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有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著環境問題的日益嚴峻和人們對生存質量要求的不斷提升，綠色環保型路面成為公路事業發展的新趨勢。鑒于熱拌瀝青混合料高能耗、高污染的弊端，溫拌技術的發展可謂方興未艾，且以有機降黏型溫拌技術最為典型[1]。該技術的實現主要是通過向瀝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芳香分和飽和分，高溫時蠟基材料不僅可降低分散介質的黏度，還可影響瀝青質和膠質的締合作用，增強體系流動性，使得瀝青由膠體結構向溶膠方向轉變[2]。低溫時蠟基類材料可結晶析出，形成網絡結構，促使瀝青體系向凝膠型轉變[3]。

一直以來，瀝青中的蠟分被認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，但會影響高溫穩定性，增加感溫性；低溫時減小應力松弛性能，造成瀝青低溫下發脆、易開裂。不僅如此，蠟分會減弱瀝青與集料間的親和力，破壞黏結力使水穩定性變差。鑒于蠟對瀝青的感溫性、黏結力和水穩定性均有較大影響，為此我國道路石油瀝青標準中對蠟含量有著嚴格的限制。瀝青中的蠟品種復雜，從微晶蠟、地蠟到石蠟均有涉及，熔點從30 ℃～100 ℃不等[4]，且蠟的含量、類型、及蠟在瀝青中的結晶狀態等均會對瀝青性能產生影響[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，但三者分子結構的不同導致對瀝青性能影響存在較大差異。F-T 蠟是煤采用F-T工藝進行氣化的產物之一，主要為含有37-115 個碳原子的長鏈脂肪烴類碳氫化合物[6-8]；PE 蠟為PE生產過程中的部分副產物，主要為14-70 個碳原子的乙烯齊聚反應產物。為考察F-T 蠟和PE 蠟對瀝青性能的影響規律，本文將不同摻加量的兩種蠟基改性劑分別添加到90 號瀝青中進行性能分析，得出兩者的影響規律，以期為蠟基類溫拌改性劑產品的升級和應用提供參考。

1 F-T 蠟和PE 蠟性能分析

1.1 原材料

試驗用瀝青采用殼牌90 號基質瀝青，PE 蠟購自山東青島賽諾公司，F-T 蠟為德國Sasol Wax 公司的Sasobit 產品。

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

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 蠟的熱解主要發生在175 ℃～490 ℃的溫度區間內，熱解區間較寬這是由于PE 蠟中含有較多不同分子量的輕質組分所致，當達到 490 ℃時，PE 蠟質量損失已達到94.28%，可認為此時熱解已結束。PE 蠟的熱解過程分為兩部分，最大失重速率分別發生在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，熱解行為主要發生在261 ℃～476 ℃溫度范圍內，到476 ℃時質量損失達到98.04%，可以認為熱解過程已完成。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量的1.5%和3%。改性瀝青制備工藝：先將基質瀝青加熱為流動狀態，而后向其內分別加入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 瀝青三大指標性能分析

表1 瀝青主要性能指標

三大指標性能可知，整體上兩種蠟的加入均使得瀝青軟化點升高、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-T 蠟的該種效果強于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律，研究中采用布洛克菲爾德黏度計旋轉法測定上述瀝青在不同溫度下的表觀黏度。瀝青的黏度結果見表2。

研究范圍內，F-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，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 蠟熔點時，F-T 蠟可在瀝青中形成網狀晶體結構，由此使得體系黏度增加顯著。當溫度高于115 ℃，F-T 蠟的降黏作用開始凸顯，黏度迅速降低。

根據黏溫曲線的關系，對黏度取雙對數，對溫度取對數，對上述瀝青進行直線回歸，回歸方程見表3。

表3 不同瀝青的黏溫方程[10]

t 為試驗溫度，℃；η 為黏度，cp。

按照回歸的黏溫關系，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 時的壓實溫度，具體結果見表4。

表4 不同瀝青的拌和與壓實溫度 ℃

由表4 結果可見，兩種蠟基改性劑對基質瀝青的溫拌效果相當有限，并不能顯著降低基質瀝青的拌和與壓實溫度。

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）評價瀝青結合料的低溫開裂性能[11]。為進一步考察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行流變測試和蠕變勁度測試。

2.3.1 動態剪切流變結果

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，并有學者證實其可與瀝青混合料的抗車轍性能建立定性聯系。本文采用60 ℃時車轍因子對不同瀝青材料的高溫性能進行評價。

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

表5 不同瀝青60 ℃時的流變參數結果

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

2.3.2 彎曲梁流變結果

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

表6 不同瀝青BBR 測試結果

表6 結果顯示，-12 ℃時5 種瀝青的BBR 測試結果均滿足要求，-18 ℃時結果均不完全滿足要求，即上述瀝青能夠滿足最低溫度為-22 ℃以上區域的低溫鋪筑要求，不能用于最低溫度為-28 ℃附近區域的路面鋪筑。從測試結果來看，兩種蠟基改性劑的加入使S 增大、m 減小，表現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生開裂。

為更直觀地對瀝青的低溫性能進行評價，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 隨溫度變化關系

3 結論

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

b）TG-DTG 結果顯示，F-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組分含量少于PE 蠟。

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

d）DSR 結果顯示，F-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于PE 蠟。

e）BBR 結果顯示，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生開裂的概率。綜合看來，F-T 蠟對瀝青綜合性能的改善優于PE 蠟。