 min内完成。

（3）将搅拌均匀的沥青与高黏改性剂混合物放置在170 ℃温控箱中溶胀40～60 min。

（4）将溶胀后的沥青与高黏改性剂混合物取出放入电热套中，采用高速剪切机对基质沥青和高黏改性剂进行高速剪切，促进沥青组分与高黏改性剂充分融合。高速剪切时间为50 min，剪切速率为4 000 r/min。

（5）将高速剪切后的高黏沥青放置在170 ℃温控箱中继续发育120 min，即得到本试验用的高黏沥青样品。

2.2 性能试验方案

本文先通过A、B、C、D四种高黏改性剂分别在8%、10%、12%、14%四种掺量下与泰普克70#沥青加工制备高黏沥青A、B、C、D，然后对各种高黏沥青的针入度、软化点、5 ℃延度及布氏旋转黏度等关键指标进行测试，进而分析高黏改性剂种类及掺量对高黏沥青各项技术指标的影响规律。

3 试验结果分析

四种高黏沥青A、B、C、D性能指标如表2所示，其针入度、软化点、5 ℃延度、165 ℃布氏旋转黏度指标随高黏改性剂掺量的变化规律如图1～4所示。

从图1可以看出，四种高黏改性剂均对针入度有显著影响，随着高黏改性剂掺量的增加，针入度指标呈减小趋势。从高黏改性剂种类对高黏沥青针入度指标的影响来看，当掺量<10%时，相同掺量下四种高黏改性剂改性得到的高黏沥青针入度指标大小排序为B>D>A>C。高黏沥青B针入度降低幅度相对较小，高黏沥青C降低幅度最大。当掺量>10%时，随着高黏改性剂掺量的增加，高黏沥青B和C针入度指标均快速衰减，高黏沥青A和D针入度指标衰减幅度较小。这表明高黏沥青针入度对A和D两种高黏改性剂的敏感性相对较低，对B和C两种高黏改性劑的敏感性相对较高，四种高黏改性剂对高黏沥青针入度指标影响敏感性排序为B>C>A>D。

从图2可以看出，四种高黏改性剂均对高黏沥青软化点有显著影响，随着高黏改性剂掺量的增加，软化点指标均逐渐增大。在高黏改性剂掺量<12%时，软化点增加幅度较大;当高黏改性剂掺量>12%时，软化点指标增加幅度逐渐减小，并趋于稳定。从高黏改性剂种类对高黏沥青软化点的指标影响来看，相同掺量下高黏改性剂C对沥青的软化点指标提升幅度最大，高黏改性剂D对沥青软化点提升幅度最小。四种高黏改性剂对高黏沥青软化点提升幅度大小排序为C>A>B>D。

从下页图3可以看出，四种高黏改性剂均对5 ℃延度指标有显著影响，随着高黏改性剂掺量的增加，5 ℃延度指标整体上呈增大趋势。从高黏改性剂掺量对高黏沥青5 ℃延度指标影响来看，A和C两种高黏沥青5 ℃延度指标随高黏改性剂掺量的增加先增大后减小，当掺量达到12%时，5 ℃延度达到最大值;而B和D两种高黏沥青5 ℃延度指标随高黏改性剂掺量的增加逐渐增大。从高黏改性剂种类对高黏沥青5 ℃延度指标影响来看，A、B、C三种高黏改性剂对5 ℃延度指标提升幅度明显大于高黏改性剂D，对沥青的改性效果更优。四种高黏改性剂对5 ℃延度提升幅度大小排序为C>A>B>D。

从图4可以看出，四种高黏改性剂均对165 ℃布氏旋转黏度有显著影响，随着高黏改性剂掺量的增加，165 ℃布氏旋转黏度指标均逐渐增大。在高黏改性剂掺量<12%时，四种高黏沥青165 ℃布氏旋转黏度增加较缓慢;当高黏改性剂掺量>12%时，165 ℃布氏旋转黏度增加较快，表明四种高黏剂掺量>12%时，165 ℃布氏旋转黏度指标对高黏改性剂掺量比较敏感。从高黏改性剂种类对165 ℃布氏旋转黏度指标影响来看，高黏改性剂C对165 ℃布氏旋转黏度提升幅度最大，高黏改性剂D对165 ℃布氏旋转黏度提升幅度最小，四种高黏改性剂对165 ℃布氏旋转黏度影响程度大小排序为C>A>B>D。

针入度、延度、软化点、布氏旋转黏度等指标是评价沥青胶结料性能的重要指标，各项技术指标均反映沥青胶结料某一方面的性能，部分指标之间也存在着相互制约的关系。如图1～4所示，随着高黏改性剂掺量的增加，高黏沥青的5 ℃延度、软化点、布氏旋转黏度均大幅提升，针入度明显下降。虽然高黏改性剂的加入显著提升了高黏沥青的低温性能及高温性能，但当高黏改性剂掺量超过一定范围时，高黏沥青的布氏旋转黏度明显增大，影响沥青混合料的施工性能。根据《公路沥青路面预防养护技术规范》（JTG/T 5142-01-2021），针入度指标≥40～70（0.1 mm）、5 ℃延度指标≥40 cm、软化点≥90 ℃、165 ℃布氏旋转黏度≤3 Pa·s。综合上述分析可知，当高黏改性剂C掺量达到12%时，制备的高黏沥青性能指标均满足路用性能要求;高黏改性剂A掺量为12%时，其软化点和延度均较接近规范值，但继续增加掺量，其软化点略有提升，延度出现一定的下降，同时布氏旋转黏度超过了3 Pa·s;高黏改性剂B掺量为12%时，软化点指标相对较低，仅为78.5 ℃，继续增加掺量虽然可以提升软化点指标，但布氏旋转黏度指标持续增大，超过3 Pa·s，会对沥青混合料施工性能产生不利影响;而高黏改性剂D掺量增加至14%时，软化点及5 ℃延度指标仍然相对较低，虽然继续增加掺量可以进一步提升软化点及5 ℃延度，但布氏旋转黏度指标可能会超过3 Pa·s，且高黏改性剂掺量越高材料成本越高。因此，高黏改性剂C对泰普克70#沥青具有较好的改性效果，建议最佳掺量为12%。

4 结语

（1）A、B、C、D四种高黏改性剂对泰普克70#沥青路用性能均有显著的改善作用，但不同种类的高黏改性剂改性效果差异较大。高黏改性剂C整体改性效果最佳，根据不同掺量下各技术指标变化规律，推荐最佳掺量为12%。

（2）四种高黏改性剂对泰普克70#沥青各项技术指标的影响规律基本一致，即随着高黏改性剂增加，5 ℃延度、软化点及布氏旋转黏度指标整体上均呈增大趋势，针入度指标呈减小趋势。

（3）四种高黏改性剂对泰普克70#沥青各项技术指标的敏感性存在明显差异，高黏改性剂B对针入度指标更为敏感，高黏改性剂C对软化点、5 ℃延度及165 ℃布氏旋转黏度指标更为敏感。可根据不同应用场合针对沥青胶结料性能需求优选相应高黏改性剂及最佳掺量。

[1]陈加干，周国宝，靳卫华.高黏改性沥青的制备及性能研究[J].石油沥青，2016，30（2）：14-16.

[2]周沛延，程志豪，黎 晓，等.高黏改性剂对沥青使用性能的影响研究[J].公路交通科技（应用技术版），2015，11（11）：56-58.

[3]刘学亮，余剑英，吴少鹏，等.高黏度改性沥青的制备与性能研究[J].石油沥青，2007（6）：7-10.

[4]梁若翔，付 娇，孟勇军.高黏改性沥青的制备及其性能研究[J].西部交通科技，2021（5）：1-3.

[5]杨三强，刘 璐，苏胜昔，等.聚合物高黏改性沥青改性机理与性能试验研究[J].公路工程，2021（4）：1-10.

[6]陈 剑，陈 杰，周智密.加工工藝对高黏沥青性能的影响研究[J].西部交通科技，2019（6）：33-37.