ULTC温拌彩色沥青粘附性与流变性能研究

摘要：为了分析ULTC温拌剂对彩色沥青性能的影响，文章通过制备ULTC复合温拌彩色沥青与Sasobit温拌彩色沥青进行对比，测试其针入度、软化点、延度和黏度；采用水浸法与Photoshop图像分析法相结合，评价温拌彩色沥青与集料的粘附性能；通过动态剪切流变（DSR）试验对温拌彩色沥青流变性能进行评价。结果表明：ULTC温拌剂的加入，使得温拌彩色沥青软化点和延度都有所提高，并且能够改善彩色沥青的低温性能，提高施工和易性；ULTC温拌彩色沥青相比Sasobit温拌彩色沥青具有更好的粘附性能和抗剥落性，能够提高彩色沥青的弹性恢复能力，具有更好的抗车辙能力。

关键词：温拌彩色沥青；粘附性；流变性；黏温曲线

中图分类号：U416.03

0 引言

彩色沥青是一种新型的路面材料，其应用于路面将城市道路在美观化、个性化的追求和功能实用性结合，满足了现代城市对路面美学和使用性能的双重需求［1］。彩色沥青具有很大的发展前景，会成为未来城市道路建设的重要选择。目前，彩色沥青的制备方式主要有两种：（1）通过物理方式除去道路石油沥青中的黑色成分，从而制备一种透明沥青，再加以颜料而成；（2）将不同石油产品通过物理共混得到的一种浅色半透明的沥青胶结料［2-3］，然后加以颜料。温拌彩色沥青技术，就是在彩色沥青中加入温拌剂，使得彩色沥青黏度降低，从而进一步降低彩色沥青混合料的摊铺和碾压温度，该技术是彩色沥青技术和温拌技术的结合，既减少了有害气体的排放，节约了能源，又提高了路面的美感和功能性［4-5］。为了促进温拌彩色沥青路面技术的发展，本文选用自制的有机降黏类温拌剂ULTC制备温拌彩色沥青，并通过与Sasobit温拌彩色沥青的对比，研究其粘附性和流变性能。

1 原材料性能与温拌彩色沥青制备方法

1.1 原材料性能

1.1.1 彩色沥青

本研究选用彩色沥青型号是HPCA70#，为西安华泽道路材料有限公司生产，采用环保型高性能树脂及专用改性剂制成，色彩鲜艳，路用性能优良。相关技术指标试验测试结果见表1。

1.1.2 颜料

本研究所用颜料为氧化铁红，性能指标见表2。

1.1.3 温拌剂

本研究采用自制温拌剂，型号为ULTC，主要通过回收废旧聚丙烯中的裂解蜡和橡胶裂解油混合，辅助以助剂制得。ULTC温拌剂不仅实现了资源的回收利用，而且达到了温拌节能的效果。其相关技术性能指标见表3。对比的温拌剂采用Sasobit温拌剂。

1.2 温拌彩色沥青制备方案

ULTC温拌彩色沥青的实验室制备步骤如下：

（1）将浅色沥青加热至140 ℃～150 ℃，为了确保受热均匀在加热时匀速搅拌。

（2）添加温拌剂，在高速剪切仪中剪切30 min。

（3）添加颜料，搅拌均匀在130 ℃～140 ℃发育20 min，得到所述温拌彩色合成沥青。

2 试验结果与分析

2.1 ULTC温拌彩色沥青路用性能分析

2.1.1 针入度试验

针入度试验执行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的T0603-2011标准试验方法［6］。选用仪器为可控温针入度仪，控温精度±0.1 ℃。为了更加具体地描述沥青的温度敏感性，选取5 ℃、15 ℃、25 ℃这三个温度点，试验结果见表4，三种沥青针入度随温度的变化见图1。

根据不同温度下针入度的测试值，计算各种沥青的针入度指数PI，这个指数能够反映温拌彩色沥青的温度敏感性，研究温拌彩色沥青的温变特性。计算结果如表5所示。

分析表4、表5可得出以下结论：（1）在相同温度下，ULTC温拌彩色沥青的针入度远远大于Sasobit温拌彩色沥青和彩色沥青；（2）A值越小，温敏性越低，A值越大，温度敏感性越高，ULTC温拌彩色沥青的温度敏感性比其他两种沥青小；（3）回归直线的截距可以反映针入度的大小，截距随针入度的增大而增大，这表明沥青的温拌效果和流动性较好，所以ULTC彩色沥青有较好的温拌特性。

2.1.2 软化点试验

软化点试验（环球法）按照JTG E20-2011中的T0606-2011标准方法进行操作。试验仪器为可控温软化点仪，时间精度±0.1 s。软化点测试结果见表6。

ULTC温拌彩色沥青的软化点高于彩色沥青，但低于Sasobit温拌彩色沥青。ULTC温拌剂和Sasobit温拌剂中都含有蜡，能够提高彩色沥青的高温稳定性，但是ULTC中蜡元素含量低于Sasobit温拌剂，所以ULTC的软化点大于彩色沥青，但小于Sasobit温拌彩色沥青。

2.1.3 延度试验

沥青的延度试验参照JTG E20-2011中的T0605-2011标准方法试验。选用仪器为可控温延度仪。温度选择10 ℃，拉伸速率为5 cm/min。延度测试结果见表7。

从试验数据可以得出，在10 ℃时，ULTC温拌彩色沥青的延度具有明显优势，而彩色沥青的平均延度为87 cm，Sasobit温拌彩色沥青的平均延度为31 cm，充分反映了ULTC温拌彩色沥青在低温时仍然具有较优的延展性，间接表明了ULTC温拌彩色沥青具有较好的温拌特性。

2.1.4 布氏旋转黏度试验

本试验使用布洛克菲尔德黏度计，并严格按照规范JTG E20-2011中的T0625-2011制样检测。考虑到温拌彩色沥青施工温度较低的情况下，黏度测试的范围为90 ℃和130 ℃，间隔为10 ℃。试验结果见表8，黏温曲线见图2。

如图2所示，在彩色沥青中加入Sasobit温拌剂时，在低温时Sasobit温拌彩色沥青的黏度相较于彩色沥青大大提高，原因是Sasobit温拌剂是一种蜡，在低温时未达到熔点，发挥不了温拌作用。相对于彩色沥青，ULTC温拌彩色沥青随温度的升高，黏度降低的速率更快，这种现象是因为在温度＞105 ℃时，ULTC型温拌剂已经熔融，降低了彩色沥青的黏度。这表明添加ULTC温拌剂可提高沥青的施工和易性。从黏温曲线图可以看出，ULTC温拌彩色沥青在黏度为0.17 Pa·s时对应的温度大约为122 ℃，以《公路工程沥青及混合料试验规程》为参考，可以将122 ℃设置为ULTC温拌彩色沥青的拌和温度，与普通彩色沥青的拌和温度相比降低了40 ℃左右。

2.2 ULTC型复合彩色沥青粘附性研究

利用水浸法并结合Photoshop图像分析法评价彩色沥青与集料的粘附性能［7-8］，试验步骤如下：

（1）取200 g过9.5～13.2 mm筛的石灰岩，洗净，烘干。采用四分法称取100 g洗净烘干的石灰岩，放入120 ℃的烘箱中控温2 h。

（2）以100 g集料中加入4.5 g的比例配制沥青。取出集料与沥青充分拌和，使集料被沥青膜完全覆盖，并将均匀覆盖沥青膜的集料放在玻璃板上，常温下冷却后进行水浸试验。

（3）将样品放入到80 ℃±1 ℃的恒温水槽中30 min，期间将剥离与漂浮的沥青捞出。

（4）将放有集料的玻璃板取出放入冷水中，观察沥青薄膜的剥落情况并估算剥落率。

（5）使用相机对水浸后的样品拍照，利用Photoshop图像分析法，对同一像素下集料表面的剥落面进行颜色提取，利用直方图查看像素面积，对剥落面积像素进行计算，得到剥落面积像素比，比值为剥落率，并按照粘附性等级表进行划分。

从表9可以看出，对于集料选择是石灰岩的情况下，ULTC温拌彩色沥青的剥落率比彩色沥青和Sasobit温拌彩色沥青均低，粘附性等级高。石灰岩为碱性集料，其表面的碱性成分与彩色沥青的酸性成分发生反应，所以当石灰岩作为集料时，整体表现为较高的粘附性等级。

2.3 基于流变特性的温拌彩色沥青性能分析

使用动态剪切流变仪（DSR）来评估各种沥青的流变性能。用复数剪切模量G*和相位角δ来表征沥青胶结料的粘弹性，高温车辙因子G*/sinδ利用G*和δ计算得到，用以评价沥青胶结料的高温抗车辙性能［9-10］。

2.3.1 复数剪切模量G*

复数剪切模量G*表示沥青结合料在反复受剪力后，材料抗变形的总量。图3绘出了彩色沥青与ULTC温拌彩色沥青、Sasobit温拌彩色沥青在46 ℃～82 ℃的温度范围内的G*的结果。ULTC温拌彩色沥青的G*比彩色沥青低是由于温拌剂的加入，改变了沥青组分的构成。ULTC温拌剂中含有橡胶油，使得复合彩色沥青中油分变多。在施工时，温拌彩色沥青的施工温度要比热拌沥青的施工温度高，温拌剂的加入降低了沥青在高温时的黏度，提高了施工和易性。

2.3.2 相位角δ

相位角δ为沥青材料承受剪切荷载作用时，应变滞后于应力的角度，δ越小表示沥青越偏弹性，发生相同变形后弹性恢复性能越好，可用于研究温拌彩色沥青的性质。图4绘出了彩色沥青与ULTC温拌彩色沥青、Sasobit温拌彩色沥青在46 ℃～82 ℃温度范围内的相位角δ的结果。彩色沥青和两种温拌彩色沥青的相位角δ随着温度升高而升高，ULTC温拌彩色沥青的相位角小于彩色沥青和Sasobit温拌彩色沥青，说明ULTC型温拌剂能够提高彩色沥青的弹性恢复能力。

2.3.3 车辙因子G*/sinδ

车辙因子G*/sinδ是评价沥青高温性能的指标，G*/sinδ越大，表示高温抗永久变形能力越强，即混合料的高温稳定性越好。图5绘出了彩色沥青与ULTC温拌彩色沥青、Sasobit温拌彩色沥青在46 ℃～82 ℃的温度范围内车辙因子G*/sinδ的结果。车辙因子的变化趋势与复合模量的趋势大致相同，在实际道路工作的温度范围内，ULTC温拌彩色沥青和Sasobit温拌彩色沥青的车辙因子G*/sinδ均大于彩色沥青，在此范围内温拌剂能显著提高彩色沥青的抗车辙能力，ULTC温拌彩色沥青较普通彩色沥青具有更好的抗车辙性。

3 结语

本文对ULTC温拌彩色沥青的常规物理性能、流变性能、粘附性进行研究，结论如下：

（1）通过研究ULTC温拌彩色沥青针入度、软化点、延度指标评价ULTC温拌彩色沥青的常规性能。发现ULTC温拌剂的加入，使得彩色沥青软化点和延度都有提高。但是由于ULTC温拌剂中蜡含量比Sasobit温拌剂低，ULTC温拌彩色沥青的软化点增幅明显低于Sasobit温拌彩色沥青；10 ℃延度指标随着温拌剂的加入有所提高，ULTC温拌剂能够改善彩色沥青的低温性能，同时ULTC温拌彩色沥青的针入度指数仍然符合彩色沥青的使用要求。

（2）利用布氏旋转黏度仪对ULTC温拌彩色沥青在90 ℃～130 ℃范围内的沥青的黏度及黏温曲线进行了研究，发现添加ULTC温拌剂可提高彩色沥青的施工和易性。

（3）利用水浸法并结合Photoshop图像分析法评价彩色沥青与集料的粘附性能，研究发现ULTC温拌彩色沥青具有更好的粘附性能和抗剥落性。

（4）通过DSR评价了ULTC温拌彩色沥青的流变性能。分析了ULTC温拌彩色沥青剪切模量和相位角在不同温度下的变化情况，发现ULTC温拌剂的加入使得彩色沥青组分的构成发生改变，能够提高彩色沥青的弹性恢复能力，具有更好的抗车辙能力。

参考文献

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收稿日期：2024-03-25

作者简介：赵 琪（1991—），工程师，研究方向：交通工程。