融雪剂对沥青三大指标和微观老化性能的影响

朱 烨,季学文,沈菊男

(苏州科技大学道路工程研究中心 苏州市 215011)

目前，最为常用的道路除雪方法是使用氯化物，但是氯化物会导致路面侵蚀、内部钢筋锈蚀、排水管道腐蚀以及土壤生态环境破坏等问题，对沥青路面也会产生一定的影响。选择三种融雪剂，就融雪剂对沥青的高低温性能影响和微观老化性能的影响进行探索，为路面养护者对融雪剂的使用提供参考。

1 原材料及试样制备方法

1.1 原材料

试验采用韩国双龙70号基质沥青，其主要技术指标见表1。实验所用的SBS是中国石化YH-791H的热塑性丁苯橡胶，性能指标见表2。试验采用的融雪剂为氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)和乙酸钾(CH3COOK)三种。

表1 70#基质沥青性能指标

1.2 试样制备

1.2.1常规试样制备

本试样用于延度、针入度、软化点试验。

(1)基质沥青试样制作步骤为：将基质沥青加热至熔融状态，称取沥青质量1%、2%、3%、4%的融雪剂，倒入基质沥青中，用玻璃棒搅拌2～3min至融雪剂分散均匀，放入135℃烘箱中发育2h。

表2 SBS技术指标

(2)SBS改性沥青试样制作步骤为：将SBS改性沥青加热至熔融状态，称取沥青质量1%、2%、3%、4%的融雪剂，倒入SBS改性沥青中，用玻璃棒搅拌2～3min至融雪剂分散均匀，放入165℃烘箱中发育2h。

1.2.2微观试样制备

本试样用于红外光谱试验。具体制作步骤为：取沥青1～2g，加入二硫化碳在高温瓶中溶解，沥青与二硫化碳的质量比为1∶19，待沥青完全溶解后进行试验。老化后的样品是取常规试样在旋转薄膜烘箱(RTFOT)中老化85min后，再按上述步骤制成液体试样进行红外光谱试验。

2 融雪剂对沥青三大指标和布氏粘度的影响

2．1 融雪剂对沥青软化点的影响

采用软化点来评价沥青试样的高温性能，测试原样沥青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同沥青试样的针入度，测试结果见图1、图2。图1、图2中NaCl、CaCl2、CH3COOK分别指加入NaCl、CaCl2、CH3COOK的沥青试样，下同。

由图1和图2可以发现，加入融雪剂后，基质沥青的软化点明显上升，而SBS改性沥青的软化点降低。这是因为基质沥青与融雪剂的相互作用改变了沥青四组分的比例，沥青的胶质和沥青质增加，使沥青硬化，从而使软化点升高；对于SBS改性沥青，融雪剂既对基质沥青产生作用，又对SBS与基质沥青结合的空间网格结构产生作用，破坏了SBS与基质沥青的结构，从而使软化点降低。融雪剂对基质沥青的高温性能有提高作用，对SBS改性沥青的高温性能有降低作用。

图3是根据基质沥青的软化点随融雪剂掺量的增加而变化的拟合直线，线性方程和参数如表3所示。

由于改性沥青的软化点数据拟合后线性方程相关系数R2的值过小，因此认为拟合的线性方程不可靠，而基质沥青的拟合方程更具有参考价值，可以进行分析。虽然根据线性方程的参数a可知NaCl影响后的基质沥青增长率略高于CaCl2，但是由参数b和图3可知CaCl2影响后的拟合直线整体高于NaCl，因此认为，对基质沥青的软化点影响最大的融雪剂是CaCl2。

表3 基质沥青的软化点变化的参数和线性方程

2．2 融雪剂对沥青延度的影响

采用延度来评价沥青试样的低温性能，测试原样沥青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同沥青试样的5℃延度，测试结果见图4、图5。

由图4和图5可以发现，加入融雪剂后，基质沥青和SBS改性沥青的延度都随着融雪剂掺量的增加而降低，即低温性能变差。对于沥青低温性能的降低，是因为融雪剂分散在沥青中，使基质沥青的软组分硬化，改变了SBS在沥青中的排布，这直接导致了沥青延度的降低。氯盐融雪剂以离子晶体的形式存在于沥青分子中，并且晶体结构不同，导致延度降低的程度也不同。

图6和图7是根据基质沥青和SBS改性沥青的延度随融雪剂掺量的增加而变化的拟合直线，线性方程和影响因子如表4所示。

表4 两种沥青的延度变化的参数和线性方程

由表4可知，基质沥青和SBS改性沥青线性方程的参数a均为负数，且SBS改性沥青的参数a比基质沥青更小，说明两种沥青的延度都有所降低，其中SBS改性沥青降低幅度更大。对于基质沥青，从图6可以看出CaCl2影响后的拟合直线位置最低，同时根据表5中CaCl2基质沥青线性方程的参数a最小，b最大，可知对基质沥青延度影响最大的是CaCl2。同理，对SBS改性沥青延度影响最大的是CH3COOK。

2．3 融雪剂对沥青针入度的影响

测试原样沥青和加入NaCl、CaCl2、CH3COOK后不同沥青试样25℃的针入度，测试结果见图8、图9。

由图8和图9可以发现，融雪剂对基质沥青和SBS改性沥青针入度的影响略有不同，总体趋势表现为融雪剂使两种沥青的针入度均下降，基质沥青的下降趋势更明显。这是因为融雪剂减少了轻质组分的含量，基质沥青硬化，同时又破坏了SBS颗粒与沥青组成的网状结构，从而使针入度下降。

图10是根据基质沥青的针入度随融雪剂掺量的增加而变化的拟合直线，线性方程和参数如表5所示。

表5 基质沥青针入度变化的参数和线性方程

由于改性沥青的针入度数据拟合后线性方程相关系数R2的值过小，因此只参考基质沥青的线性方程进行分析。从图10中看出CH3COOK影响的拟合直线位置最低，同时比较表5中的线性方程参数a，可知CH3COOK对基质沥青针入度下降速率明显高于另外两种融雪剂，因此，对基质沥青针入度影响最大的是CH3COOK。

3 融雪剂对沥青影响的红外光谱测试

不同物质具有不同的分子结构和官能团，在受到红外光照射后，用傅里叶红外光谱仪能够得到不同的红外光谱图，从而对被测物质进行分析。对加入融雪剂后的沥青进行RTFOT短期老化，采用红外光谱扫描试验对其分析，判断是否有化学反应发生，并利用峰面积计算羰基指数，分析融雪剂对沥青老化产生的影响。

由于不同融雪剂、不同融雪剂掺量对老化基质沥青的红外光谱图影响规律一致，不同融雪剂、不同融雪剂掺量对老化SBS改性沥青的红外光谱图影响规律也一致，因此选择掺入四种掺量氯化钙后的老化基质沥青和老化SBS改性沥青作为代表进行讨论。氯化钙掺量为0～4%的基质沥青和SBS改性沥青老化后的红外谱图如图11、图12。

沥青经过老化后，在红外谱图上1700cm-1附近的位置会出现明显的羰基(C=O)官能团吸收峰，羰基数量越多，吸收峰越大。可以通过羰基指数(IC=O)对沥青中的羰基数进行定量分析。计算公式如下：

融雪剂对基质沥青和SBS改性沥青老化后羰基指数的影响如图13、图14所示。

由图13和图14可以发现，随着融雪剂掺量的增加，基质沥青和SBS改性沥青的羰基指数都明显下降，因此融雪剂对沥青有一定抗老化作用。对于基质沥青，抗老化作用最显著的是CaCl2，CH3COOK次之，NaCl的作用相对较小，但当掺量达到4%时，掺入三种融雪剂后的基质沥青的羰基指数都小于1。对于SBS改性沥青，抗老化作用最明显的也是CaCl2，其次是CH3COOK和NaCl，但当掺量达到4%时，掺入三种融雪剂的SBS改性沥青的羰基指数下降到2左右。

基质沥青老化过程中有一些高分子长链化合物发生了断链分解，沥青被氧化，吸收氧原子与沥青中的碳组成羰基。含氧基团的增加改变了沥青的结构和组成，芳香分和胶质转变为沥青质，轻组分减少、重组分增加。添加SBS 改性剂能提高沥青长期抗热氧老化方面的性能，因此SBS改性沥青的抗老化性能优于基质沥青。而融雪剂的掺入阻碍了沥青中高分子长链断链之后与氧自由基的结合，从而减少了羰基的生成，提高了沥青的抗老化性能。

4 结论

(1)随着融雪剂掺量的增加，基质沥青的软化点升高，SBS改性沥青的软化点降低；两种沥青在融雪剂的影响下延度和针入度都降低；CaCl2对基质沥青的软化点影响最大，NaCl对SBS改性沥青的软化点影响最大。

(2)由红外光谱的结果发现，沥青掺入融雪剂后，不会引起沥青内部分子结构和官能团的改变，因此融雪剂不与沥青和SBS发生化学反应；掺入融雪剂后的沥青经过老化，随着融雪剂掺量的增加羰基指数下降，证明加入融雪剂能提高沥青的抗老化性能。

(3)只选定了融雪剂的四种掺量，沥青只有两种，而且微观方面研究不深入，因此结论有片面性，应选用更多种类的沥青、融雪剂、融雪剂掺量以及更先进的设备进行更全面的研究，使研究成果更具有准确性和普遍性。