RST高黏改性沥青感温性及贮存稳定性评价

王昊宇，宗有杰，王志斌，张少波，李骏，闫晓慧，熊锐

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061；2.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 霸州 065799)

高黏改性沥青由于良好的抗剥落性、高黏度及高软化点等特点常用于排水沥青路面[1-2]。TPS改性剂具有裹附力强、抗变形能力及黏附性好等特点常用于高黏改性沥青，缺点为价格较高[3-4]。故研制性能优良且价格低廉的高黏改性沥青及高黏沥青改性剂引起人们关注。新型改性剂如SINO TPS、橡胶/SBS、RST、S型及C9石油树脂/SBS等制备高黏改性沥青的各项性能均优于TPS高黏改性沥青且较大程度降低成本[5-10]。

本文选用上海浦东路桥研制的RST(Road Science Technology)高黏改性剂，从多孔沥青路面对高黏沥青技术特点的需求出发试验制得RST高黏改性沥青，对其感温性能、贮存稳定性以及微观结构形貌进行研究分析。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

试验选用韩国SK A-70#基质沥青，其各项性能指标见表1；RST改性剂，由上海浦东路桥建设股份有限公司研制，各项技术性能指标见表2。

FM300高剪切分散乳化机；WSY-025F软化点试验仪；LYY-10A沥青延伸度仪；SYD-2801F针入度试验仪；NDJ-1CBrookfield旋转黏度计；WMX-3930改性沥青荧光检测显微镜。

表1 SK A-70#基质沥青各项性能指标Table 1 Performance indexes of SK A-70# base asphalt

表2 RST改性剂各项性能指标Table 2 Performance indexes of RST modifier

1.2 实验方法

工艺流程见图1。将SK A-70#基质沥青加热至软化后加入RST改性剂，将改性沥青置于控温电热炉加热到185 ℃，并以1 000 r/min剪切20 min后，将转速提升至5 000 r/min剪切1 h；剪切完成后进行人工搅拌且温度控制在(185±5)℃，直至高黏改性沥青发育完成。

图1 RST高黏改性沥青制备工艺Fig.1 Preparation technology of RST high viscosity modified asphalt

实验流程见图2。首先，通过对不同掺量RST高黏改性沥青的PI、PVN、VTS进行测定并计算，对其感温性能进行评价；其次，采用离析管试验法对高黏改性沥青的48 h贮存稳定性进行测定；最后，通过测定高黏改性沥青的延度、软化点及针入度并进行荧光显微实验，分析RST掺量对高黏改性沥青的影响及微观机理。

图2 实验流程图Fig.2 Test flow chart

2 结果与讨论

2.1 感温性评价

2.1.1 针入度指数 针入度指数(PI)是分析中温环境下沥青感温性的指标。实验测定温度为15，25，30 ℃，不同掺量RST高黏改性沥青的针入度结果见表3。基于课题组前期研究，本文选择RST掺配比例为沥青质量的7%，9%，11%，13%，15%，17%。通过公式(1)对针入度与温度进行回归分析得到回归常数A(通常于0.015～0.06之间)，基于公式(2)求解得到针入度指数(PI)，分析RST掺量与针入度指数之间的关系。

表3 针入度指数(PI)结果Table 3 Results of penetration index

lgP=AT+K

(1)

(2)

式中P——针入度，0.1 mm；

T——温度，℃；

A——温度敏感系数；

K——回归系数。

不同掺量RST高黏改性沥青针入度指数(PI)回归结果见图3。

图3 针入度指数(PI)回归结果Fig.3 Penetration index PI regression results

由表3和图3可知，温度范围为15～30 ℃时，随RST改性剂掺量增加，高黏改性沥青的针入度指数(PI)不断增高且回归常数(A)逐渐降低，表明RST改性剂可有效改善沥青的温度敏感性。其原因为：RST改性剂发生溶胀且吸收沥青的轻质组分，提高沥青中的重组分；此外，部分RST改性剂扩散到沥青中与之形成连续网状结构，从而降低高黏改性沥青的温度敏感性。然而，由于PI指数仅分析了高黏改性沥青中温度范围内的感温性，因此其评价存在一定的局限性。本文将通过PVN及VTS对高黏改性沥青高温区间内的感温性进行评价。

2.1.2 针入度黏度指数 我国夏季路表温度通常会达到50～70 ℃，故选用135 ℃黏度可更好表征中高温下不同掺量RST高黏改性沥青的感温性。实验测定了RST高黏改性沥青25 ℃针入度与135 ℃黏度，并通过公式(3)计算得到PVN[11]，测试结果见表4。

表4 针入度黏度指数(PVN)结果Table 4 Results of penetration viscosity index

PVN(25～135 ℃)

式中P25 ℃——25 ℃针入度，0.1 mm；

η135 ℃——135 ℃黏度，0.1 Pa·s。

由表4可知，随RST掺量增加PVN逐渐增大，在中高温环境下增加RST掺量可降低高黏改性沥青的温度敏感性，分析结果与PI一致。RST掺量由13%增大到15%时，PVN变化率为7.54%相比其他掺量较显著；继续增加RST掺量至17%时，仅发生小幅度变化，变化率为3.31%。究其原因为：掺量低于15%时，RST可吸收沥青中轻质组分形成较为稳定的网状结构，引起PVN显著变化；掺量高于15%时，RST无法均匀分散于沥青中，致使PVN变化甚微。

2.1.3 黏温指数 为深入评价高温环境下RST掺量对高黏改性沥青感温性的影响，测试120，135，150，165 ℃下RST高黏改性沥青的布氏黏度，结果见表5。

表5 Brookfield旋转黏度实验结果Table 5 Results of Brookfield viscosity tests

通过公式(4)对RST高黏改性沥青的黏温指数(VTS)进行计算拟合。

lg(lg(η×103))=A+VTS×lg(T+273.13)

(4)

式中P——针入度，0.1 mm；

η——黏度，Pa·s；

VTS——黏温指数。

不同掺量RST高黏改性沥青黏温指数回归结果见图4。|VTS|数值越小表示温度敏感性越低。

图4 黏温指数(VTS)回归结果Fig.4 Viscosity temperature index regression results

由图4可知，随RST掺量逐渐增加|VTS|表现为先增大后减小。RST掺量为11%时，|VTS|最大为3.165，表示其温度敏感性较高；RST掺量高于11%时，提高RST掺量可降低|VTS|，表明高黏改性沥青的感温性随RST掺量的增加逐渐改善。

2.2 贮存稳定性

为探究RST高黏改性沥青的贮存稳定性，本文采用离析管实验法，将6组RST高黏改性沥青(163±5)℃储存48 h后，测其软化点差值。

不同掺量RST高黏改性沥青软化点差见图5。

图5 不同掺量RST高黏改性沥青软化点差Fig.5 Softening point difference of RST high viscosity modified asphalt with different contents

由图5可知，RST掺量从9%升至11%时，软化点差值变化率为30.77%；RST掺量为17%时，软化点差已不满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求，离析比较显著。这表明RST掺量低于15%时，RST颗粒能够与沥青形成交联的网状结构，且体系Gibbs自由能与表面张力相差甚微，不会产生改性剂与沥青相产生脱离。因此，为保证RST高黏改性沥青的贮存稳定性，RST改性剂掺量应不超过15%。

2.3 RST掺量对改性沥青的影响及微观机理分析

本文通过测试RST高黏改性沥青的软化点、延度、针入度，进而评价不同掺量RST改性剂对高黏改性沥青性能的影响，测试结果见表6。

表6 不同掺量RST高黏改性沥青常规指标测试结果Table 6 Test results of conventional indexes of RST high viscosity modified asphalt with different contents

由表6可知，随RST掺量增加，RST不断吸收沥青中轻质组分从而提高沥青质含量，针入度逐渐降低；软化温度为弹性体转变为流体的温度，软化温度越高则表明热稳定性越好，高黏改性沥青的热稳定性随RST掺量增加逐渐升高；延度随RST掺量增加而上升，15%时出现拐点并开始下降。

RST掺量由11%增至13%时，延度及软化点发生较大变化且变化率为40.55%及10%；RST掺量增至17%时，高黏改性沥青的延度并无持续提升，其原因为RST已不能在沥青中均匀混合。综上，加入RST改性剂可有效提高基质沥青性能，且RST掺量为15%时性能达到最优。

RST高黏改性沥青的制备是一种三元共混体系下二阶热混过程。改性分为两个阶段：一阶热混为RST网状结构的形成过程，即通过分子链的取代及分子间的相互作用力，使RST改性剂形成稳定网状结构；二阶热混为RST对沥青的改性作用，RST由于保持溶胀状态并吸收沥青中轻质组分，增大重质组分在体系中的相对含量，宏观表现为沥青变稠，从而提高体系稳定性。

不同掺量RST高黏改性沥青荧光显微实验见图6。

图6 不同掺量RST改性沥青荧光显微图Fig.6 Fluorescence micrograph of RST modified asphalt with different contents

由图6可知，RST掺量较低时，处于均匀分散状态且无大颗粒聚集现象，基质沥青为连续相且RST分散其中。RST掺量高于11%时，RST在沥青中逐渐形成网状结构，交联现象在15%时达到临界值且影响最显著。RST掺量为17%时开始聚集成长条状，此时RST形成网状连续相且基质沥青分散其中，由于其掺量过高出现团聚现象，故延度出现下降。

3 结论与展望

(1)通过PI、PVN及VTS对不同掺量RST高黏改性沥青感温性进行评价，高黏改性沥青的温度敏感性随RST掺量增加而降低且最佳掺量为15%。

(2)采用离析管实验对RST高黏改性沥青的贮存稳定性进行测定，改性剂掺量不超过15%时贮存稳定性较好。

(3)RST掺量未超过15%时，RST可在沥青中均匀分散形成网状结构，高黏改性沥青感温性及贮存稳定性表现优良；RST掺量超过15%时，RST发生团聚导致高黏改性沥青延度及性能下降。

(4)本研究将从原材料优化配伍入手，进一步扩大实验范围，深入探究不同工况条件下RST高黏改性沥青的适用性及其路用性能优化。