一种三元复合沥青温拌剂的研发

白雪鹏，袁福根，石鹏程，沈菊男

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.苏州科技大学 化学与生命科学学院，江苏 苏州 215009）

我国高速公路快速发展，沥青已成为路面材料的首选。沥青路面施工时，传统的热拌沥青混合料技术不仅要消耗较多能源，同时还会放出较多污染性气体。温拌沥青混合料技术应运而生。在沥青加热拌和过程中添加温拌剂，不但可以降低沥青的拌合温度，节约能源，而且减少了环境污染。温拌剂的作用原理主要是降低了沥青在高温下的粘度，提高其流动性，从而降低了沥青的拌合和摊铺压实温度。随着时代发展，人们对道路材料要求越来越高。优秀的温拌剂，除了可以降低沥青高温粘度外，还需要对沥青混合料的路用性能没有破坏，甚至还有辅助提高作用。

温 拌 剂 的 研 究 已 有 大 量 报 道，涉 及 温 拌 剂 包 括EC130[1-2]、陆 路 邦[3]、Sasobit[3-11]、Evotherm[5，8，12]、Asphamin[4-5，8-9，13]、EWMA-1[3，13]、ZYF-B[6]、ET-3100[7，10-11]、EC120[13]、JY-W1[14]、DS-TL[15]等，种类较多，性能各异。笔者注意到，文献研究基本以温拌剂的应用研究为主，即某些型号或品牌的温拌剂对沥青性能或者沥青混合料路用性能的影响，这对温拌剂的工程应用是很有意义的，但对温拌剂的研究开发过程报道较少[16-18]。尤其生产企业为了某些商业目的，对温拌剂的组成配方进行保密，导致施工工程师对其作用特点理解受限。目前，温拌剂的选用基本靠经验，比较盲目。笔者设想通过多组分复合，组分间取长补短，协同配合，研发一种综合性能优良的温拌剂。这样的研究还未见报道。

1 实验部分

1.1 试剂

基质沥青为韩国双龙70号基质沥青。萜烯树脂，江西三峰化工有限公司生产。松香甘油树脂，江西新海化工有限责任公司生产。硬脂酰胺，上海毕得医药科技股份有限公司产品。硬脂酸，上海麦克林生化科技有限公司产品。机油为增压柴机油，API级别CD，嘉多士润滑油有限公司生产。菜油为金龙鱼菜籽油，非转基因，上海嘉里食品工业有限公司产品。绿色环保增塑剂，1，2-环己二酸二（二乙二醇乙醚）酯，按照文献[19]的方法制备。Sasobit为进口产品，德国Sasol Wax公司生产。

1.2 测试和仪器

沥青的布氏粘度、针入度、软化点、延度测试都按照交通运输部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规程进行。布氏旋转粘度计，型号为NDJ-1C，上海昌吉地质仪器有限公司生产。针入度测试在HDLZ-IV型全自动电脑沥青针入度测试仪上（25℃）进行。软化点测试在LD-2000型电脑沥青软化点试验器上进行。延度在低温液晶显示延伸度测定仪上测定（10℃延度）。

1.3 温拌沥青的制备

在500 mL不锈钢杯中依次称入基质沥青、温拌剂，然后置于100℃烘箱中加热，待基质沥青熔融后用搅拌棒充分搅拌，温拌剂完全溶解，得到温拌沥青。

2 结果与讨论

2.1 温拌主剂的选择

温拌剂的主要作用是降低沥青高温条件下的粘度，促进沥青和集料的粘合。关于温拌剂的应用报道较多，然而，对于其具体成分公开的很少。另外，温拌沥青低温条件下的粘度也常常被忽视，关注的也不多。根据温拌剂的应用特点，笔者希望温拌剂不但能降低沥青的高温（105℃以上）粘度，同时又不降低沥青低温（60～80℃）粘度，从而既可降低沥青混合料的拌和温度，又不影响其常规使用温度下的路用性能。

初选萜烯树脂、松香甘油树脂、硬脂酰胺三种物质作为温拌主剂。这三种物质的成分类型不同，熔点分别为90～100℃、85～90℃和98～102℃。在同样4%添加量条件下，三种物质对沥青粘度的影响结果见表1。

表1 温拌添加剂对沥青粘度的影响 Pa·s

由表1可见，萜烯树脂的添加可使沥青在各温度下的粘度都有所降低，且降幅很小；松香甘油树脂的添加对沥青低温（60～80℃）段和高温（105～165℃）段粘度的降低幅度都不大，所以它们不是合适的温拌主剂。硬脂酰胺的添加不但使沥青高温粘度有较大幅度的降低，而且使沥青低温粘度有所提升，是合适的温拌主剂。

改变硬脂酰胺的添加量，沥青布氏粘度随温度变化结果如图1所示。由图1可见，当硬脂酰胺添加量为沥青质量的3%时，相对于基质沥青，温拌沥青的低温粘度有所提高，而高温粘度明显降低，效果理想。当硬脂酰胺添加量增加为4%时，低温段粘度基本不变，但90～135℃段粘度却比添加量3%时有一定提高。这种现象反映出硬脂酰胺与沥青存在复杂的分子间相互作用。进一步提高硬脂酰胺添加量为5%时，温拌沥青低温粘度进一步提高，而高温沥青粘度又有了进一步降低。继续提高硬脂酰胺添加量为6%，温拌沥青高温下的粘度会继续降低，但70～80℃的粘度将会低于基质沥青。因此，硬脂酰胺添加量在4%～5%为宜。

图1 硬脂酰胺添加量对沥青粘度的影响

2.2 温拌助剂的选择

为了进一步提高沥青温拌剂的高温降粘效果，考虑添加一些辅助试剂。尝试了添加表面活性剂斯潘60（熔点56～58℃），发现它会造成沥青高温粘度和低温粘度都降低，所以并不合适。考虑到羧酸和酰胺会发生氢键作用，且硬脂酸易溶于沥青，安全无毒，故选择硬脂酸。硬脂酰胺和硬脂酸二元复合温拌剂对沥青粘度的影响情况见表2。

表2 硬脂酰胺-硬脂酸复合温拌体系对沥青粘度的影响 Pa·s

由表2数据可知，基质沥青在添加4%硬脂酰胺基础上，再添加0.3%或0.4%硬脂酸，温拌沥青的低温（60～80℃）粘度跟基质沥青相差不大，但高温粘度（90～165℃）有明显降低。例如，同样在120℃，三种温拌方案：4%硬脂酰胺、4%硬脂酰胺+0.3%硬脂酸、4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸，温拌沥青布氏粘度分别为0.764、0.723和0.531 Pa·s，说明硬脂酸作为辅助试剂对沥青高温降粘是有效的。进一步提高硬脂酸比例，温拌沥青的高温降粘效应变差，且低温粘度会低于基质沥青，说明硬脂酸存在一个最佳添加量。硬脂酸添加太少，则对硬脂酰胺的辅助降粘效果不够；硬脂酸添加太多，则会增加沥青分子之间的结合力，粘度反而提升。4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸的搭配是比较合适的。同样，在5%硬脂酰胺基础上改变硬脂酸添加量，发现5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸比较合适。

以沥青布氏粘度-温度作图，可得粘温曲线。对105～165℃高温段粘温曲线进行回归拟合，结果见表3。将粘度值（0.280±0.030）Pa·s代入拟合方程，可得到沥青压实温度范围[20-22]。温拌沥青的压实温度和基质沥青的压实温度之差，即为温拌降温幅度。4%硬脂酰胺+0.4%硬脂酸，温拌降温为13.8～17.3℃，而4%硬脂酰胺单独使用，降温为5.1～7.7℃，硬脂酸的辅助效果较为显著。

表3 粘温曲线回归拟合结果

2.3 温拌剂对沥青三大指标的影响

二元复合温拌剂可降低沥青高温粘度，并提高沥青低温粘度。但是沥青性质很多，粘度只是其中一项。沥青的基本性质主要有针入度、软化点、延度三大指标。

温拌剂对沥青三大指标有很大影响，结果见表4。由表4中实验2-3和实验1对比可见，在基质沥青中添加硬脂酰胺后，沥青的针入度降低，软化点升高，延度降低。针入度降低，表明材料硬度提高，抗变形能力增强。软化点提高，表明材料的耐高温性能提升。延度降低，表明材料韧性降低，塑性变形能力变差。因此，延度降低是温拌剂带来的最大不利影响。文献中大部分温拌剂都有类似情况[3-6，13]。

为提高温拌沥青的延度，尝试添加机油、菜油和增塑剂，实验结果一并列入表4。由表4实验6-7和实验4-5比较可见，在硬脂酰胺和硬脂酸二元复合基础上添加1.5%机油时，温拌沥青延度和针入度都接近基质沥青。由实验8-9和实验4-5比较可见，菜油添加量在0.9%时，温拌沥青的延度略大于基质沥青，针入度略小于基质沥青。增塑剂添加量为0.5%～0.6%时，温拌沥青延度和针入度提高到了接近于基质沥青水平。

表4 温拌剂对沥青三大指标的影响

机油、菜油、增塑剂都可以使二元复合温拌沥青的延度恢复，那么对沥青布氏粘度的影响如何？实验结果见表5。

由表5和表2数据对比可以看出，机油的添加，可使硬脂酰胺-硬脂酸温拌沥青60～70℃布氏粘度有所增加，但80℃粘度是降低的。菜油也有相同问题，所以机油和菜油不是理想的延度调节剂。

由表2中5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸温拌沥青粘度数据与表5中5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑剂温拌沥青粘度数据对比可以看出，在硬脂酰胺-硬脂酸温拌沥青中添加增塑剂后，温拌沥青60～70℃粘度是提高的，80℃粘度虽然有一点下降，但降低不多，仍高于基质沥青在80℃时的粘度，而90～165℃粘度则进一步降低，说明增塑剂是硬脂酰胺-硬脂酸体系合适的延度调节剂。5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑剂三元复合型温拌体系是一种兼顾了高低温粘度、沥青三大指标的优化温拌剂。

2.4 三元复合温拌剂和Sasobit比较

目前在工程上被广泛使用和普遍认可的沥青温拌剂是德国Sasol Wax公司开发生产的Sasobit。Sasobit对沥青三大指标影响的实验结果一并列于表4中。由表4实验1和实验10-13对比可以看出，Sasobit温拌沥青的针入度比基质沥青有明显提高，表明Sasobit温拌沥青比基质沥青更软，受压更容易发生变形，而5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑剂三元复合温拌沥青的针入度和基质沥青相当，说明温拌沥青的受压抗变形能力基本不变。从软化点看，Sasobit温拌沥青的软化点与基质沥青相当，而三元复合温拌沥青的软化点明显高于基质沥青，这表明三元复合温拌沥青的耐高温性能比基质沥青有了较大的提高。从延度来看，Sasobit温拌沥青延度略高于三元复合温拌沥青，但两者的延度都大于基质沥青，这表明两种温拌方案都可在一定程度上改善了沥青韧性，其中Sasobit表现更佳。

Sasobit和5%硬脂酰胺+0.5%硬脂酸+0.6%增塑剂三元复合温拌沥青的粘温曲线如图2所示。由图2可见，Sasobit温拌沥青70～80℃粘度都要低于基质沥青。显然，从沥青低温粘度的满足度来看，Sasobit不如三元复合温拌剂。从高温粘度变化来看，在同等温度下，三元复合温拌沥青的粘度要比Sasobit温拌沥青低很多，即三元复合温拌剂的高温降粘效果要明显优于Sasobit。

对两种温拌沥青105～165℃高温段粘温曲线进行回归拟合，结果见表6。Sasobit温拌降温为3.8～5.9℃，而三元复合温拌降温为13.7～16.8℃，三元复合温拌降温幅度更大。

图2 三元复合温拌剂和Sasobit粘温曲线比较

表6 两种温拌剂粘温曲线回归拟合结果

3 结语

硬脂酰胺添加剂不但能够降低沥青高温粘度，而且可以提高沥青低温粘度。硬脂酰胺和硬脂酸二元复合，温拌沥青高温粘度降幅可进一步提高，但会导致沥青针入度降低，软化点提高，延度降低。硬脂酰胺-硬脂酸-增塑剂三元复合体系，不但可以保持温拌沥青低温高粘和高温低粘的特性，而且针入度、软化点、延度三大指标均比基质沥青有所改善。