康金玲，王黎明，孫思達(dá)

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

用彩色瀝青混合料鋪筑的路面顏色艷麗，可以起到美化路容和引導(dǎo)交通的作用，隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，已經(jīng)逐漸成為一種受到重視的鋪面材料。性能類(lèi)似瀝青的淺色膠結(jié)料是制備彩色瀝青路面的基礎(chǔ)，俗稱(chēng)明色瀝青，現(xiàn)階段的制備方法有兩種: 瀝青脫色法和淺色有機(jī)化工產(chǎn)品調(diào)配法，其中后者的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、性能易于調(diào)節(jié)且成本較低，目前已經(jīng)成為制備技術(shù)的主流[1-5]。

自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者進(jìn)行了淺色有機(jī)化工產(chǎn)品調(diào)配淺色瀝青技術(shù)的研究，趙亮等[6]采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 復(fù)合改性C9 樹(shù)脂和高含量芳烴減壓餾分油獲得了淺色瀝青膠結(jié)料，對(duì)比考察了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品和70 號(hào)基質(zhì)瀝青組成和流變性能。劉開(kāi)文等[7]采用芳烴油、萜烯樹(shù)脂、鄰苯二甲酸丁二酯(DBP) 等原材料制備出噴涂速凝彩色防水材料。詹成根等[8]使用乳化劑、膠乳改性劑、70 號(hào)明色瀝青，制備了明色改性乳化瀝青。汪建平等[9]改變剪切速率、剪切溫度、剪切時(shí)間制備彩色高黏瀝青，并確定其最佳施工溫度。Afroditi Synnefa 等[10]對(duì)5 種彩色薄層瀝青樣品與常規(guī)黑色瀝青樣品相比較，證明彩色薄層瀝青有助于減輕熱島效應(yīng)。隨著研究和國(guó)內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，調(diào)配法或物理共混法制備淺色膠結(jié)料逐漸取得較為統(tǒng)一的技術(shù)認(rèn)識(shí)，即參考瀝青的化學(xué)組成關(guān)系，以芳烴油(芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)70% ～87%的減壓餾分油) 和樹(shù)脂(松香和萜烯樹(shù)脂等天然樹(shù)脂，C9 石油樹(shù)脂或古馬隆樹(shù)脂等合成樹(shù)脂) 為基礎(chǔ)，混溶淺色彈性高聚物(如EVA，SBR，SBS 等) 形成穩(wěn)定膠體。以高、中、低溫黏度作為關(guān)鍵控制指標(biāo)，確定各種比例的調(diào)配水平[11-17]。為滿(mǎn)足基礎(chǔ)路用性能，我國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1128—2017 彩色瀝青結(jié)合料中所規(guī)定的淺色膠結(jié)料的技術(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)與本行業(yè)中對(duì)瀝青的相關(guān)規(guī)定基本相同。但是，由于作為制備淺色膠結(jié)料的上游化工產(chǎn)品，芳烴油、樹(shù)脂、高分子聚合物等原材料的品質(zhì)和性質(zhì)受生產(chǎn)工藝和成本的影響較大，迄今為止，行業(yè)內(nèi)并未形成如何依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)配淺色膠結(jié)料的統(tǒng)一方法。

本文采用芳烴油，C9 石油樹(shù)脂，EVA，SBR 四種常用調(diào)配原材料，研究了基于正交試驗(yàn)確定最佳調(diào)配比例的方法，明確了材料比例對(duì)調(diào)配性能的影響規(guī)律，并引入DSR 和BBR 試驗(yàn)用以驗(yàn)證調(diào)配出的淺色膠結(jié)料的路用性能。本文的調(diào)配和驗(yàn)證方法可以為其他基于類(lèi)似組成材料調(diào)配彩色路面用淺色膠結(jié)料提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2．1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)采用的原材料為芳烴油、C9 石油樹(shù)脂以及丁苯橡膠(SBR) 和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) 。原材料性質(zhì)如表1 所示。

表1 原材料基本性質(zhì)

2．2 制備工藝

按比例量取C9 石油樹(shù)脂，芳烴油，丁苯橡膠(SBR)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) ，樹(shù)脂黏度較高，為使溶液充分溶解，先將芳烴油加熱至160 ℃后將EVA 和SBR分次加入反應(yīng)容器中攪拌溶解，然后將C9 石油樹(shù)脂加入反應(yīng)容器中，參考文獻(xiàn)[6]中制備淺色膠結(jié)料的方法，采用高速剪切，溫度控制在160 ℃，時(shí)間為60 min，使各成分充分融合后160 ℃保溫1 h，待溶液冷卻后即制得淺色瀝青。

3 淺色膠結(jié)料的調(diào)配規(guī)律

3．1 試驗(yàn)與結(jié)果

本研究調(diào)配法制備淺色瀝青的原材料有4 種，按照有機(jī)化學(xué)相似相溶的原理及前人研究經(jīng)驗(yàn)[18]，4 種成分可較好地物理混溶，但不會(huì)發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)。4 種成分對(duì)調(diào)配結(jié)果的影響或調(diào)配規(guī)律可以通過(guò)全面交叉試驗(yàn)得到，當(dāng)考慮各成分的不同變化水平時(shí)，其試驗(yàn)工作量巨大。鑒于各種成分物理混溶而無(wú)化學(xué)反應(yīng)的特征，各成分可看作是對(duì)調(diào)配結(jié)果的獨(dú)立因素，本文設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)以縮減試驗(yàn)工作量，并基于正交試驗(yàn)結(jié)果分析各因素的調(diào)配結(jié)果(產(chǎn)品性能) 的影響規(guī)律和最佳調(diào)配比例。

在4 種成分中，芳烴油和C9 石油樹(shù)脂在化學(xué)特性方面接近，二者混溶比例的最直接影響結(jié)果是改變混溶物的黏度，因此取油脂比(芳烴油與C9 石油樹(shù)脂的質(zhì)量比) 作為獨(dú)立因素，取EVA 摻量和SBR 摻量分別為另外兩個(gè)獨(dú)立影響因素，分別命名為A，B，C?；贚9(33) 正交表設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，三因素的變化水平分別安排為A(1．25∶1，1．5∶1，1．75∶1) ，B(2．0%，4．0%，6．0%) ，C(0%，2．0%，4%) ，其中B，C 的比例為占油+脂(100) 的外摻質(zhì)量。

按試驗(yàn)設(shè)計(jì)和2．2 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)制備工藝制備9 組試件，按我國(guó)規(guī)程JT/T 1128 和CJJT 218 選定25 ℃針入度、10 ℃延度及軟化點(diǎn)作為調(diào)配結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)安排和各組試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

3．2 調(diào)配規(guī)律分析

通過(guò)正交試驗(yàn)可確定各因素對(duì)針入度、延度和軟化點(diǎn)的影響規(guī)律以及選定最優(yōu)方案。表2 給出了油脂比、EVA 摻量和SBR 摻量影響因素的直觀分析，其中Ki表示每一列(g) 每一同種水平(i) 所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值(i=1，2，3) ，R為每一列中的極差。

表2 L9(33)正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

由表2 極差分析結(jié)果可知，影響針入度的主次因素為:油脂比>EVA 摻量>SBR 摻量，其中，針入度隨著油脂比的提高而提高，軟化點(diǎn)隨著油脂比的提高而降低。因此，從宏觀概念上來(lái)說(shuō)，油脂比決定了淺色瀝青的軟硬，是決定淺色瀝青性能的基礎(chǔ)因素。影響10 ℃延度的主次因素為:油脂比>EVA 摻量>SBR 摻量。影響軟化點(diǎn)的主次因素為: 油脂比>SBR 摻量>EVA 摻量，EVA摻量變化引起的極差極小，說(shuō)明其水平變化對(duì)軟化點(diǎn)無(wú)明顯影響。

與單因素分析相比，方差分析更能區(qū)別不同因素水平所對(duì)應(yīng)的結(jié)果差異，由表3 ～表5 方差分析可知，油脂比對(duì)針入度、10 ℃延度、軟化點(diǎn)的影響均為極顯著水平(P<0．01) ，EVA 摻量對(duì)軟化點(diǎn)無(wú)顯著影響。綜上，方差分析與極差分析結(jié)果相一致。

表3 針入度方差分析表

表4 10 ℃延度方差分析表

表5 軟化點(diǎn)方差分析表

根據(jù)極差和方差分析綜合來(lái)看，以上述四種組分調(diào)配彩色瀝青時(shí)，應(yīng)以油脂比為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)瀝青的黏度(以針入度和軟化點(diǎn)表征) ，微調(diào)EVA 摻量和SBR 摻量改善其低溫性能(以延度表征) 。

3．3 優(yōu)選比例

根據(jù)各因素各水平所對(duì)應(yīng)指標(biāo)結(jié)果的平均值的大小可以確定優(yōu)選方案。如果要求指標(biāo)越小越好，則取最小的平均值所對(duì)應(yīng)水平;如果要求指標(biāo)越大越好，則取最大的平均值所對(duì)應(yīng)水平; 如果要求指標(biāo)適中(固定值) ，則取適中的平均值所對(duì)應(yīng)水平。

當(dāng)以CJJT 218 中90 號(hào)淺色瀝青為制備目標(biāo)時(shí)，其針入度應(yīng)在80 ～100 之間，而此時(shí)的軟化點(diǎn)和延度值應(yīng)越高越好。由表3 可知，油脂比對(duì)淺色瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)的影響最大。以針入度最大值作為優(yōu)選方案，選取A2(1．5∶1) 。同理，對(duì)于EVA 摻量，以延度最大值作為優(yōu)選方案，選取B1(2%) ，但按此調(diào)配比例制備的淺色瀝青延度指標(biāo)不符合CJJT 218 標(biāo)準(zhǔn)，因此調(diào)整EVA 摻量為B2(4%) ，滿(mǎn)足規(guī)范值，選取B2(4%) 。對(duì)于SBR 摻量，以軟化點(diǎn)最大值作為優(yōu)選方案，選取C2(2%) ，最終確定優(yōu)選調(diào)配比例為芳烴油∶C9 石油樹(shù)脂∶EVA∶SBR =60∶40∶4 ∶2(EVA 和SBR 外摻) ，或芳烴油∶C9 石油樹(shù)脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9(內(nèi)摻) 。

4 優(yōu)選調(diào)配比例下的性能驗(yàn)證

按優(yōu)選調(diào)配比例制備彩色瀝青，對(duì)其常規(guī)的針入度、軟化點(diǎn)、延度等經(jīng)驗(yàn)性能，及流變學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證其是否符合JT/T 1128 中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，采用一種常用中東油源盤(pán)錦90 號(hào)基質(zhì)瀝青做對(duì)比，以評(píng)價(jià)其相對(duì)普通瀝青的性能變化規(guī)律。

4．1 常規(guī)基本性能

其按JT/T 1128，CJJT 218，JTG F40 等相關(guān)規(guī)程所規(guī)定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)等常規(guī)基本指標(biāo)的性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表6 所示。

表6 優(yōu)選比例下的淺色瀝青指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明，按芳烴油∶C9 石油樹(shù)脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9 比例調(diào)配的混溶物各項(xiàng)性能滿(mǎn)足CJJT 218 和JT/T 1128 中普通淺色瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?；烊芪锏念伾珵樽睾稚诤笃诘幕旌狭显囼?yàn)中，可以采用不同顏色色粉調(diào)配出色澤明亮的彩色瀝青混合料。后續(xù)試驗(yàn)也表明，當(dāng)采用顏色更淺的芳烴油和樹(shù)脂時(shí)，其混溶物色澤也會(huì)更淺。最佳比例下制備的淺色瀝青見(jiàn)圖1。

圖1 最佳比例下制備的淺色瀝青

4．2 流變學(xué)性能指標(biāo)

瀝青的流變學(xué)性質(zhì)包含黏溫關(guān)系及蠕變特性，研究采用60 ℃～135 ℃大范圍的黏度測(cè)試分析其黏度隨溫度的變化規(guī)律，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR 和彎曲梁流變儀BBR 測(cè)試和分析了淺色瀝青的高溫抗車(chē)轍和低溫抗開(kāi)裂指標(biāo)相對(duì)普通瀝青的特性。

4．2．1淺色膠結(jié)料的黏溫關(guān)系和溫度敏感性

瀝青的黏溫曲線直接體現(xiàn)了瀝青的路用性能，反映出瀝青的溫度敏感性。采用ASTM D2493 中的Walther和Saal 公式進(jìn)行回歸分析，見(jiàn)式(1) ，擬合曲線見(jiàn)圖2，圖3。用黏溫曲線斜率b表征瀝青的溫度敏感性能，稱(chēng)為感溫系數(shù)，b值越大瀝青的溫度敏感性越高。

圖2 淺色瀝青黏溫曲線

其中，η為瀝青黏度，Pa·s;T為溫度;b為感溫系數(shù)。

由圖2 得，通過(guò)對(duì)淺色瀝青測(cè)試黏度數(shù)據(jù)回歸，擬合曲線的方程為: lglg(η×103) =9．880 3-3．639 3lg(T+273．15) ，通過(guò)對(duì)90 號(hào)基質(zhì)瀝青測(cè)試黏度數(shù)據(jù)回歸，擬合曲線的方程為lglg(η×103) =9．551 4-0．305 2lg(T+273．15) ，擬合優(yōu)度分別為0．999 1 和0．996 7，具有較好的相關(guān)性。淺色瀝青60 ℃～135 ℃感溫系數(shù)為-3．639 3，而90 號(hào)基質(zhì)瀝青在該溫度區(qū)間的感溫系數(shù)為-3．505 2，淺色瀝青的溫度敏感性比90 號(hào)基質(zhì)瀝青略高。和大多數(shù)道路瀝青一樣，在60 ℃～135 ℃溫度范圍內(nèi)淺色瀝青黏溫關(guān)系對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中呈線性，表現(xiàn)出牛頓流體的特性。根據(jù)曲線擬合得到其拌和黏度范圍(0．17 ±0．02) Pa·s與壓實(shí)黏度范圍(0．28 ±0．03) Pa·s 所對(duì)應(yīng)的溫度范圍分別為130 ℃～134 ℃和140 ℃～146 ℃，上述溫度范圍與90 號(hào)基質(zhì)瀝青相差不大。

針入度指數(shù)PI是用以描述瀝青在常溫段的溫度敏感性的指標(biāo)，針入度指數(shù)PI越大，瀝青的溫度敏感性越小。瀝青的針入度的對(duì)數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，即:

其中，lgP為不同溫度條件下測(cè)得的針入度值的對(duì)數(shù);T為試驗(yàn)溫度;K為回歸方程的常數(shù)項(xiàng)a;AlgPen為回歸方程的系數(shù)b。

針入度指數(shù)的計(jì)算公式為:

試驗(yàn)選取溫度為15 ℃，25 ℃和30 ℃，測(cè)得淺色針入度指數(shù)PI=-0． 6，90 號(hào)基質(zhì)瀝青針入度指數(shù)PI=-0．9，符合JTG F40 要求(-1．5≤PI≤1．0) ，在15 ℃～30 ℃范圍內(nèi)其感溫性能優(yōu)于90 號(hào)基質(zhì)瀝青。淺色瀝青針入度指數(shù)-2

4．2．2淺色瀝青的高溫抗車(chē)轍能力

通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)老化前后的淺色瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。溫度掃描范圍46 ℃～82 ℃，淺色瀝青和90 號(hào)基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*、車(chē)轍因子G*/×sinδ和疲勞因子G*×sinδ隨溫度變化情況如圖3 ～圖5所示。

圖3 復(fù)數(shù)剪切模量影響曲線

圖4 車(chē)轍因子影響曲線

圖5 疲勞因子影響曲線

由圖3，圖4 可知，瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量與車(chē)轍因子隨溫度升高而持續(xù)減小，與對(duì)照組變化趨勢(shì)相同;在同種溫度下，淺色瀝青的G*和G*/sinδ皆小于90 號(hào)基質(zhì)瀝青，即淺色瀝青的高溫抗變形能力低于90 號(hào)基質(zhì)瀝青。

由圖5 可知，隨著溫度升高，淺色瀝青和90 號(hào)基質(zhì)瀝青的疲勞因子G*/sinδ均降低，且淺色瀝青的疲勞因子小于90 號(hào)基質(zhì)瀝青，相比90 號(hào)基質(zhì)瀝青，淺色瀝青抗疲勞性能更好。

根據(jù)AASHTO MP1a-04 中對(duì)PG 分級(jí)的劃分，當(dāng)某個(gè)溫度等級(jí)下原樣瀝青G*/sinδ≥1．0 kPa 以及RTFOT后的瀝青G*/sinδ≤2．2 kPa 時(shí)，稱(chēng)最高溫度等級(jí)為瀝青的高溫PG 分級(jí)，由本試驗(yàn)確定的淺色瀝青的高溫PG 分級(jí)為58。

4．2．3淺色膠結(jié)料的低溫抗開(kāi)裂能力

蠕變勁度模量S反映瀝青在低溫中抵抗變形的能力，數(shù)值越小，表明瀝青在低溫環(huán)境下的柔性越好。蠕變速率m反映瀝青應(yīng)力松弛能力的強(qiáng)弱，數(shù)值越高，表明瀝青路面抵抗低溫開(kāi)裂能力越強(qiáng)。為了研究制備得到的淺色瀝青的低溫性能，對(duì)淺色瀝青和90 號(hào)基質(zhì)石油瀝青進(jìn)行BBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-18 ℃，-12 ℃和-6 ℃，其測(cè)試結(jié)果如圖6，圖7 所示。

圖6 蠕變曲線

圖7 蠕變速率曲線

由圖6，圖7 可知，在-6 ℃，-12 ℃溫度下，淺色瀝青的勁度模量均小于基質(zhì)瀝青，且均滿(mǎn)足S≤300 MPa 的技術(shù)要求，在此溫度下，淺色瀝青低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，而在-18 ℃時(shí)，淺色瀝青和基質(zhì)瀝青的S值已超出S≤300 MPa 技術(shù)要求。在三個(gè)溫度下，淺色瀝青的m值比基質(zhì)瀝青的m值大，表明在-6 ℃，-12 ℃和-18 ℃溫度下，淺色瀝青產(chǎn)生的應(yīng)力松弛比基質(zhì)石油瀝青好，抗低溫開(kāi)裂性能強(qiáng)于基質(zhì)瀝青。綜合蠕變勁度模量S和蠕變速率m來(lái)看，淺色瀝青低溫抗裂能力較好。

根據(jù)AASHTO MP1a-04，淺色瀝青在-12 ℃下的蠕變勁度模量S小于300 MPa、蠕變速率m大于0．3，淺色瀝青的低溫PG 分級(jí)為-22。

5 結(jié)論

本研究基于化學(xué)調(diào)配法，以芳烴油，C9 石油樹(shù)脂，EVA，SBR 四種成為制備彩色瀝青混合料用基礎(chǔ)淺色膠結(jié)料，按技術(shù)目標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)取得了組成成分的調(diào)配規(guī)律和優(yōu)選比例，并對(duì)優(yōu)選調(diào)配比例下的膠結(jié)料進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)和分析。研究結(jié)論如下:

1) 各成分比例中，油脂比對(duì)淺色瀝青黏度或軟硬程度的影響最為顯著，是決定淺色瀝青性能的基礎(chǔ)因素，微調(diào)EVA 摻量和SBR 摻量改善其低溫性能(以延度表征) 。由試驗(yàn)確定的優(yōu)選比例，芳烴油∶C9 石油樹(shù)脂∶EVA∶SBR=56．6∶37．7∶3．8∶1．9，滿(mǎn)足我國(guó)90 號(hào)彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2)60 ℃～135 ℃的大溫度范圍黏度測(cè)試和針入度指數(shù)測(cè)試表明，優(yōu)選比例下調(diào)配的淺色瀝青的黏溫關(guān)系與基質(zhì)瀝青接近，具有相近的施工溫度段和服役溫度段溫度敏感性。

3) DSR 對(duì)比溫度掃描試驗(yàn)表明，淺色瀝青與普通基質(zhì)瀝青的高溫蠕變變形趨勢(shì)基本相同，但淺色瀝青的G*和G*/sinδ皆小于90 號(hào)基質(zhì)瀝青，疲勞因子大于90 號(hào)基質(zhì)瀝青，淺色瀝青的高溫抗變形能力低于基質(zhì)瀝青，耐疲勞性好于基質(zhì)瀝青。

4) BBR 對(duì)比試驗(yàn)表明，在-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃溫度下，淺色瀝青的低溫抗裂能力優(yōu)于90 號(hào)基質(zhì)瀝青。

5) 根據(jù)AASHTO 標(biāo)準(zhǔn)可知，淺色瀝青的PG 分級(jí)為PG58-22。