F-T 蠟和PE 蠟對瀝青性能影響研究

吳 森，王 威

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻和人們對生存質(zhì)量要求的不斷提升，綠色環(huán)保型路面成為公路事業(yè)發(fā)展的新趨勢。鑒于熱拌瀝青混合料高能耗、高污染的弊端，溫拌技術(shù)的發(fā)展可謂方興未艾，且以有機(jī)降黏型溫拌技術(shù)最為典型[1]。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是通過向?yàn)r青中添加蠟基類改性材料。由于蠟基材料可溶于瀝青體系中的分散介質(zhì)芳香分和飽和分，高溫時蠟基材料不僅可降低分散介質(zhì)的黏度，還可影響瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的締合作用，增強(qiáng)體系流動性，使得瀝青由膠體結(jié)構(gòu)向溶膠方向轉(zhuǎn)變[2]。低溫時蠟基類材料可結(jié)晶析出，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促使瀝青體系向凝膠型轉(zhuǎn)變[3]。

一直以來，瀝青中的蠟分被認(rèn)為是一個對瀝青路用性能極為不利的組分。其在高溫時雖可降低瀝青黏度，但會影響高溫穩(wěn)定性，增加感溫性；低溫時減小應(yīng)力松弛性能，造成瀝青低溫下發(fā)脆、易開裂。不僅如此，蠟分會減弱瀝青與集料間的親和力，破壞黏結(jié)力使水穩(wěn)定性變差。鑒于蠟對瀝青的感溫性、黏結(jié)力和水穩(wěn)定性均有較大影響，為此我國道路石油瀝青標(biāo)準(zhǔn)中對蠟含量有著嚴(yán)格的限制。瀝青中的蠟品種復(fù)雜，從微晶蠟、地蠟到石蠟均有涉及，熔點(diǎn)從30 ℃～100 ℃不等[4]，且蠟的含量、類型、及蠟在瀝青中的結(jié)晶狀態(tài)等均會對瀝青性能產(chǎn)生影響[5]。

雖然F-T 蠟和PE 蠟與瀝青中的蠟主要成分均為正烷烴和異烷烴，但三者分子結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致對瀝青性能影響存在較大差異。F-T 蠟是煤采用F-T工藝進(jìn)行氣化的產(chǎn)物之一，主要為含有37-115 個碳原子的長鏈脂肪烴類碳?xì)浠衔颷6-8]；PE 蠟為PE生產(chǎn)過程中的部分副產(chǎn)物，主要為14-70 個碳原子的乙烯齊聚反應(yīng)產(chǎn)物。為考察F-T 蠟和PE 蠟對瀝青性能的影響規(guī)律，本文將不同摻加量的兩種蠟基改性劑分別添加到90 號瀝青中進(jìn)行性能分析，得出兩者的影響規(guī)律，以期為蠟基類溫拌改性劑產(chǎn)品的升級和應(yīng)用提供參考。

1 F-T 蠟和PE 蠟性能分析

1.1 原材料

試驗(yàn)用瀝青采用殼牌90 號基質(zhì)瀝青，PE 蠟購自山東青島賽諾公司，F(xiàn)-T 蠟為德國Sasol Wax 公司的Sasobit 產(chǎn)品。

1.1.1 F-T 蠟和PE 蠟的紅外譜研究

圖1 為F-T 蠟和PE 蠟的紅外光譜圖，總體上兩種物質(zhì)的譜圖形態(tài)較為相似。兩種蠟均在2 900 cm-1左右和2 800 cm 左右出現(xiàn)C-H 鍵的對稱和非對稱伸縮振動，1 400 cm-1附近出現(xiàn)亞甲基的彎曲振動，719 cm-1附近出現(xiàn)直鏈烷烴亞甲基C-H 鍵的面內(nèi)搖擺振動。略有不同之處在于PE 蠟在800～1 000 cm-1處出現(xiàn)屬于-C=H2中不飽和基團(tuán)CH2的振動[9]。紅外光譜結(jié)果顯示，F(xiàn)-T 蠟和PE 蠟所含的官能團(tuán)較為相似。

圖1 F-T 蠟和PE 蠟的FTIR 譜圖

1.1.2 F-T 蠟和PE 蠟的熱重分析

從TG-DTG 曲線來看，PE 蠟的熱解主要發(fā)生在175 ℃～490 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，熱解區(qū)間較寬這是由于PE 蠟中含有較多不同分子量的輕質(zhì)組分所致，當(dāng)達(dá)到 490 ℃時，PE 蠟質(zhì)量損失已達(dá)到94.28%，可認(rèn)為此時熱解已結(jié)束。PE 蠟的熱解過程分為兩部分，最大失重速率分別發(fā)生在338 ℃和460 ℃，460 ℃之后失重速率迅速減小，熱解趨于完全。

圖2 PE 蠟的TG-DTG 曲線

F-T 蠟的熱解過程較PE 蠟簡單，熱解行為主要發(fā)生在261 ℃～476 ℃溫度范圍內(nèi)，到476 ℃時質(zhì)量損失達(dá)到98.04%，可以認(rèn)為熱解過程已完成。F-T 蠟的熱解溫度范圍較PE 蠟窄，說明F-T 蠟中不同分子量的輕質(zhì)組分含量少于PE 蠟。F-T 蠟的熱解過程一次完成，最大失重速率發(fā)生在436 ℃，高于436 ℃后，失重速率迅速減小，熱解趨于完成。

圖3 F-T 蠟的 TG-DTG 曲線

2 F-T 蠟和PE 蠟改性瀝青性能研究

2.1 F-T 蠟和PE 蠟對瀝青三大指標(biāo)性能影響

2.1.1 改性瀝青制備

研究中兩種蠟基改性劑的添加量分別為瀝青質(zhì)量的1.5%和3%。改性瀝青制備工藝：先將基質(zhì)瀝青加熱為流動狀態(tài)，而后向其內(nèi)分別加入1.5%和3%摻量的F-T 蠟和PE 蠟，在140 ℃恒溫條件下剪切10 min，使蠟基改性劑在瀝青中分散均勻，由此制備出4 種改性瀝青。

2.1.2 瀝青三大指標(biāo)性能分析

表1 瀝青主要性能指標(biāo)

三大指標(biāo)性能可知，整體上兩種蠟的加入均使得瀝青軟化點(diǎn)升高、針入度降低、延度下降，且隨著摻加量增多這種趨勢愈加明顯，且在相同摻量下，F(xiàn)-T 蠟的該種效果強(qiáng)于PE 蠟。

2.2 F-T 蠟和PE 蠟對瀝青黏度影響

表2 不同溫度下瀝青的黏度結(jié)果

F-T 蠟和PE 蠟作為蠟基改性劑類的代表，均可以起到降低瀝青黏度，改善施工和易性的效果。為探索兩種材料對瀝青黏度的作用規(guī)律，研究中采用布洛克菲爾德黏度計旋轉(zhuǎn)法測定上述瀝青在不同溫度下的表觀黏度。瀝青的黏度結(jié)果見表2。

研究范圍內(nèi)，F(xiàn)-T 蠟和PE 蠟對瀝青黏度的作用過程存在差異。整個溫度范圍內(nèi)，PE 蠟均使瀝青黏度降低，且摻量越大降幅愈明顯。這得益于PE 蠟相對較低的熔點(diǎn)可以起到潤滑、減小摩擦的效果。F-T 蠟對瀝青黏度的作用過程與PE 蠟不同，低溫下F-T 蠟的加入增加了瀝青體系的黏度，且隨摻量增加這種增黏的效果愈加明顯，這是由于溫度低于F-T 蠟熔點(diǎn)時，F(xiàn)-T 蠟可在瀝青中形成網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，由此使得體系黏度增加顯著。當(dāng)溫度高于115 ℃，F(xiàn)-T 蠟的降黏作用開始凸顯，黏度迅速降低。

根據(jù)黏溫曲線的關(guān)系，對黏度取雙對數(shù)，對溫度取對數(shù)，對上述瀝青進(jìn)行直線回歸，回歸方程見表3。

表3 不同瀝青的黏溫方程[10]

t 為試驗(yàn)溫度，℃；η 為黏度，cp。

按照回歸的黏溫關(guān)系，推得黏度為0.19 Pa·s 和0.15 Pa·s 時的拌和溫度以及黏度為 0.3 Pa·s 和0.26 Pa·s 時的壓實(shí)溫度，具體結(jié)果見表4。

表4 不同瀝青的拌和與壓實(shí)溫度 ℃

由表4 結(jié)果可見，兩種蠟基改性劑對基質(zhì)瀝青的溫拌效果相當(dāng)有限，并不能顯著降低基質(zhì)瀝青的拌和與壓實(shí)溫度。

2.3 F-T 蠟和PE 蠟改性瀝青高低溫流變性能分析

利用延度指標(biāo)來表征瀝青的低溫性能一直飽受爭議，美國Superpave 建議采用彎曲梁流變儀（BBR）評價瀝青結(jié)合料的低溫開裂性能[11]。為進(jìn)一步考察F-T 蠟和PE 蠟對瀝青材料高溫和低溫性能的影響，研究中對制備的瀝青分別進(jìn)行流變測試和蠕變勁度測試。

2.3.1 動態(tài)剪切流變結(jié)果

SHRP 計劃中建議采用流變測試中的車轍因子G*/sinδ 表征材料抵抗高溫下永久變形的能力，并有學(xué)者證實(shí)其可與瀝青混合料的抗車轍性能建立定性聯(lián)系。本文采用60 ℃時車轍因子對不同瀝青材料的高溫性能進(jìn)行評價。

復(fù)數(shù)剪切模量G*是瀝青自身固有性質(zhì)的定量描述，可用于表征材料抵抗變形的總能力[12-13]；相位角δ 是不可恢復(fù)變形量與可恢復(fù)變形量的相對指標(biāo)，可表征瀝青材料中彈性行為的相對強(qiáng)弱。δ 越小表示瀝青越呈彈性特征，發(fā)生相同形變時彈性恢復(fù)能力越佳[14]。60 ℃時不同瀝青流變測試的參數(shù)結(jié)果見表5。

表5 不同瀝青60 ℃時的流變參數(shù)結(jié)果

整體上兩種蠟的加入均可提高瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量，降低相位角，體現(xiàn)為瀝青體系模量增加，彈性行為得到增強(qiáng)，車轍因子提高。且相同摻量下，F(xiàn)-T蠟對車轍因子的提高幅度優(yōu)于PE 蠟，理論上F-T蠟對瀝青高溫性能的改善強(qiáng)于PE 蠟。

2.3.2 彎曲梁流變結(jié)果

BBR 測試中蠕變勁度模量S 表征材料的脆性，脆性越大出現(xiàn)開裂的幾率越大；蠕變曲率m 表征應(yīng)力松弛性和勁度的時間敏感性，m 越大表征應(yīng)力松弛越好，低溫下不易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[15]。原則上S≤300 MPa，m≥0.3 為符合要求。對瀝青進(jìn)行BBR 測試的結(jié)果見表6。

表6 不同瀝青BBR 測試結(jié)果

表6 結(jié)果顯示，-12 ℃時5 種瀝青的BBR 測試結(jié)果均滿足要求，-18 ℃時結(jié)果均不完全滿足要求，即上述瀝青能夠滿足最低溫度為-22 ℃以上區(qū)域的低溫鋪筑要求，不能用于最低溫度為-28 ℃附近區(qū)域的路面鋪筑。從測試結(jié)果來看，兩種蠟基改性劑的加入使S 增大、m 減小，表現(xiàn)為瀝青體系脆性增加，開裂幾率提升。且相同摻量下，PE 蠟更易使瀝青體系變脆和發(fā)生開裂。

為更直觀地對瀝青的低溫性能進(jìn)行評價，本文采用S/m 表征不同瀝青材料的低溫性能，S/m 越小則低溫性能越好。圖4 為不同瀝青在-12 ℃和-18 ℃下的S/m 值比較。5 種瀝青材料在上述兩個溫度下的S/m 值變化趨勢相同，即90 號瀝青小于1.5%F-T 蠟改性瀝青小于1.5%PE 蠟改性瀝青小于3%F-T 蠟改性瀝青小于3%PE 蠟改性瀝青。

圖4 不同瀝青S/m 隨溫度變化關(guān)系

3 結(jié)論

a）FTIR 結(jié)果顯示：F-T 蠟和 PE 蠟的官能團(tuán)較為相似，略有不同之處在于PE 蠟中存在屬于-C=H2中不飽和基團(tuán)CH2的振動。

b）TG-DTG 結(jié)果顯示，F(xiàn)-T 蠟的熱解過程一步完成，其熱解行為較PE 蠟簡單。F-T 蠟的熱解溫度范圍較PE 蠟窄，說明F-T 蠟中不同分子量的輕質(zhì)組分含量少于PE 蠟。

c）布氏黏度結(jié)果顯示，F(xiàn)-T 蠟和PE 蠟對瀝青的降黏行為不一致，F(xiàn)-T 蠟存在低溫增黏高溫降黏的變化，而PE 蠟在整個溫度區(qū)間內(nèi)均使黏度降低，但兩種改性劑對基質(zhì)瀝青的降黏作用相當(dāng)有限。

d）DSR 結(jié)果顯示，F(xiàn)-T 蠟和 PE 蠟均可提高瀝青的車轍因子，且摻量越高提升幅度越顯著；相同摻量下F-T 對車轍因子的提升幅度優(yōu)于PE 蠟。

e）BBR 結(jié)果顯示，兩種蠟基改性劑均降低了瀝青的低溫性能，增加了材料在低溫下發(fā)生開裂的概率。綜合看來，F(xiàn)-T 蠟對瀝青綜合性能的改善優(yōu)于PE 蠟。