基于配方設(shè)計(jì)的明色瀝青低溫力學(xué)特性

劉夕曦，徐鵬,2*

(1.長安大學(xué)，陜西 西安 710061；2.西安公路研究院)

明色瀝青是彩色瀝青的關(guān)鍵組成材料，近年來越來越多地被用于城市自行車道、景觀道路。明色瀝青多由樹脂、溶劑油及改性劑制成。由于樹脂摻量較大，低溫較脆，易開裂，對明色瀝青的低溫性能影響明顯。而現(xiàn)有規(guī)范采用延度指標(biāo)作為明色瀝青的低溫性能控制指標(biāo)，未能有效體現(xiàn)明色瀝青低溫條件下的應(yīng)力、應(yīng)變特性。通常明色瀝青測得的延度較大，但在實(shí)際應(yīng)用中路面冬季低溫條件下易開裂，如何通過調(diào)整原材料配比來控制明色瀝青的低溫性能成為目前關(guān)注的重點(diǎn)。測試瀝青低溫力學(xué)性能的方法如BBR、直接拉伸試驗(yàn)等，受設(shè)備價格等方面限制，難以在生產(chǎn)和施工企業(yè)中大量應(yīng)用。目前廠家及施工企業(yè)基本上都具備測力延度設(shè)備，其能反映瀝青低溫下的應(yīng)力、應(yīng)變特性，但未見用于明色瀝青的相關(guān)研究成果。因此，該文通過測力延度試驗(yàn)，結(jié)合明色瀝青的配方組成，評價瀝青在低溫下的應(yīng)力應(yīng)變特性，希望能為明色瀝青的制備和應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 制備工藝及評價方法

1.1 制備工藝

稱取一定質(zhì)量的溶劑油，加熱到指定溫度；按比例加入石油樹脂繼續(xù)攪拌加熱至熔融狀態(tài)；待兩者混合均勻后，加入增韌改性劑熔脹，逐漸升高溫度至剪切溫度；高速剪切分散均勻后，攪拌發(fā)育；制備得到明色瀝青。

1.2 評價方法

(1)瀝青常規(guī)性能指標(biāo)試驗(yàn)

瀝青常規(guī)性能指標(biāo)試驗(yàn)，主要包括針入度、針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)、10 ℃延度、135 ℃運(yùn)動黏度等，試驗(yàn)試件制備及測試按有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

(2)測力延度

測力延度試驗(yàn)試模采用8字模，溫度為10 ℃，拉伸速率為50 mm/min，試驗(yàn)試件制備及測試按有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

(3)顯微鏡測試

由于明色瀝青具有較好的透光性能，在顯微鏡普通的燈光下放大倍數(shù)為400倍，即可觀察改性劑在瀝青中的分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂用量對明色瀝青力學(xué)特性影響分析

采用內(nèi)摻法，變換樹脂在溶劑油中的用量，并外摻6%的改性劑，制備明色瀝青?；跍y力延度試驗(yàn)，結(jié)合瀝青常規(guī)指標(biāo)，分析樹脂用量變化對明色瀝青的力學(xué)特性指標(biāo)影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1、2及圖1。

表1 不同樹脂用量下10 ℃測力延度試驗(yàn)結(jié)果

表2 樹脂用量變化對瀝青性能影響結(jié)果

圖1 不同樹脂用量下10 ℃測力延度曲線

由表1、圖1可知：隨著樹脂用量增加，最大拉應(yīng)力Fmax逐漸增大，當(dāng)用量為60%時，相比40%用量時增大5 325%，當(dāng)用量為60%及以上時，拉應(yīng)力未達(dá)到最大值時即發(fā)生斷裂；瀝青延度Lmax、拉伸柔量f隨樹脂用量增加先增加后降低，用量為70%時，f為0；屈服應(yīng)變能E隨樹脂用量增加先增加后降低，用量為70%時相比40%增加7 495%，瀝青拉伸需要更多的能量；基質(zhì)瀝青勁度模量Sa隨樹脂用量增加而逐漸增大，當(dāng)樹脂用量超過60%時，基質(zhì)瀝青勁度模量Sa迅速增加，相比40%增加7 284.62%；黏韌性面積W隨樹脂用量增加而先增大后減小，在50%樹脂用量時達(dá)到最大值，相比40%時增加580.22%；在50%樹脂用量時韌性比RT/V最??；繼續(xù)增加樹脂用量，已無韌性。

由表2可知：隨著樹脂用量的增加，明色瀝青的針入度明顯降低，最大降低到初始值的5%左右；運(yùn)動黏度增大，相比40%時，最大提高115%；當(dāng)量脆點(diǎn)溫度升高，低溫脆性增加；當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、軟化點(diǎn)及黏度等高溫性能指標(biāo)均逐漸提高，溫度敏感性增大，最大達(dá)到初始值的703.95%。

由此可得：明色瀝青的性能受樹脂添加量的影響明顯。溶劑油為芳烴低聚物，常溫下為液態(tài)，流動性較好；而樹脂常溫下為固態(tài)，是芳烴和烯烴混合的低聚物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高。兩者具有較好的相容性。隨著樹脂摻量的增加，共混體系中剛性鏈增多，黏度增大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高，軟化點(diǎn)增加，反映到瀝青10 ℃測力延度指標(biāo)上，表現(xiàn)出勁度增大、柔性降低的趨勢。當(dāng)樹脂用量增加到50%左右時，具有最佳的黏韌性；繼續(xù)增加樹脂用量，體系中以樹脂的剛性分子鏈為主，內(nèi)聚力迅速提高，當(dāng)樹脂剛性分子鏈的內(nèi)聚力超過改性劑中大分子鏈作用力時，在拉力作用下，共混體系直接斷裂，表現(xiàn)出明顯的脆性。

2.2 改性劑用量變化對明色瀝青力學(xué)特性指標(biāo)影響分析

選擇在最佳樹脂用量條件下，基于測力延度試驗(yàn)，結(jié)合常規(guī)性能指標(biāo)，分析改性劑用量變化對明色瀝青的力學(xué)性能影響，結(jié)果見表3、4及圖2。

由表3、圖2可知：隨改性劑的加入，改善了樹脂及溶劑油共混物的低溫延展性能及柔性，最大拉應(yīng)力Fmax略有降低，延度值Lmax及拉伸柔量f明顯提高，相比未加改性劑，分別最大提高614.29%及687.23%；基質(zhì)瀝青勁度模量Sa明顯降低，降幅接近40%；黏韌性明顯改善，黏韌性面積最大為未加改性劑的1 430.60%；而隨著改性劑用量的增加，延度值Lmax保持不變，但超過6%改性劑后，繼續(xù)增加改性劑用量，測力延度各項(xiàng)指標(biāo)提高幅度不大。

表3 不同改性劑用量下10℃測力延度試驗(yàn)結(jié)果

表4 改性劑用量變化對瀝青性能影響結(jié)果

圖2 不同改性劑用量下10 ℃測力延度曲線

由表4可知：隨著改性劑用量增加，明色瀝青硬度有所提高，針入度降低，最大降到未加改性劑的50%左右，軟化點(diǎn)迅速升高，相比未加改性劑時，增加41.89%；黏度增大1 370.58%，高溫性能變優(yōu)；當(dāng)改性劑用量為6%時，瀝青的針入度指數(shù)PI接近零，塑性范圍增大，感溫性改善，當(dāng)量脆點(diǎn)溫度最低，綜合高低溫性能最優(yōu)。

由此可得：改性劑大分子鏈低溫下具有較好的韌性及延展性能，加入共混體系后，在共混物中起到了主導(dǎo)作用，改善了共混體系的柔性，使共混體系的延度明顯提高，黏韌性能增強(qiáng)，黏彈性比明顯降低。改性劑為6%用量條件下達(dá)到最佳，繼續(xù)增加改性劑用量，受改性劑自身的力學(xué)特性影響，對明色瀝青共混體系的性能改善不明顯。

為進(jìn)一步分析改性劑對明色瀝青的改善機(jī)理，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，采用顯微鏡分析改性劑、樹脂及溶劑油多相體系混合狀態(tài)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同改性劑用量下共混物的顯微鏡照片

由圖3可知：在400倍顯微鏡下未添加改性劑的樹脂及溶劑油共混物分布均勻。改性劑為高聚物，加入3%改性劑后，在溶脹、剪切作用下，在樹脂及溶劑油的共混體系中成纖維狀均勻分散、交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到了加筋的作用。而且隨著改性劑用量的提高，網(wǎng)狀分布更加明顯和清晰。

2.3 低溫測力延度指標(biāo)與常規(guī)低溫性能指標(biāo)關(guān)系分析

為進(jìn)一步分析明色瀝青材料組成特性以及其對明色瀝青低溫性能的影響，對樹脂用量及改性劑用量改變后，瀝青測力延度指標(biāo)和瀝青常規(guī)指標(biāo)的變化率見表5。

表5 材料用量改變明色瀝青常規(guī)指標(biāo)變化率 %

由表5可知：在給定用量范圍內(nèi)，樹脂摻量較大，對明色瀝青的性能影響程度相比改性劑大。樹脂用量增加直接提高了明色瀝青的硬度，降低了針入度，增大了明色瀝青拉應(yīng)力以及勁度，導(dǎo)致明色瀝青延度降低，低溫性能變差；改性劑的加入改善了樹脂及溶劑油共混物的低溫延展性能及柔性，雖然明色瀝青的針入度有所降低，但改善了黏韌性，使延度值及拉伸柔量等指標(biāo)改善明顯，基質(zhì)瀝青勁度模量Sa明顯降低。測力延度指標(biāo)相比常規(guī)性能指標(biāo)，更能直觀地體現(xiàn)明色瀝青在低溫變形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特性。傳統(tǒng)的延度指標(biāo)反映了明色瀝青變形能力，但在同樣的延度下，瀝青的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化差異較大。因此，測力延度相比傳統(tǒng)的以延度評價瀝青低溫性能的方法更具優(yōu)勢。如能通過測力延度的相關(guān)指標(biāo)有效控制明色瀝青配方的原材料用量，對改善明色瀝青的低溫性能具有一定指導(dǎo)意義。

樹脂用量范圍為40%～50%，聚烯烴改性劑用量范圍為3%～6%，路用性能良好，符合CA50～CA90彩色瀝青結(jié)合料相關(guān)技術(shù)要求。

3 結(jié)論

(1)樹脂的加入增加了明色瀝青的黏度和勁度。樹脂用量由40%增加到60%時，最大拉應(yīng)力Fmax增大5 325%，基質(zhì)瀝青勁度模量增大7 284.62%，在50%樹脂用量時彈性比RT/V最小，繼續(xù)增加樹脂用量，韌性值為零。

(2)改性劑的加入改善了樹脂及溶劑油共混物的低溫延展性能及柔性。相比未加改性劑，最大拉應(yīng)力Fmax略有降低，延度值Lmax及拉伸柔量f明顯提高，分別最大提高614.29%及687.23%；基質(zhì)瀝青勁度模量Sa明顯降低，降幅接近40%；黏韌性明顯改善，黏韌性面積最大為未加改性劑的1 430.60%；而隨著改性劑用量的增加，延度值Lmax保持不變，但超過6%后，繼續(xù)增加改性劑用量，測力延度各項(xiàng)指標(biāo)提高幅度不大。

(3)樹脂用量范圍為40%～50%，聚烯烴改性劑用量范圍為3%～6%，明色瀝青路用性能良好，符合CA50～CA90彩色瀝青結(jié)合料相關(guān)技術(shù)要求。

(4)測力延度的相關(guān)指標(biāo)更能直觀地體現(xiàn)明色瀝青在低溫變形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特性，相比傳統(tǒng)的以延度評價瀝青低溫性能的方法更具優(yōu)勢。