費(fèi)托蠟對(duì)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(fèi)托（Fischer Tropsch）蠟是亞甲基聚合物，是碳?xì)浠铣蓺饣蛱烊粴夂铣傻耐闊N聚合物，主要依靠煤化工優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的原材料進(jìn)行鐵基或者鈷基合成，較原油蠟價(jià)格有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，費(fèi)托蠟在瀝青膠結(jié)料中形成晶格結(jié)構(gòu)，這是含有費(fèi)托蠟瀝青穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，費(fèi)托蠟還可以提高瀝青混合料的抗車(chē)轍能力以及壓實(shí)度。所以費(fèi)脫蠟可用于瀝青改性劑，不同加工工藝生產(chǎn)出的費(fèi)托蠟性質(zhì)不一樣，對(duì)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(tuán)（Shell）這兩家企業(yè)具有較為優(yōu)良的工業(yè)費(fèi)托蠟合成裝置。國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤間接、直接液化合成煤基費(fèi)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(tuán)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(diǎn)費(fèi)托蠟，打破了國(guó)外費(fèi)托蠟壟斷市場(chǎng)；同時(shí)，內(nèi)蒙古伊泰新建120萬(wàn)噸新裝置已處于試運(yùn)行狀態(tài)。但是，國(guó)內(nèi)使用的少數(shù)高端高熔點(diǎn)費(fèi)托蠟主要還是依賴(lài)進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)將費(fèi)托蠟用于瀝青改性的研究較少，而費(fèi)托蠟與瀝青的相容性好，只需加熱進(jìn)行簡(jiǎn)單攪拌就可以改性，對(duì)設(shè)備要求不高。因此進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究費(fèi)托蠟改性瀝青的性能，從而將國(guó)產(chǎn)費(fèi)托蠟在瀝青方面的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。

參數(shù) 熔點(diǎn)/℃ 閃點(diǎn)/℃ 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(cè)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(fèi)托蠟（殼牌）對(duì)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(xiàng)參數(shù)

1.1.1 費(fèi)托蠟的物理指標(biāo)

1.1.2 實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表一:

1.1.3 聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)

離析試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青與改性劑的配伍性、相容性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性問(wèn)題。按照T 0661-2011中的方法進(jìn)行試驗(yàn)。費(fèi)托蠟改性屬于EVA類(lèi)聚合物改性瀝青。試驗(yàn)方法：將費(fèi)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(cè)試樣，查看表面層稠度，檢查底部及周?chē)某恋砦?。按照?guī)范表T 0662-1記錄試驗(yàn)結(jié)果。此結(jié)果為均勻的，無(wú)結(jié)皮和沉淀。表明費(fèi)托蠟跟基質(zhì)瀝青相容性好，不會(huì)發(fā)生離析。

1.2 費(fèi)托蠟改性瀝青的制備

1.2.1 費(fèi)托蠟改性劑制備改性瀝青

改性瀝青制備工藝采用簡(jiǎn)單攪拌，一次摻配進(jìn)行。

1.2.2 加工工藝參數(shù)的設(shè)定

通過(guò)離析試驗(yàn)和大量文獻(xiàn)已經(jīng)證明:費(fèi)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(jī)進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速設(shè)為400 r/min，時(shí)間設(shè)定為30分鐘。工藝簡(jiǎn)單，不需要特殊設(shè)備。

1.2.3 對(duì)改性劑分別進(jìn)行2%，3%，4%，5%的四種不同摻量的試驗(yàn)，其攪拌時(shí)間，轉(zhuǎn)速，加熱溫度條件不變。試驗(yàn)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(fèi)托蠟摻量的關(guān)系

2 費(fèi)托蠟改性劑對(duì)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(yàn)是一種用于測(cè)量瀝青膠結(jié)料稠度的簡(jiǎn)單方法。其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件為溫度25℃，荷重100 g，貫入時(shí)間5 s。計(jì)量單位0.1 mm。

按照J(rèn)TG 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(yàn)溫度條件下相同的基質(zhì)瀝青中摻入不同量的費(fèi)托蠟，針入度值跟原來(lái)相比均有所降低，表明費(fèi)托蠟改性劑能使瀝青的針入度減?。粡奈⒂^角度分析，這是因?yàn)闉r青質(zhì)平均分子質(zhì)量大于費(fèi)托蠟平均分子質(zhì)量，瀝青整體相位可以達(dá)到平衡，因此兩者相容性較好。分析相容性結(jié)果也可知，費(fèi)托蠟高溫熔融后在瀝青中分散均勻，費(fèi)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?？傊煌康馁M(fèi)托蠟改性摻入基質(zhì)瀝青中，針入度均降低，表明費(fèi)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(gè)或3個(gè)以上溫度條件下測(cè)定針入度后按照規(guī)定方法計(jì)算得到。由圖1計(jì)算出不同費(fèi)托蠟摻量下瀝青的針入度指數(shù)，由圖2統(tǒng)計(jì)看出當(dāng)費(fèi)托蠟摻量為3%時(shí)針入度指數(shù)最大，說(shuō)明此時(shí)的瀝青溫敏感性最低，表明費(fèi)托蠟的摻量對(duì)瀝青的溫敏感性有不同的影響。

3 費(fèi)托蠟改性劑對(duì)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(shí)，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(lái)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(kāi)時(shí)的長(zhǎng)度，以㎝計(jì)。對(duì)于延度指標(biāo)，各國(guó)學(xué)者、專(zhuān)家對(duì)其認(rèn)知看法不一，但目前還未有可替代的方法檢測(cè)。三大指標(biāo)之一的延度是對(duì)施工質(zhì)量有重大的影響，尤其在低溫條件下測(cè)延度。大量試驗(yàn)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(kāi)裂等病害與其密切相關(guān)。

按JTG E20-2011規(guī)范中10℃的方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖表一，可見(jiàn)費(fèi)托蠟改性劑的摻入使瀝青延度值顯著下降，且隨費(fèi)托蠟摻量增加瀝青延度逐漸下降。這是因?yàn)橘M(fèi)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(fèi)托蠟摻量的變化來(lái)看，費(fèi)托蠟對(duì)瀝青的低溫性能有不利影響。

4 費(fèi)托蠟改性劑對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

瀝青軟化點(diǎn)是瀝青達(dá)到規(guī)定條件黏度時(shí)的溫度，所以軟化點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)值隨采用不同儀器而異，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范試驗(yàn)采用環(huán)與球軟化點(diǎn)法。在瀝青中加入費(fèi)托蠟后低溫時(shí)會(huì)結(jié)晶，從微觀角度分析，費(fèi)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(dòng)阻力，宏觀上表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高，表明費(fèi)托蠟可顯著提升瀝青的高溫抗變形能力。

5 費(fèi)托蠟對(duì)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(shí)的彈性狀態(tài)到高溫時(shí)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(dòng)的度量，瀝青的粘滯性及隨溫度變化的規(guī)律常用黏度來(lái)評(píng)價(jià)。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(cè)目的來(lái)確定瀝青粘度。實(shí)際工程中加工或改性瀝青都是在較高溫度條件下進(jìn)行。因此，本研究采用較寬范圍的溫度，來(lái)測(cè)定費(fèi)托蠟該系瀝青的粘度，探究費(fèi)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(jìn)行瀝青粘度試樣 ，當(dāng)溫度低于90℃時(shí)，布氏黏度方法無(wú)法測(cè)出費(fèi)托蠟改性瀝青的黏度值。在90℃條件下費(fèi)托蠟并未完全熔融，此時(shí)費(fèi)托蠟改性瀝青的粘度值變化不能反映對(duì)瀝青流體動(dòng)力特性，當(dāng)溫度超過(guò)120℃時(shí)費(fèi)托蠟才能完全融于瀝青中，所以應(yīng)在135、165℃條件下探究費(fèi)托蠟對(duì)瀝青的降粘效果。測(cè)試結(jié)果如表3：

表3 3%摻量的費(fèi)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(fèi)托蠟改性瀝青的粘度是呈降低的趨勢(shì)。在90℃時(shí)，相比于基質(zhì)瀝青，費(fèi)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(chē)轍。費(fèi)托蠟改性瀝青的抵抗變形能力增強(qiáng)，抗車(chē)轍性能優(yōu)于普SBS改性瀝青，費(fèi)托蠟改性劑的摻入對(duì)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(yǔ)

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

(2)費(fèi)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(fèi)托蠟對(duì)瀝青的低溫性能略有不利影響。

(3)費(fèi)托蠟摻量對(duì)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(shí)針入度指數(shù)最大，此時(shí)的路用性能最佳。

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

(5)費(fèi)托蠟摻量為3%時(shí)，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(chē)轍；在135～165℃

時(shí)，黏度大幅度下降有利于施工。