環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物瀝青膠漿性能研究

邢明亮，王郭勇，夏慧蕓，李祖仲，崔宇，陳華鑫，溫鈺婷

(長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

我國屬于季節(jié)性冰凍地區(qū)的省份數(shù)量多達(dá)14個(gè)，占國土面積54%[1]。在冬季降雪季節(jié)，由于車輛輪胎附著系數(shù)降低和制動(dòng)距離延長，易失控而導(dǎo)致連續(xù)追尾、側(cè)翻等交通事故[2-4]。如何解決我國冬季道路積雪冰凍問題，降低冬季道路交通事故發(fā)生頻率，保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全成為交通主管部門工作的關(guān)鍵部分[5-8]。鹽化物自融雪瀝青路面技術(shù)的出現(xiàn)為道路抑冰抗滑技術(shù)開辟出新思路[9-11]。目前，國內(nèi)對融雪瀝青路面的研究主要集中在鹽化物的組成及制備工藝等方面，對瀝青膠漿的研究較少。本文研究自主研發(fā)的環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物對瀝青膠漿性能影響，為其推廣應(yīng)用提供有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

I-D SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1；石灰石礦粉，技術(shù)指標(biāo)見表2；環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物，自制，技術(shù)指標(biāo)見表3。

Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡；SYD-2801D型瀝青針入度試驗(yàn)儀；SYD-4508F型瀝青延伸度測量儀；NDJ-1F型布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；TE-BBR型彎曲梁流變儀。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物技術(shù)指標(biāo)

1.2 鹽化物瀝青膠漿制備

考慮融雪鹽化物與礦粉密度的差異、瀝青混合料的流動(dòng)性和路用性能，本文選用的鹽化物替代礦粉的方法為等體積替換法。在瀝青膠漿的制備、取樣和測試過程中一定要盡可能保證瀝青膠漿的均勻性，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。粉膠比采用規(guī)范推薦粉膠比范圍0.8～1.0的中值1∶1。

將礦粉和融雪鹽化物過0.075 mm篩，105 ℃烘干至恒重，再保溫1 h。將SBS改性瀝青加熱至(170±5)℃，按照比例稱取填料，分多次加入瀝青中，并用剪切機(jī)3 000 r/min進(jìn)行攪拌，直至混合均勻，時(shí)間30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 替代率對常規(guī)性能的影響

環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物微觀形貌見圖1。

圖1 環(huán)保型復(fù)合融雪鹽化物微觀形貌

由圖1可知，經(jīng)過球磨后，鹽化物材料呈不規(guī)則顆粒狀，具有一定的比表面積，顆粒界面模糊，表面覆蓋一層有機(jī)改性材料疏水劑，能夠起到良好的緩釋作用。

分別對鹽化物瀝青膠漿進(jìn)行了25 ℃針入度、5 ℃延度和25 ℃彈性恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

圖2 瀝青膠漿性能隨鹽化物替代率變化趨勢

由圖2可知，隨著鹽化物替代率的增大，瀝青膠漿的25 ℃針入度及5 ℃延度逐漸減小，25 ℃彈性恢復(fù)能力提升，并且在鹽化物替代率≥75%時(shí)，針入度、延度都出現(xiàn)了大幅度的變化，因此推薦鹽化物替代率不超過75%。針入度減小，說明瀝青膠漿稠度變大，抗剪切變形能力增強(qiáng)。5 ℃延度一定程度上反映了瀝青的低溫抗裂性能，鹽化物的加入使瀝青膠漿變硬變脆，降低其塑性變形能力。同時(shí)鹽化物的加入會(huì)增強(qiáng)瀝青膠漿的內(nèi)聚力，使其彈性恢復(fù)大大升高。

2.2 鹽化物瀝青膠漿粘溫特性

2.2.1 鹽化物替代率對膠漿粘度的影響 瀝青膠漿粘度過大，容易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象造成拌合困難、易離析、均勻性差和攤鋪碾壓困難等問題；瀝青膠漿粘度過小，使得瀝青混合料粘聚性降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，容易在運(yùn)輸和攤鋪過程中造成析漏現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路面壓實(shí)后的平整度較差，影響整體工程質(zhì)量。通過布氏粘度實(shí)驗(yàn)，測定不同溫度(135，150，165，180 ℃)下不同鹽化物替代率鹽化物瀝青膠漿的粘度，利用回歸曲線分析鹽化物替代率和溫度對瀝青膠漿粘溫性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 鹽化物瀝青膠漿布氏粘度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了更加直觀地分析鹽化物替代率與瀝青膠漿粘度之間的關(guān)系，用式(1)回歸各溫度下粘度隨鹽化物替代率的變化趨勢，結(jié)果見圖3和表5。

lgη=AC+B

(1)

式中η——粘度，Pa·s；

C——鹽化物替代率，%；

A，B——回歸系數(shù)，其中A越大，表明粘度對鹽化物替代率越敏感。

圖3 瀝青膠漿粘度隨鹽化物替代率變化趨勢

表5 不同溫度下瀝青膠漿粘度與鹽化物替代率回歸結(jié)果

由圖3可知，在相同溫度下，隨著融雪鹽化物替代率的增大，瀝青膠漿的粘度均呈上升趨勢。原因是自制融雪鹽化物的比表面積大于礦粉，導(dǎo)致融雪鹽化物和礦粉對瀝青的吸附強(qiáng)度有所差異，融雪鹽化物和礦粉分別對瀝青的物理、化學(xué)反應(yīng)作用也有所差異，礦粉對瀝青膠漿中自由瀝青的吸附強(qiáng)度比融雪鹽化物要弱。所以，隨著融雪鹽化物替代率的增加，融雪鹽化物吸附的自由瀝青的量也越來越多，結(jié)構(gòu)瀝青比例大大增加，使得鹽化物和礦粉之間相互作用增大，內(nèi)摩阻力和模量也均增大。因此，在同一溫度下，隨著自制融雪鹽化物替代率的增大，鹽化物瀝青膠漿粘度也隨之增大。

由表5可知，在各個(gè)溫度下，瀝青膠漿的粘度和融雪鹽化物替代率之間都存在著很好的相關(guān)性，并且隨著溫度升高，其回歸直線斜率和相關(guān)性都不斷增大?；貧w系數(shù)的增大表示瀝青膠漿粘度對融雪鹽化物替代率的敏感性增大。這表明溫度越高，瀝青膠漿粘度對融雪鹽化物替代率的敏感性越大。這是由于改性瀝青中改性劑的作用會(huì)隨著溫度的升高而逐漸被削弱，使改性瀝青流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，更容易被融雪鹽化物表面吸附，因此隨著鹽化物替代率增加，其粘度變大。所以隨著溫度升高，瀝青膠漿粘度對鹽化物替代率的敏感性增大。

2.2.2 鹽化物瀝青膠漿的溫度敏感性 瀝青的溫度敏感性可以表示為粘度對瀝青溫度變化的敏感程度，性能卓越的瀝青在高溫時(shí)依舊能保持粘稠的狀態(tài)，抵抗由于荷載作用而產(chǎn)生的變形的能力較好。同時(shí)，在瀝青低溫時(shí)，又擁有足夠好的柔軟性，抵抗瀝青路面的開裂變形。鹽化物瀝青膠漿粘度隨溫度的變化見圖4。

圖4 溫度對鹽化物瀝青膠漿粘度的影響

由圖4可知，各替代率下，鹽化物瀝青膠漿的粘度均隨著溫度升高而變小，但減小速率有所不同。135～150 ℃時(shí)，各替代率下的鹽化物瀝青膠漿的粘度隨著溫度的升高而減小速率很快；150～180 ℃時(shí)，瀝青逐漸向牛頓流體轉(zhuǎn)變，所以各替代率下的鹽化物瀝青膠漿粘度隨著溫度的升高而減小速率逐漸變緩。

根據(jù)Saal試驗(yàn)式(2)以不同鹽化物替代率下瀝青膠漿的粘度與溫度為參數(shù)，計(jì)算瀝青膠漿的粘溫指數(shù)VTS，結(jié)果見表6。

(2)

式中η1、η2——不同溫度T1、T2(℃)時(shí)的粘度，Pa·s。

表6 不同溫度下融雪瀝青膠漿的粘溫指數(shù)

圖5 鹽化物瀝青膠漿粘溫指數(shù)隨鹽化物替代率的變化曲線

2.3 鹽化物瀝青膠漿的低溫性能

瀝青膠漿低溫性能對路面低溫開裂的貢獻(xiàn)率高達(dá)90%。而鹽化物的摻入勢必對瀝青膠漿的低溫性能造成影響。本文采用低溫彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)來研究融雪鹽化物在不同實(shí)驗(yàn)溫度(-6，-12，-18，-24 ℃)、不同替代率下瀝青膠漿的低溫性能，以蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)值評價(jià)瀝青膠漿低溫性能，結(jié)果見圖6。

圖6 鹽化物瀝青膠漿的蠕變勁度(S)與蠕變速率(m)

由圖6可知，隨著溫度降低，各替代率下鹽化物瀝青膠漿蠕變勁度(S)增大，蠕變速率(m)減小。這是因?yàn)?，隨著溫度降低，鹽化物瀝青膠漿逐漸變硬變脆。瀝青分子鏈幾乎被凍結(jié)，此時(shí)的瀝青呈現(xiàn)玻璃態(tài)，在這種玻璃態(tài)情況下，瀝青分子鏈不能迅速地被重新移動(dòng)或者取向，導(dǎo)致低溫下流變性能變差。

由圖7可知，保持溫度不變，鹽化物替代率<75% 時(shí)，瀝青膠漿蠕變勁度(S)隨鹽化物替代率變化緩慢增長，蠕變速率(m)隨鹽化物替代率變化逐漸降低。當(dāng)鹽化物替代率>75%時(shí)，瀝青膠漿的低溫性能迅速衰減。因此，推薦鹽化物替代率不超過75%，避免鹽化物摻入過多使瀝青低溫性能出現(xiàn)明顯劣化。

圖7 -12 ℃瀝青膠漿蠕變勁度(S)與蠕變速率(m)隨鹽化物替代率變化曲線

3 結(jié)論

(1)鹽化物的加入會(huì)使瀝青膠漿變硬變脆，稠度增大，同時(shí)也能增強(qiáng)瀝青膠漿的抗剪切變形能力及內(nèi)聚力，為防止瀝青膠漿性能出現(xiàn)大幅度變化，鹽化物替代率不宜大于75%。

(2)考慮到瀝青膠漿對鹽化物替代量的敏感性及鹽化物瀝青膠漿的感溫性，推薦鹽化物替代量范圍為50%～75%。

(3)隨著溫度下降，瀝青膠漿性能逐漸劣化，當(dāng)替代率<75%時(shí)，鹽化物替代率對瀝青膠漿低溫性能影響不大。