应用化工投稿论文格式参考:高寒地区温拌高黏改性沥青制备与性能研究

关键词：温拌沥青;高黏沥青;温拌剂;路用性能

作者：秦雯;杨稼诏;马峰;杨宇峰

作者单位：长安大学;

　　摘　 要：高寒地区普通沥青路面更易开裂，并且在沥青路面施工时存在温度易散失，施工质量波动大的问题。 高黏 沥青有助于改善路面的低温抗裂性能，但对施工温度要求高。 将温拌技术应用于高黏沥青路面中，可降低施工温 度，一定程度减少环境温度的不利影响。 借助响应曲面法进行高黏沥青的复配和温拌高黏改性沥青的制备，分析 评价了温拌剂对沥青性能的影响和温拌效果，并借助傅里叶红外光谱试验解析了温拌剂的作用机理。 结果表明， ①基于响应曲面法优选复配的高黏沥青高低温和抗疲劳性能优异。 ②相比于 Ｌ 型（ＬＫＷ）温拌剂，Ｓ 型（ ＳＭＣ）温拌 剂可以显著降低软化点、动力黏度和布氏黏度，提升针入度和延度，对高黏改性沥青的降黏效果更好。 

　　《“十四五”推进西部陆海新通道高质量建设实 施方案》共建高质量西部海路新通道，西部地区新 建高速公路里程逐年增加。 四川省阿坝县海拔 ３ ３００ ｍ 以上，常年低温，昼夜温差大，对沥青低温 性能具有更高要求。 研究表明，使用高黏沥青可以 有效提高沥青路面的低温抗开裂性［１］ 。 但高黏沥 青对温度变化极其敏感，在常年低温风速较大的高 海拔地区，沥青混合料常由于运输距离、保温措施 等原因而现场施工温度过低，因而导致压实度不 够，受温度影响质量波动较大，影响路面的路用性 能。 温拌技术（ＷＭＡ） 可以降低施工温度［７］ ，进而 可能减少当地环境对沥青路面施工质量的影响。 但现有温拌技术研究多用于苯乙烯⁃丁二烯橡胶 （ＳＢＲ）等常用改性沥青。 为此，本文针对温拌高黏 改性沥青技术，基于响应曲面法复配了性能良好的 高黏沥青，试验研究了两种温拌剂对高黏沥青性能 的影响，以布氏黏度为评价指标评，结合傅里叶红 外光谱试验探寻两种温拌剂的作用机理。

　　１　 高黏沥青复配设计

　　１． １　 原材料

　　１． １． １　 沥青　 采用 ７０＃基质沥青，指标见表 １。

　　１． １． ２　 弹性体材料　 选用弹性体 Ａ、弹性体 Ｂ 及 Ｃ５ 树脂，技术指标见表 ２、表 ３。

　　１． １． ３　 相容剂　 适量的相容剂可以提高沥青相容 性，减少离析，改善高黏沥青储存稳定性。 采用 ２５ 号 糠醛油，常温下为墨绿色浓稠液体，技术指标见表 ４。

　　１． １． ４　 稳定剂　 选用硫磺作为稳定剂，起到一定的 润滑作用且有益于提高高黏沥青各项性能［８］ ，如软 化点、延度及黏度等，常温下呈淡黄色粉末状。

　　１． ２　 高黏沥青复配设计

　　１． ２． １　 试验设计　 采用响应曲面法中 Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ Ｄｅｓｉｇｎ（ＢＢＤ）法设计高黏改性沥青配比，该方法可 以在较少的试验次数下预测最优试验条件［９］ 。

　　试验设计时，稳定剂硫磺的掺量为 ０． ５％ ，其他 材料掺量范围及各因子水平见表 ５。

　　通过 Ｄｅｓｉｇｎ ｅｘｐｅｒｔ 软件（下简称 ＤＥ）中 ＢＢＤ 设 计方法按照 ４ 因素 ３ 水平试验组合方案确定了 ２９ 组配方制备高黏沥青，工艺见图 １。

　　为优选出可以满足寒区道路性能要求的最佳 配方，考虑沥青低温性能、抗车辙、耐疲劳及施工性 能选取输出响应指标，具体包括：评价沥青高温性 能与抗疲劳性能的车辙因子（Ｇ ∗ ／ ｓｉｎδ）与疲劳因子 （Ｇ ∗·ｓｉｎδ）、反映沥青低温抗变形能力的蠕变速率 （ｍ）、评估沥青低温抗裂性能的沥青延度和反映沥 青黏度的指标布氏黏度，其中布氏黏度参考 ＤＢ５１ ／ Ｔ ２６０１—２０１９《公路排水沥青路面设计及施工技术 指南》 ［１０］选用 １７０ ℃布氏黏度。

　　１． ２． ２　 试验结果　 根据试验数据建立响应值与影 响因子间的响应回归模型，并进行显著性分析。 以 布氏黏度指标为例，试验结果见表 ６，回归模型如公 式（１）所示。

　　ｙ ＝ ３． ３ ＋ ２． ５７Ａ － ０． ２Ｂ ＋ １． １９Ｃ － ０． ２１Ｄ － ０． ３５ＡＢ ＋ ０． ７８ＡＣ － ０． ２６ＡＤ － ０． ０３６ＢＣ － ０． ３２ＢＤ － ０． １３ＣＤ ＋ １． ０４Ａ ２ ＋ ０． ５７Ｂ ２ ＋ ０． ３４Ｃ ２ ＋ ０． ２４Ｄ ２ （１）

　　采用置信度 ９５％ 的 Ｆ 检验进行显著性分析，结 果见表 ７ 及表 ８。

　　由表 ７ 可知，因子 Ａ 和 Ｃ（分别为弹性体 Ａ 和弹 性体 Ｂ） 决定系数显著大于因子 Ｂ 和 Ｄ，证明 Ａ、Ｃ 因素为影响布氏黏度的主要因素，Ｂ、Ｄ 因素（分别 是 Ｃ５ 树脂和相容剂）对沥青布氏黏度影响均较小， 且影响程度弹性体 Ｂ ＜ 弹性体 Ａ。 二次项 Ａ ２ 、Ｂ ２ 及 交互项 ＡＣ 显著大于同类二次项及交互项，证明因 素间的交互作用对沥青黏度有一定影响。 模型预测结果与实测结果见图 ２。

　　由图 ２ 可知，预测值与实测值偏差较小，预测结 果可靠程度较高。

　　１． ３　 高黏沥青配方优选

　　各响应指标的期望值及重要程度见表 ９。

　　根据上述条件，经响应曲面法进行优化后得到 配比方案及响应指标预测值见表 １０ 和表 １１。

　　根据优选方案制备高黏沥青，通过对比预测值 与实测值验证预测结果精确性，见表 １２。

　　由表 １２ 可知，实测值相对预测值偏小，偏差均 在 １０％ 之内，低温性能指标的偏差仅 ５％ 左右，表明 响应曲面法预测精准度良好。

　　选用 ２ 种成品高黏剂制成的 ＨＶＡ１ 高黏沥青和 ＨＶＡ２ 高黏沥青与复配高黏沥青（ＧＮ）进行多种性 能比对试验，验证复配的重要性，结果见图 ３。

　　由图 ３ 可知，响应曲面法复配所得 ＧＮ 沥青的 车辙因子和软化点略有不足，延度、蠕变速率和动 力黏度显著优于另外两种沥青，证明此次复配工作 效果良好。

　　对制得的高黏沥青进行性能测试，结果见表 １３。

　　２　 温拌高黏沥青制备与性能

　　２． １　 温拌高黏沥青的制备

　　２． １． １　 温拌剂　 常用温拌剂包括有机降黏剂［１１］ 、 化学添加剂类［１３］ 、沥青发泡型［１４］ 和其他类［１６］ ，根 据温拌剂种类和掺量的不同，降温幅度及性能略有 差异［１７］ ，且可以有效降低施工能耗，减少施工污染 物排放［２０］ 。 研究选用降黏类温拌剂 ＳＭＣ、化学添加 剂类 ＬＫＷ 两种类型温拌剂进行试验。 ＳＭＣ（后文称 Ｓ 型温拌剂），主要成分是甲基苯乙烯类嵌段共聚 物，即芳烃油，降黏效果优异［２１］ ，常温下为淡黄色液 体；温拌剂 ＬＫＷ（后称 Ｌ 型温拌剂） ［２２］ ，常温下为黑 色液体状。

　　２． １． ２　 温拌高黏沥青制备　 将优化配比后的高黏 沥青于 １７５ ℃烘箱加热，每份沥青 ３５０ ｇ，取多份保 温备用。 分别向高黏沥青中加不同质量分数的 Ｓ 型 及 Ｌ 型温拌剂，恒温搅拌 １０ ｍｉｎ，保温 ３ ｍｉｎ，制得温 拌高黏沥青。

　　按温拌剂类型与掺量不同对制得沥青编号为 ＳＧＮ 和 ＬＧＮ，数字代表掺量，试样编号见表 １４。

　　２． ２　 温拌高黏沥青性能

　　２． ２． １　 动力黏度　 动力黏度可以表征沥青路面抗 水损坏、抗飞散性及耐久度。 选用真空减压毛细管测 试，测试温度（６０ ±０． １） ℃，负压４０ ｋＰａ ±６６． ５ Ｐａ，结 果见图 ４。

　　由图 ４ 可知，掺 Ｓ 型温拌剂的高黏沥青动力黏 度随掺量增加逐渐降低。 掺量 ６％ 时，高黏沥青动 力黏度恰好满足规范要求，表明 Ｓ 型温拌剂掺量不 应大于 ６％ 。

　　高黏沥青掺 Ｌ 型温拌剂后，动力黏度未有显著 变化，表明 Ｌ 型温拌剂对沥青动力黏度影响较小。

　　２． ２． ２　 沥青技术指标　 对所用沥青进行针入度、软 化点，延度试验，测试方法参照 ＪＴＧ Ｅ２０—２０１１《公 路工程沥青及沥青混合料试验规程》，结果见图 ５ ～ 图 ７。

　　由图 ５ 可知，针入度随 Ｓ 温拌剂掺量变化较大， 表明其对高黏沥青针入度影响显著。 针入度随Ｌ 温 拌剂掺量变化较小，表明其对高黏沥青的针入度影 响微弱。

　　由图 ６ 可知，掺 Ｌ 温拌剂的高黏沥青软化点变 化不大，而掺 Ｓ 温拌剂的高黏沥青软化点显著降低， 表明 Ｓ 温拌剂对高黏沥青软化点具有不利影响。

　　由图 ７ 可知，相比原样沥青，高黏沥青延度随 Ｓ 型温拌剂掺量增加显著增加，表明 Ｓ 型温拌剂可 以显著提高高黏沥青低温抗裂性能及抗塑性变形 能力。 高黏沥青加入 Ｌ 型温拌剂后延度略有变化， 即 Ｌ 温拌剂对高黏沥青延度影响甚微。

　　３　 温拌剂效果评价及机理

　　３． １　 温拌剂降黏效果

　　因布氏黏度试验具有试验便捷、结果易得等优 点，本文选用布氏黏度评价温拌剂的降黏效果，结 果见图 ８ 和图 ９。

　　由图 ８ 可知，高黏沥青黏度随 Ｓ 型温拌剂掺量 增大降幅明显，表明 Ｓ 型温拌剂具有良好的降黏 效果。

　　由图 ９ 可知，高黏沥青黏度随 Ｌ 型温拌剂掺量 增大降幅较小，且 ３ 个温度下，降黏幅度均小于 １ Ｐａ·ｓ，表明 Ｌ 型温拌剂对黏度影响较小。

　　３． ２　 温拌高黏沥青降黏机理分析

　　红外光谱分析（ＦＴＩＲ）可以判别物质化学组成 及官能团。 采用透射法分析添加 Ｓ、Ｌ 型温拌剂后 高黏沥青的官能团变化，选取衰减反射法分析沥青 试样，结果见图 １０ 和图 １１。

　　由图 １０ 可知， Ｓ 型高黏沥青峰由原样沥青 （ＯＡ）的吸收峰及温拌剂 ＳＭＣ 的吸收峰重叠而成， 其中并未产生新特征峰，证明 Ｓ 温拌剂与高黏沥青 无化学反应产生。 在 Ｓ 温拌剂红外光谱上的官能团 区域内有较多特征吸收峰，从峰值特征判定 Ｓ 型温 拌剂存在甲基苯乙烯取代物［２３］ 。 ９６６ ｃｍ － １ 处存在 Ｃ—Ｎ 伸缩振动吸收峰。 证明 Ｓ 温拌剂成分里有含 仲酰胺基的季铵盐。 由此推测，Ｓ 型温拌剂主要由 含仲酰胺基的季铵盐和甲基苯乙烯取代物聚合形成，其主要通过疏油酰胺基团（ＲＣＯＮＨ２ ）、非极性亲 油疏水苯基（—Ｃ６Ｈ４—）、亲油烃链（—Ｃ３Ｈ５—） 降 低沥青分子表面张力［２４］ ，有效降低拌和温度，达到 温拌效果。

　　由图 １１ 可知，Ｌ 型温拌沥青吸收峰主要由原样 沥青吸收峰与温拌剂吸收峰叠加，无新特征峰生 成，表明 Ｌ 型温拌剂未与沥青发生化学反应。 　 　 根据 Ｌ 型温拌剂光谱，从峰值特征判定 Ｌ 温拌 剂主要由烯烃和醇类合成的聚氧乙烯类非离子表 面活性剂组成，Ｌ 型温拌剂可能是以多元醇类非离 子表面活性剂成分为主，并掺有少量阳离子表面活 性剂成分组合而成。 作用机理为：在分子中的氧原 子与乳液中的水分子之间形成氢键，得到在分子间 起润滑性的结构性水膜，减小了混合料拌合施工时 的阻力以达到温拌效果。

　　４　 结论

　　（１）使用 ＤＥ 软件设计得到最优掺量的高黏沥 青：弹性体 Ａ ６． １１２％ ，Ｃ５ 树脂 ４． ０４０％ ，弹性体 Ｂ ４． ３９７％ ，相容剂 ３． ３６８％ ，稳定剂 ０． ５％ ，实验表明 沥青低温性能的预测值与实测值偏差仅 ５％ 左右， 证明响应曲面法在配比高黏沥青组分上效果良好。

　　（２）试验证明沥青流变性能对 Ｓ 型（ＳＭＣ）温拌 剂更敏感，且 Ｓ 型温拌剂对高黏沥青各性能均有较 大影响，为满足 ６０ ℃ 动力黏度规范要求，其掺量不 应大于 ６％ 。 而 Ｌ 型（ＬＫＷ）温拌剂对沥青各性能影 响程度均较低。

　　（３）由温拌沥青黏温曲线可知，随 Ｓ 型温拌剂 掺量增大，降温幅度提高，表明 Ｓ 型温拌剂降黏效果 良好；随 Ｌ 型温拌剂掺量增大，高黏沥青布氏黏度降 低效果极小，即 Ｌ 型温拌剂对沥青性能影响非常小。 Ｓ 型温拌剂对高黏改性沥青具有更好的降黏效果。

　　（４）温拌沥青红外光谱试验表明，Ｓ 型温拌剂及 Ｌ 型温拌剂均通过物理共混实现沥青改性。 Ｓ 型温 拌剂借助其中含仲酰胺基的季铵盐成分降低沥青 分子表面自由能，从而达到降黏效果；Ｌ 型温拌剂通 过多种表面活性剂成分在分子表面形成结构型水 膜，从而达到降黏效果。