裂化油漿/SBS復(fù)合改性瀝青的制備及性能研究

劉金妹（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰　024005）

裂化油漿/SBS復(fù)合改性瀝青的制備及性能研究

劉金妹
（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰024005）

針對(duì)現(xiàn)有聚合物改性瀝青材料的不足，以裂化油漿（FCC）和SBS為改性劑，采用高速剪切法在室內(nèi)制備了一種新型復(fù)合改性瀝青材料。通過(guò)軟化點(diǎn)、針入度和延度等試驗(yàn)，優(yōu)化了復(fù)合改性瀝青的室內(nèi)制備工藝。研究表明：當(dāng)SBS摻量為4.5%時(shí)，隨著FCC油漿摻量的增多，復(fù)合改性瀝青高溫性能逐漸下降，抗老化性能、中溫疲勞性能和低溫性能逐漸提高，綜合考慮，當(dāng)FCC油漿摻量為10%～15%時(shí)，復(fù)合改性瀝青在具有較好抗老化性能、中溫疲勞性能和低溫性能的同時(shí)，兼具較好的高溫性能。

道路工程；裂化油漿；SBS改性劑；復(fù)合改性瀝青

0　前言

為了使瀝青路面能承受重載交通和嚴(yán)酷氣候條件的雙重考驗(yàn)，防止和減輕瀝青路面的早期破壞，對(duì)瀝青材料進(jìn)行更深層次的改性研究具有重要的實(shí)際意義。目前改性瀝青技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的屬聚合物改性瀝青，其中尤以SBS改性瀝青最具代表性［1-2］。SBS改性瀝青雖然能顯著改善瀝青路面的使用性能和耐久性，減少路面的早期破壞，但也存在著耐老化性能差、SBS與基質(zhì)瀝青相容性差，以及無(wú)法兼顧瀝青各項(xiàng)性能的全面提升等缺點(diǎn)［3-7］。裂化油漿（FCC）是原油加工過(guò)程中的副產(chǎn)品，由于再加工工藝繁瑣，通常作為普通燃油使用，沒(méi)有充分發(fā)揮其潛在的利用價(jià)值［8-9］。FCC油漿中富含大量的2～4環(huán)芳烴，其中的油分與瀝青中的飽和芬、芳香芬等輕質(zhì)組分極為相似，因此可以將其應(yīng)用于瀝青材料的改性［10-11］。對(duì)于FCC油漿改性瀝青，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明，將FCC油漿用于瀝青改性，雖然使瀝青的低溫性能、抗老化性能得到改善，但會(huì)造成瀝青高溫性能的急劇降低［12-14］。因此，將FCC油漿和SBS改性劑共同用于瀝青改性，同時(shí)發(fā)揮2種材料各自的優(yōu)勢(shì)，制備綜合性能優(yōu)越的改性瀝青材料對(duì)提高瀝青路面的使用壽命具有重要意義。本文通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了復(fù)合改性瀝青的制備工藝，并研究了FCC油漿摻量對(duì)瀝青性能的影響，得到最佳的改性材料配比，為促進(jìn)改性瀝青材料的研究提供新的思路。

1　試驗(yàn)原材料

選用HK70#基質(zhì)瀝青，其針入度60.5（0.1 mm）（25℃，100 g，5s），軟化點(diǎn)49.9℃，延度大于150 cm（5 cm/min，15℃），閃點(diǎn)285℃，RTFOT后質(zhì)量損失0.46%。FCC油漿取自中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。SBS改性劑采用中國(guó)石油股份有限公司生產(chǎn)的星型SBS，外觀呈白色立體狀，各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定。

表1　FCC油漿的技術(shù)性能指標(biāo)

2　復(fù)合改性瀝青制備工藝優(yōu)化

2.1投料順序的確定

復(fù)合改性瀝青中由于FCC油漿和SBS改性劑的物理屬性不同，對(duì)瀝青的改性機(jī)理也有所不同，因此，制備時(shí)2種改性劑的投料順序必然會(huì)影響到改性瀝青的性能。固定基質(zhì)瀝青、FCC油漿、SBS改性劑和穩(wěn)定劑的用量不變，改變2種改性劑的加入順序，分析改性瀝青性能指標(biāo)的變化，尋求最佳的投料順序。

方案1：將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，加入SBS改性劑溶脹30 min，升溫至170℃并剪切40 min，然后加入穩(wěn)定劑并剪切10 min，最后加入FCC油漿，在150℃條件下攪拌10 min，發(fā)育30 min。

方案2：將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，將FCC油漿加入到基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒攪拌10min，此過(guò)程保持溫度不變，再將SBS加入瀝青中溶脹30min，之后升溫至170℃剪切40min，然后加入穩(wěn)定劑剪切10min，最后在150℃條件下發(fā)育30min。

方案3：將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，先將FCC油漿加入到基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒攪拌10 min，升溫至170℃時(shí)將SBS加入瀝青中并剪切20 min，等溫度降低至150℃時(shí)溶脹30 min，再將溫度升高至170℃剪切20 min，然后加入穩(wěn)定劑剪切10 min，最后在150℃條件下發(fā)育30 min。

采用3種不同投料方案時(shí)復(fù)合改性瀝青的性能見(jiàn)表2。

表2　投料順序?qū)?fù)合改性瀝青性能的影響

從表2可以看出，改性劑的投料順序不同，改性瀝青的性能不同，其中投料順序?qū)Φ蜏匮佣鹊挠绊懽畲?，與方案1相比，方案2瀝青的延度提高了18.3%，低溫性能得到了大幅改善，這主要是因?yàn)椋現(xiàn)CC油漿中富含的油分與基質(zhì)瀝青中的芳香芬、飽和芬等輕質(zhì)組成相似，先將FCC油漿加入到基質(zhì)瀝青中，使基質(zhì)瀝青膠體結(jié)構(gòu)中的輕質(zhì)組分含量上升，使SBS改性劑的溶脹和吸附作用增強(qiáng)，瀝青和SBS改性劑之間的界面層厚度增加，提高了SBS與基質(zhì)瀝青之間的相容性，更容易形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此瀝青性能較好；若將FCC油漿最后加入，由于SBS的前期溶脹程度較低，SBS的長(zhǎng)分子鏈擴(kuò)展不充分，在瀝青中分散的均勻性較差，因此瀝青性能較差。與方案3相比，方案2瀝青的低溫延度提高了13.4%，這是因?yàn)橄热苊浭筍BS的吸附作用增強(qiáng)，輕質(zhì)組分較好地被SBS吸收，在高速剪切作用下，SBS更容易在瀝青中均勻分散，瀝青性能較好。因此，以下制備復(fù)合改性瀝青時(shí)均采用方案2的投料順序。

2.2剪切時(shí)間的確定

控制2種改性劑和穩(wěn)定劑的用量不變，在170℃條件下，利用高速剪切儀以5000r/min的剪切速率對(duì)復(fù)合改性瀝青連續(xù)剪切不同時(shí)間，研究剪切時(shí)間對(duì)瀝青性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　剪切時(shí)間對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

從表3可以看出，隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，軟化點(diǎn)呈先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)剪切時(shí)間為60 min時(shí)軟化點(diǎn)最高；針入度和低溫延度隨剪切時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，且當(dāng)剪切時(shí)間大于60 min后，延度增長(zhǎng)不明顯。這是因?yàn)?，剪切時(shí)間過(guò)短，F(xiàn)CC油漿和基質(zhì)瀝青的混合不均勻，且SBS的溶脹和吸附程度較低，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的改性效果，因此延長(zhǎng)剪切時(shí)間能改善改性瀝青的高低溫性能；當(dāng)剪切時(shí)間大于60 min后，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫溶脹使SBS的分子鏈斷裂，分子質(zhì)量降低，改性瀝青的黏度下降，因此高溫性能降低。綜合考慮，最佳的剪切時(shí)間應(yīng)為60 min。

2.3剪切速率的確定

剪切速率不同，改性劑在瀝青中的分散程度不同，因此改性瀝青的性能也將有所差異。控制其它條件不變，分別以3000、4000、5000和6000 r/min的剪切速率對(duì)瀝青進(jìn)行高速剪切，研究剪切速率對(duì)改性瀝青性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　剪切速率對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

從表4可以看出，隨著剪切速率的增大，軟化點(diǎn)、針入度和低溫延度都表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)剪切速率為4000 r/min時(shí)，軟化點(diǎn)和延度最大，瀝青的高低溫性能最佳。這是因?yàn)椋S著剪切速率的增大，F(xiàn)CC油漿在基質(zhì)瀝青中的擴(kuò)散越強(qiáng)，與基質(zhì)瀝青的混合越均勻，同時(shí)SBS被逐漸磨細(xì)，與瀝青的相容性逐漸增大，因此復(fù)合改性瀝青的性能得到改善。而剪切速率過(guò)大時(shí)，SBS被進(jìn)一步磨細(xì)，過(guò)細(xì)的SBS難以貫穿于瀝青中形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，SBS的高粘彈性難以發(fā)揮，使復(fù)合改性瀝青的高低溫性能反而變差。因此，最佳的剪切速率應(yīng)為4000 r/min。

2.4溶脹時(shí)間的確定

控制其它條件不變，研究溶脹時(shí)間對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　溶脹時(shí)間對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

從表5可以看出，隨著溶脹時(shí)間的延長(zhǎng)，軟化點(diǎn)逐漸增大，針入度和延度逐漸減小，但延度的變化幅度較小，當(dāng)溶脹時(shí)間超過(guò)50 min后，3項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度均很小。其原因?yàn)椋谌苊涍^(guò)程中SBS不斷吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，若溶脹時(shí)間過(guò)短，SBS對(duì)油分的吸附作用較弱，不能在瀝青中很好地發(fā)育，無(wú)法形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此延長(zhǎng)溶脹時(shí)間能明顯改善復(fù)合改性瀝青的性能；但SBS在瀝青中的溶脹是有限的，當(dāng)溶脹時(shí)間超過(guò)50 min時(shí)，SBS的發(fā)育速度緩慢甚至停止，瀝青性能的提高幅度有限。因此最佳的發(fā)育時(shí)間應(yīng)為50 min。

3　FCC油漿摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

3.1高溫性能

控制SBS用量為4.5%、穩(wěn)定劑用量為0.1%，采用以上制備工藝制備FCC油漿摻量分別為5%、10%、15%和20%的復(fù)合改性瀝青，利用DSR試驗(yàn)，測(cè)試不同F(xiàn)CC油漿摻量時(shí)，瀝青老化前以及短期老化后車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)力控制模式，荷載頻率為10rad/s，振動(dòng)頻率為1.59 Hz。FCC油漿摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫性能的影響見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，當(dāng)FCC油漿摻量相同時(shí)，老化前后復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ隨溫度的升高逐漸下降，這是因?yàn)殡S著溫度的升高瀝青由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)化，彈性比例下降，粘性比例上升，在荷載作用下的變形逐漸增大，因此G*/sinδ逐漸減小，瀝青高溫性能變差。老化前后，G*/sinδ隨FCC油漿摻量的增多逐漸下降，當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)15%時(shí)，G*/sinδ下降明顯，復(fù)合改性瀝青的高溫性能大幅降低。解釋其原因?yàn)?，F(xiàn)CC油漿的加入改變了瀝青的組成，使輕質(zhì)組分含量上升，瀝青質(zhì)含量降低，高溫時(shí)瀝青中的彈性比例降低而粘性比例上升，因此G*/sinδ逐漸下降，其中當(dāng)FCC油漿摻量小于15%時(shí)，F(xiàn)CC油漿對(duì)瀝青高溫性能造成了一定的削弱，此時(shí)對(duì)高溫性能起主導(dǎo)作用的是SBS改性劑，因此G*/sinδ降低不明顯；當(dāng)FCC油漿摻量大于15%時(shí)，復(fù)合改性瀝青中輕質(zhì)組分含量過(guò)多，SBS對(duì)瀝青高溫性能的貢獻(xiàn)降低，此時(shí)FCC油漿摻量對(duì)高溫性能起主導(dǎo)作用，因此G*/sinδ大幅下降。從高溫性能考慮，F(xiàn)CC油漿摻量不應(yīng)超過(guò)15%。

圖1　FCC油漿摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青車轍因子的影響

相同條件下，老化后復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ大幅增長(zhǎng)，且FCC油漿摻量不同，老化后G*/sinδ的提高程度不同。當(dāng)溫度為60℃，老化后FCC油漿摻量分別為5%、10%、15%和20%時(shí)改性瀝青的G*/sinδ分別增長(zhǎng)了95.2%、59.6%、26.3%和43.1%。老化后G*/sinδ的增長(zhǎng)比例越小，表明老化引起的油分損失比例越小，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能越強(qiáng)，因此當(dāng)FCC油漿摻量為15%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能最好。這是因?yàn)?，?dāng)FCC油漿摻量低于15%時(shí)，增大FCC油漿摻量能很好地補(bǔ)充由于老化作用而引起的瀝青輕質(zhì)組分的損失，使瀝青抗老化性能得到提高；而當(dāng)FCC油漿摻量大于15%時(shí)，瀝青中的油分含量接近飽和，由于短期老化引起的油分損失占總油分的比例有限，因此對(duì)瀝青抗老化性能的改善程度有限，相反會(huì)引起其它性能的劣化。

3.2中溫耐疲勞性能

SHRP瀝青路用性能規(guī)范中規(guī)定以DSR試驗(yàn)測(cè)試瀝青的疲勞性能，以疲勞因子G*·sinδ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)先將瀝青進(jìn)行短期老化，再將殘留物經(jīng)過(guò)PVA老化，由DSR測(cè)試PVA老化后殘留物的G*·sinδ隨溫度的變化，相同溫度且G*·sinδ不超過(guò)5 kPa時(shí)，G*·sinδ越小表明抗疲勞性能越好。不同F(xiàn)CC油漿摻量時(shí)，改性瀝青中的溫疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　FCC油漿摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青疲勞因子的影響

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，復(fù)合改性瀝青的G*· sinδ逐漸降低，疲勞性能逐漸提高，這是因?yàn)樵谥械蜏貐^(qū)間時(shí)，升高溫度使瀝青的脆性減弱，彈性和韌性逐漸增強(qiáng)，疲勞荷載作用時(shí)瀝青的彈性恢復(fù)能力逐漸提高，且由于瀝青的彈性形變吸收的能量越多，使疲勞性能得到改善。當(dāng)FCC油漿摻量由5%增大至10%時(shí)，G*·sinδ大幅降低，瀝青疲勞性能得到顯著改善，而當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)10%時(shí)，再增大FCC油漿摻量引起的G*·sinδ下降幅度很小。對(duì)應(yīng)的當(dāng)G*·sinδ為5 kPa時(shí)，可求得FCC油漿摻量分別為5%、10%、15%和20%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的易疲勞溫度分別為18.5、15.6、15.1和15.1℃。表明FCC油漿摻量越多，復(fù)合改性瀝青的易疲勞溫度越低，當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)15%時(shí)，易疲勞溫度趨于穩(wěn)定。因此，從中低溫抗疲勞性能角度考慮，F(xiàn)CC油漿摻量宜在10%～15%。

3.3低溫性能

降溫時(shí)瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，混合料隨之收縮而產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，相對(duì)于溫度變化，應(yīng)力松弛較緩慢而被積累，導(dǎo)致路面出現(xiàn)低溫開(kāi)裂。利用DSR試驗(yàn)將復(fù)合改性瀝青小梁試樣在-5℃下的形變加載至2%，然后觀測(cè)應(yīng)力松弛過(guò)程中殘余應(yīng)力比隨時(shí)間的變化，反應(yīng)復(fù)合改性瀝青的低溫性能，其中殘余應(yīng)力比越小表明低溫性能越好。不同F(xiàn)CC油漿摻量時(shí)復(fù)合改性瀝青的殘余應(yīng)力比隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3　FCC油漿摻量對(duì)殘余應(yīng)力比的影響

從圖3可以看出，當(dāng)FCC油漿摻量由5%增大至10%時(shí)，松弛前后期的殘余應(yīng)力比都出現(xiàn)較大程度的降低，當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)10%時(shí)，再增加FCC摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能的改善效果不明顯。其原因?yàn)?，低溫時(shí)瀝青主要表現(xiàn)為脆性，隨著FCC油漿摻量的增多，復(fù)合改性瀝青中輕質(zhì)組分的含量增多，瀝青脆性降低，且良好的溶脹作用，使SBS和瀝青之間的界面厚度增加，分布更均勻，低溫荷載作用時(shí)，SBS分子鏈的彈性變形更加顯著，卸載時(shí)彈性形變得以恢復(fù)，因此使殘余應(yīng)力下降；而當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)10%時(shí)，2種改性劑對(duì)瀝青低溫脆性的改善程度有限，因此殘余應(yīng)力變化較小。當(dāng)應(yīng)力松弛時(shí)間為10s，F(xiàn)CC油漿摻量分別為5%、10%、15%和20%時(shí)的殘余應(yīng)力比分別為91.0%、82.2%、73.4%和70.5%；而當(dāng)應(yīng)力松弛時(shí)間為1000s，4種復(fù)合改性瀝青的殘余應(yīng)力比分別為5.5%、3.5%、2.0%和1.9%。表明在較長(zhǎng)時(shí)間的卸載后，F(xiàn)CC油漿摻量對(duì)瀝青低溫性能的影響較小，而在交通荷載頻繁的區(qū)域，瀝青的松弛時(shí)間較短，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高FCC油漿的摻量，以抑制路面的低溫開(kāi)裂。從低溫性能方面考慮，F(xiàn)CC油漿摻量不應(yīng)小于10%。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)瀝青基本性能指標(biāo)的測(cè)試，優(yōu)化了復(fù)合改性瀝青的室內(nèi)制備工藝，結(jié)果表明：采用方案2的投料順序，當(dāng)剪切時(shí)間為60min，剪切速率為4000r/min，溶脹時(shí)間為50mim時(shí)，制備的復(fù)合改性瀝青性能最佳。

（2）通過(guò)DSR試驗(yàn)測(cè)試?yán)匣昂髲?fù)合改性瀝青的G*/sinδ，評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫性能和抗老化性能。結(jié)果表明，隨FCC油漿摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的高溫性能逐漸降低，當(dāng)FCC油漿摻量超過(guò)15%時(shí)，高溫性能急劇下降，而抗老化性能最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的FCC油漿摻量為15%。

（3）FCC油漿摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青中低溫疲勞性能和低溫性能的影響規(guī)律相似，當(dāng)摻量低于10%時(shí)，提高FCC油漿摻量能顯著改善瀝青的中低溫疲勞性能和低溫性能，而當(dāng)摻量大于10%時(shí)，改善效果不明顯。綜合考慮，F(xiàn)CC油漿摻量應(yīng)為10%～15%。

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Study on the preparation and properties of the cracking slurry oil/SBS composite modified asphalt

LIU Jinmei
（Transportation Vocational Technical College of Inner Mongolia，Chifeng 024005，China）

Aiming at the shortage of existing polymer modified asphalt materials，this paper used cracked oil slurry（FCC）and SBS as modifier，to prepare a new composite material modified by high shear method.By softening point，penetration and ductility and other tests to optimize the indoor preparation process composite modified asphalt.The research shows that when the SBS content is 4.5%，the high temperature performance of composite modified asphalt is gradually decreased with the increase of FCC oil content，and the aging resistance，middle temperature fatigue and low temperature performance are improved.The composite modified asphalt has good anti ageing property，medium temperature fatigue and low temperature performance，and high temperature performance can meet the requirements when the content of FCC oil is 10%～15%.

road engineering，cracking oil slurry，SBS modifier，composite modified asphalt

TU528.42

A

1001-702X（2016）04-0104-04

2015-11-10

劉金妹，女，1980年生，內(nèi)蒙古赤峰人，講師。地址：內(nèi)蒙古赤峰市新城王府大街2號(hào)，E-mail：liujinmeilunwen@126.com。