配制條件對炭黑瀝青性能影響研究

黃征，楊國良*，陳乙軒，陳振譽，謝和春，劉峰，藍濤

(1.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州廣大工程檢測咨詢有限公司)

1 前言

瀝青路面由于其行車舒適、路面平坦、噪音小、施工速度快等特點，逐漸成為道路常用的結(jié)構(gòu)類型之一。隨著重載交通量的增大，普通瀝青往往不能滿足當前路面性能要求，改性瀝青卻可彌補普通瀝青這一缺陷。國內(nèi)外研究表明：炭黑可以提高瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、感溫性、抗老化性能等，但配制條件對炭黑瀝青各方面性能影響研究甚少，炭黑瀝青結(jié)合料性能與原材料及其制備方式有密切的關(guān)系，它們對炭黑瀝青性能的影響卻又有所不同，所以有必要研究各因素對炭黑瀝青路用性能的影響程度，這樣有利于根據(jù)不同地區(qū)，不同氣候條件，設(shè)計出更加合理的炭黑瀝青道路施工工藝。

炭黑是按照氮表面積命名的，炭黑氮表面積越大粒徑越小。影響炭黑瀝青性能的因素眾多，主要包括兩方面：① 原材料，包含炭黑種類、炭黑摻量、炭黑細度等；② 制備工藝，主要包括配制溫度等。該文選用炭黑作為改性劑對瀝青進行改性，制備炭黑瀝青膠結(jié)料。該文針對炭黑瀝青配制溫度、炭黑摻量、炭黑細度對炭黑瀝青路用性能的影響進行分析。

2 試驗材料

(1) 瀝青。采用A級70#道路石油瀝青，其主要技術(shù)性能指標如表1所示。

表1 A級70#道路石油瀝青主要性能指標

由表1可知：各項質(zhì)量指標均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》“道路石油瀝青技術(shù)要求”中70#A級道路石油瀝青(全天候)標準。

(2) 炭黑。為了研究炭黑細度對瀝青性能影響，試驗選用N220、N330、N550、N660共4種炭黑，主要性能指標見表2。

表2 炭黑主要性能指標

3 炭黑瀝青的制備

先將基質(zhì)瀝青加熱至配制溫度，開動攪拌器，再將一定量的炭黑(2.5%、5.0%、7.5%、10.0%)緩慢摻入至基質(zhì)瀝青中。為保證炭黑在瀝青中的均勻性，在炭黑瀝青上中下3個層面各攪拌20 min共計1 h，完成炭黑瀝青制備。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 不同配制條件下炭黑瀝青的針入度

對摻量為5%的N220炭黑瀝青進行不同配制溫度下的針入度試驗，以相應溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準，對比分析配制溫度對炭黑瀝青針入度的改善效果，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的針入度

對配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青進行不同炭黑摻量下的針入度試驗，以相應溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準，對比分析炭黑摻量對炭黑瀝青針入度改善效果，試驗結(jié)果如表4所示。

對配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青進行不同炭黑細度的針入度試驗，以相應溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準，對比分析炭黑細度對炭黑瀝青針入度的改善效果，試驗結(jié)果如表5所示。

表4 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的針入度

表5 不同炭黑細度下炭黑瀝青針入度

由表3可知：當配制溫度一定時，隨著測試溫度升高，炭黑瀝青針入度逐漸增大；當測試溫度一定時，炭黑瀝青的針入度均小于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，炭黑瀝青的針入度先減小后增大，配制溫度130 ℃和190 ℃對炭黑瀝青針入度改善效果較佳。

由表4可知：炭黑摻量對15 ℃時所測的針入度影響不大；25、30 ℃時所測針入度，隨炭黑摻量的增加大致逐漸減小。

由表5可知：隨著氮吸附比表面積的減小，炭黑顆粒粒徑逐漸增大，炭黑瀝青針入度逐漸增大，各類炭黑瀝青針入度均小于基質(zhì)瀝青。

4.2 不同配制條件下炭黑瀝青延度

對摻量為5%的N220炭黑瀝青進行不同配制溫度下的15 ℃延度試驗，以相應檢測溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準，對比分析配制溫度對炭黑瀝青延度的改善效果，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的15 ℃延度

對配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青進行不同炭黑摻量下的15 ℃延度試驗，以相應檢測溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準，對比分析炭黑摻量對炭黑瀝青延度改善效果，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的延度

對配制溫度為130 ℃且摻量為5%的炭黑瀝青進行不同炭黑細度的15 ℃延度試驗，以相應檢測溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準，對比分析炭黑細度對炭黑瀝青針入度改善效果，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同炭黑瀝青的15 ℃延度

由表6可知：當測試溫度為15 ℃時，炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的延度均低于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，大致呈下降趨勢?？梢?，炭黑的加入對基質(zhì)瀝青的延性不利。

由表7可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑瀝青膠結(jié)料的延度逐漸降低，可見，添加炭黑應適量，不宜太多。

由表8可知：當其他條件一定時，各種炭黑瀝青的延度相差不大，故炭黑細度對炭黑瀝青延度影響很小，但與基質(zhì)瀝青相比，延度減小較大，可見，炭黑降低了瀝青的延展性。

4.3 不同配制條件下炭黑瀝青的軟化點

對炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青進行不同配制溫度下的軟化點試驗，以同等條件下基質(zhì)瀝青軟化點為基準，對比分析配制溫度對炭黑瀝青軟化點的改善效果，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的軟化點

對配制溫度為170℃的N220炭黑瀝青進行不同炭黑摻量下的軟化點試驗，以相同條件下的基質(zhì)瀝青軟化點為基準，對比分析炭黑摻量對炭黑瀝青軟化點的改善效果，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的軟化點

對配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青進行不同炭黑細度的軟化點試驗，以相同條件下的基質(zhì)瀝青軟化點為基準，對比分析炭黑細度對炭黑瀝青軟化點的改善效果，試驗結(jié)果如表11所示。

由表9可知：炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的軟化點均大于基質(zhì)瀝青的軟化點，且隨著配制溫度升高，軟化點大致逐漸增加。由此可見，炭黑提高了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。

表11 不同炭黑瀝青的軟化點

由表10可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑顆粒與基質(zhì)瀝青的接觸面積增大，形成更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故軟化點逐漸增加。

由表11可知：炭黑摻量為5%的不同種炭黑顆粒配制的炭黑瀝青軟化點相差甚少且均大于基質(zhì)瀝青，可見，炭黑的氮吸附比表面積及炭黑細度對軟化點的影響較小。

4.4 不同配制條件下炭黑瀝青的黏度

對炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青采用型號為29#的轉(zhuǎn)子，進行不同配制溫度下的60 ℃試驗，以同等條件下基質(zhì)瀝青黏度為基準，對比配制溫度對炭黑瀝青黏度的改善效果，試驗結(jié)果見表12。

表12 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的黏度

對配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青采用型號為29#的轉(zhuǎn)子,進行不同炭黑摻量下60 ℃黏度試驗，以相同條件下的基質(zhì)瀝青黏度為基準，對比分析炭黑摻量對炭黑瀝青黏度的改善效果，試驗結(jié)果如表13所示。

對配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青采用型號為29#的轉(zhuǎn)子,進行不同炭黑細度下60 ℃黏度試驗，以相同條件下的基質(zhì)瀝青黏度為基準，對比分析炭黑細度對炭黑瀝青軟化點的改善效果，試驗結(jié)果如表14所示。

表13 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的黏度

表14 不同炭黑瀝青的黏度

由表12可知：炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的黏度均大于基質(zhì)瀝青的黏度，且隨著配制溫度升高，黏度逐漸增加。由此可見，配制溫度越高，炭黑瀝青老化越明顯。

由表13可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑顆粒與基質(zhì)瀝青的接觸面變大，形成更為龐大而致密的凝膠體，彼此相連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使炭黑瀝青的黏度逐漸增大。

由表14可知：當炭黑摻量為5%時，炭黑顆粒的細度對炭黑瀝青的黏度影響較小，且炭黑瀝青的黏度均大于基質(zhì)瀝青。

5 結(jié)論

(1) 在不同配制溫度下，炭黑瀝青的針入度、延度均小于基質(zhì)瀝青，而軟化點、黏度均大于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，炭黑瀝青的針入度先減小后增大，延度減小，軟化點、黏度逐漸增加。

(2) 當炭黑摻量不同時，炭黑摻量對15和25 ℃時所測的針入度影響不大，隨炭黑摻量的增加，炭黑瀝青30℃時所測針入度逐漸減小，延度逐漸減小，軟化點、黏度增加逐漸增大。

(3) 4種炭黑N220、N330、N550、N660的氮吸附比表面積逐漸減小，炭黑顆粒粒徑逐漸增大，炭黑瀝青針入度逐漸增大，不同炭黑顆粒配制的炭黑瀝青延度、軟化點、黏度相差甚少；4種炭黑瀝青針入度、延度均小于基質(zhì)瀝青，而軟化點、黏度均大于基質(zhì)瀝青。