費托蠟對瀝青改性效果的研究

唐哲

（重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400041）

引言

費托（Fischer Tropsch）蠟是亞甲基聚合物，是碳氫基合成氣或天然氣合成的烷烴聚合物，主要依靠煤化工優(yōu)質(zhì)廉價的原材料進行鐵基或者鈷基合成，較原油蠟價格有比較明顯的優(yōu)勢。溫度低于熔點時，費托蠟在瀝青膠結(jié)料中形成晶格結(jié)構(gòu)，這是含有費托蠟瀝青穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，費托蠟還可以提高瀝青混合料的抗車轍能力以及壓實度。所以費脫蠟可用于瀝青改性劑，不同加工工藝生產(chǎn)出的費托蠟性質(zhì)不一樣，對瀝青的改性效果也就不一樣。

目前，南非的Sasol公司和荷蘭皇家殼牌集團（Shell）這兩家企業(yè)具有較為優(yōu)良的工業(yè)費托蠟合成裝置。國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤間接、直接液化合成煤基費托蠟技術(shù)共建有三套示范裝置，分別為伊泰、潞安以及神華集團合成油示范裝置。其中，山西潞安煤基合成油有限公司在2014年5月自主研發(fā)出符合南非Sasol標(biāo)準(zhǔn)的高熔點費托蠟，打破了國外費托蠟壟斷市場；同時，內(nèi)蒙古伊泰新建120萬噸新裝置已處于試運行狀態(tài)。但是，國內(nèi)使用的少數(shù)高端高熔點費托蠟主要還是依賴進口。目前國內(nèi)將費托蠟用于瀝青改性的研究較少，而費托蠟與瀝青的相容性好，只需加熱進行簡單攪拌就可以改性，對設(shè)備要求不高。因此進行室內(nèi)實驗，研究費托蠟改性瀝青的性能，從而將國產(chǎn)費托蠟在瀝青方面的應(yīng)用進一步擴大。

參數(shù) 熔點/℃ 閃點/℃ 135℃黏度/（Pa·s）150℃黏度/（Pa·s）25℃針入度/0.1 mm 60℃針入度/0.1 mm測試值 100 290 5.47×10-3 3.26×10-3 1 8

表1 70#基質(zhì)瀝青A基本技術(shù)參數(shù)

表2 不同摻量費托蠟（殼牌）對SK70#基質(zhì)瀝青的改性效果

1 原材料的選取及改性瀝青制備

1.1 原材料各項參數(shù)

1.1.1 費托蠟的物理指標(biāo)

1.1.2 實驗所取基質(zhì)瀝青為殼牌SK70#基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)參數(shù)見表一:

1.1.3 聚合物改性瀝青離析試驗

離析試驗用來評價基質(zhì)瀝青與改性劑的配伍性、相容性及儲存穩(wěn)定性問題。按照T 0661-2011中的方法進行試驗。費托蠟改性屬于EVA類聚合物改性瀝青。試驗方法：將費托蠟改性瀝青澆入針入度試樣杯中至標(biāo)線處，放入135℃烘箱中，持續(xù)24 h后取出，用小刮刀徐徐探測試樣，查看表面層稠度，檢查底部及周圍的沉淀物。按照規(guī)范表T 0662-1記錄試驗結(jié)果。此結(jié)果為均勻的，無結(jié)皮和沉淀。表明費托蠟跟基質(zhì)瀝青相容性好，不會發(fā)生離析。

1.2 費托蠟改性瀝青的制備

1.2.1 費托蠟改性劑制備改性瀝青

改性瀝青制備工藝采用簡單攪拌，一次摻配進行。

1.2.2 加工工藝參數(shù)的設(shè)定

通過離析試驗和大量文獻已經(jīng)證明:費托蠟在130～145℃的基質(zhì)瀝青中分散均勻，不發(fā)生離析。用低速剪切機進行攪拌，轉(zhuǎn)速設(shè)為400 r/min，時間設(shè)定為30分鐘。工藝簡單，不需要特殊設(shè)備。

1.2.3 對改性劑分別進行2%，3%，4%，5%的四種不同摻量的試驗，其攪拌時間，轉(zhuǎn)速，加熱溫度條件不變。試驗結(jié)果如表2所示。

圖1 不同溫度下針入度與F-T蠟摻量的關(guān)系

圖2 針入度指數(shù)與費托蠟摻量的關(guān)系

2 費托蠟改性劑對瀝青針入度的影響

針入度是表征粘稠瀝青條件粘度的一種指標(biāo)。針入度試驗是一種用于測量瀝青膠結(jié)料稠度的簡單方法。其標(biāo)準(zhǔn)試驗條件為溫度25℃，荷重100 g，貫入時間5 s。計量單位0.1 mm。

按照JTG E20-2011規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)方法，研究結(jié)果如圖1所示，不同試驗溫度條件下相同的基質(zhì)瀝青中摻入不同量的費托蠟，針入度值跟原來相比均有所降低，表明費托蠟改性劑能使瀝青的針入度減小；從微觀角度分析，這是因為瀝青質(zhì)平均分子質(zhì)量大于費托蠟平均分子質(zhì)量，瀝青整體相位可以達到平衡，因此兩者相容性較好。分析相容性結(jié)果也可知，費托蠟高溫熔融后在瀝青中分散均勻，費托蠟低溫狀態(tài)下以形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了瀝青膠體熱穩(wěn)定性，降低了溫度敏感性。總之，不同量的費托蠟改性摻入基質(zhì)瀝青中，針入度均降低，表明費托蠟改性劑可使瀝青變硬、稠度變大，抵抗變形的能力有所增加。

針入度指數(shù)PI用以描述瀝青的溫度敏感性，宜在15℃、25℃、30℃等3個或3個以上溫度條件下測定針入度后按照規(guī)定方法計算得到。由圖1計算出不同費托蠟摻量下瀝青的針入度指數(shù)，由圖2統(tǒng)計看出當(dāng)費托蠟摻量為3%時針入度指數(shù)最大，說明此時的瀝青溫敏感性最低，表明費托蠟的摻量對瀝青的溫敏感性有不同的影響。

3 費托蠟改性劑對瀝青延度的影響

瀝青的延性是當(dāng)其受到外力的拉升作用時，所能承受的塑性變形的總能力，通常用延度作為條件延性指標(biāo)來表征。延度是規(guī)定形態(tài)的瀝青試樣，在規(guī)定溫度下以一定速度拉升至斷開時的長度，以㎝計。對于延度指標(biāo)，各國學(xué)者、專家對其認知看法不一，但目前還未有可替代的方法檢測。三大指標(biāo)之一的延度是對施工質(zhì)量有重大的影響，尤其在低溫條件下測延度。大量試驗結(jié)果表明，延度反映低溫條件下瀝青的抗變形能力，瀝青路面開裂等病害與其密切相關(guān)。

按JTG E20-2011規(guī)范中10℃的方法進行試驗，結(jié)果如圖表一，可見費托蠟改性劑的摻入使瀝青延度值顯著下降，且隨費托蠟摻量增加瀝青延度逐漸下降。這是因為費托蠟在高溫條件下均勻分布于瀝青中，而在低溫狀態(tài)下蠟變硬便顯出蠟的脆性使得延度降低。因此，從瀝青延度隨費托蠟摻量的變化來看，費托蠟對瀝青的低溫性能有不利影響。

4 費托蠟改性劑對瀝青軟化點的影響

瀝青軟化點是瀝青達到規(guī)定條件黏度時的溫度，所以軟化點既是反映瀝青溫度敏感性的重要指標(biāo)，也是瀝青黏稠性的一種度量。軟化點的數(shù)值隨采用不同儀器而異，我國現(xiàn)行規(guī)范試驗采用環(huán)與球軟化點法。在瀝青中加入費托蠟后低溫時會結(jié)晶，從微觀角度分析，費托蠟結(jié)晶空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將瀝青各組分均勻包裹，使得瀝青黏稠度增加從而增加了流動阻力，宏觀上表現(xiàn)為軟化點升高，表明費托蠟可顯著提升瀝青的高溫抗變形能力。

5 費托蠟對瀝青粘度的影響

瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子材料，它由液態(tài)凝結(jié)為固態(tài)，或由固態(tài)熔化為液態(tài)。其粘度隨溫度而發(fā)生變化，從低溫時的彈性狀態(tài)到高溫時的粘彈性、粘塑性或者流體狀態(tài)，這是瀝青材料的特征。黏度是流體抗流動的度量，瀝青的粘滯性及隨溫度變化的規(guī)律常用黏度來評價。瀝青粘度值影響著瀝青的路面力學(xué)性能，且瀝青粘度范圍隨溫度變的區(qū)域較大。因此要根據(jù)溫度條件以及檢測目的來確定瀝青粘度。實際工程中加工或改性瀝青都是在較高溫度條件下進行。因此，本研究采用較寬范圍的溫度，來測定費托蠟該系瀝青的粘度，探究費托蠟改性瀝青黏度隨溫度變化的規(guī)律。

在 90、135、165℃這三種不同溫度下進行瀝青粘度試樣 ，當(dāng)溫度低于90℃時，布氏黏度方法無法測出費托蠟改性瀝青的黏度值。在90℃條件下費托蠟并未完全熔融，此時費托蠟改性瀝青的粘度值變化不能反映對瀝青流體動力特性，當(dāng)溫度超過120℃時費托蠟才能完全融于瀝青中，所以應(yīng)在135、165℃條件下探究費托蠟對瀝青的降粘效果。測試結(jié)果如表3：

表3 3%摻量的費托蠟在不同溫度下粘度影響

根據(jù)表格可看出，隨著溫度的升高，3%費托蠟改性瀝青的粘度是呈降低的趨勢。在90℃時，相比于基質(zhì)瀝青，費托蠟改性瀝青的黏度值提升了42.3%，大幅度提升了高溫性能，有利于夏季抗車轍。費托蠟改性瀝青的抵抗變形能力增強，抗車轍性能優(yōu)于普SBS改性瀝青，費托蠟改性劑的摻入對瀝青的高溫性能有所改善。135℃

～165℃黏度顯著下降有利于施工。

6 結(jié)束語

(1)費托蠟影響瀝青抵抗變形的能力。在25℃試驗溫度下，當(dāng)費托蠟摻量為3%時，瀝青的溫敏感性最低。表明瀝青的溫敏感性受費托蠟摻量的影響。

(2)費托蠟可以降低瀝青的低溫延度，且隨著摻量的增多其延度值越小，費托蠟對瀝青的低溫性能略有不利影響。

(3)費托蠟摻量對瀝青的溫敏感性影響顯著，且瀝青的敏感性隨其摻量的增加變現(xiàn)為先增大后減小。當(dāng)摻量在3%時針入度指數(shù)最大，此時的路用性能最佳。

(4)費托蠟?zāi)茱@著提高瀝青的軟化點，摻量3%時的瀝青軟化點提升最多。摻量超過3%時，費托蠟在瀝青的溶解度趨于飽和，因此軟化點值的變化也趨于平緩。

(5)費托蠟摻量為3%時，改性瀝青的90℃黏度提升了42.3%，高溫性能大大提升，有利于夏季抗車轍；在135～165℃

時，黏度大幅度下降有利于施工。