SHA 對瀝青性能的影響

徐海峰，曹安貞，尹茂群

（1.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250001；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250014；3.菏澤市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，山東 菏澤 274000）

瀝青產(chǎn)品可以說在其他很多的道路材料結(jié)構(gòu)組合方式中能夠同時起到瀝青粘結(jié)劑的重要輔助支撐作用,所以提升瀝青產(chǎn)品本身的整體路用結(jié)構(gòu)性能同時也意味著對于整體提升瀝青路面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)強度、耐久性、穩(wěn)定性方面將能夠起到一個至關(guān)而最重要的作用。隨著當今我國城市公路交通的建設(shè)及水平提高,交通量壓力也日益在不斷增大,車輛也日趨大型化、重載化以及溝渠化作用,使得我國普通城市瀝青路面工程將面臨著的各種考驗也會是愈加嚴峻,傳統(tǒng)的瀝青路面在建成后不久便會出現(xiàn)譬如車轍、橫縱向裂縫、松散、擁包、坑槽等病害。

在此基礎(chǔ)上,我國開始廣泛采用SBS 改性瀝青為主的聚合物改性瀝青。SBS 改性瀝青可以通過有效措施改善瀝青制品的抗車轍能力,降低瀝青剝離強度和瀝青溫度敏感性,但是由于SBS 與基質(zhì)瀝青在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的巨大差異,導致其加熱剪切攪拌時相容困難。在車輛儲存與運輸車輛上由于其分子量、密度比等成分相差值過大,易發(fā)生離析,并且將會極大影響車輛瀝青路面水泥的使用長期性能。此外,TLA(特立尼達湖瀝青)具有優(yōu)良的改性性能,但是因為TLA 來源限制及進口價格高昂,制約了TLA 在國內(nèi)的發(fā)展應用,所以研發(fā)一種性能優(yōu)良且經(jīng)濟有效的瀝青材料意義重大。

1 煤瀝青與煤基瀝青(煤液化殘渣)

隨著國外煤的加氫或液化加工技術(shù)水平的持續(xù)進步,煤炭資源產(chǎn)品的可清潔與高效化和利用技術(shù)得到進一步提升。我國企業(yè)也率先在常規(guī)煤加氫直接或液化分離工藝基礎(chǔ)上成功發(fā)展完善了世界第三代的煤加氫液化深加工技術(shù)—煤重油的加氫與共煉液化工藝。煤的加氫及液化工藝技術(shù)就是一種指通過在具有高溫、高壓、催化劑和特殊溶劑條件環(huán)境下,將液態(tài)原煤組分進行氧化解聚、裂解與加氫,直接地轉(zhuǎn)化加工為優(yōu)質(zhì)液體油原料的化學加工過程[1]。但是由于現(xiàn)階段國家不管選擇采用的哪幾種原煤的直接固液化新工技術(shù),都是不可能全部實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)煤炭資源的100%循環(huán)利用,煤的加氫及直接固液化的工藝方式最終必然會大量產(chǎn)生的約有占到原煤量30%wt 以下的大量液化煤炭殘渣,這些煤液化的殘渣最終也就面臨著資源化處理技術(shù)成本比較高、難度很大、對當?shù)丨h(huán)境將造成較大潛在危害作用等嚴重問題。但是由于這類殘渣油中富含的大量的重質(zhì)油、瀝青質(zhì)等特殊物質(zhì),具有相對較高價值的可二次經(jīng)濟開發(fā)應用價值。

2 SHA 的化學組分與性質(zhì)

已有國外一些專業(yè)學者提出若依照煤炭行業(yè)標準,以索式溶劑階梯萃取法依次分別使用正己烷、甲苯、四氫呋喃作為溶劑萃取液混合后,其混合物各組分可依次分別可被細分為:重質(zhì)油、瀝青烯、前向瀝青烯及甲苯四氫呋喃混合物等四種不溶物[2]。

重質(zhì)油醚化合物(HS)是一類主要系指由在芳香環(huán)上存在及或在飽和的芳香環(huán)上還能存在被烷基所取代的2 環(huán)芳香～烴及少量3 環(huán)芳香烴取代而共同組成,有可能含極少量的烷基O、N 這兩個原子取代而所形成化合物的另一種雜環(huán)化合物。它將在瀝青SHA 中所占據(jù)的比重會逐步地增大,會導致改性瀝青中的瀝青針入度將逐步地增大下降的趨勢,軟化點會逐年地下降,延度增加,并且抗老化性能有所衰減。

瀝青烯醚衍生物(AS)在有機化合物分子組成排列方式特征上主要反映為有部分烷基環(huán)和部分取代基團存在的稠膠環(huán)芳烴型結(jié)構(gòu)及有部分氫化烷基鍵構(gòu)成的環(huán)狀芳烴型結(jié)構(gòu),有部分羥基鍵存在和部分烯醚鍵構(gòu)成以及還有一些少量的由O、N 型芳烴原子在環(huán)次基上結(jié)合所形成的雜環(huán),分子量也相對較HS 大高出許多。AS 的比重變化越大,瀝青中的針入度系數(shù)和壓延度均會明顯減小,瀝青會變較硬,軟化點升高。

前瀝青烯(PA 或THFS),其中含有了極大量的前瀝青質(zhì),由其元素含量進行分析對比后可以發(fā)現(xiàn)其中O、N 等的元素含量比例亦相應較高,說明由其形成后形成的雜環(huán)分子量更高[3]。不易或直接易與體內(nèi)任何的其他酸堿性物質(zhì)長期接觸易發(fā)生強酸堿反應,與基質(zhì)瀝青的相容性較好,將其摻入到瀝青中會改變原有的組分平衡,具體表現(xiàn)為瀝青變得剛硬,高低溫性能及疲勞性能受到影響[4]。

四氫呋喃類不溶物油(THFI)中含有了大量有害的金屬礦物質(zhì)鹽類及其他雜質(zhì),灰分含量已達了32.48%,與合成石油瀝青幾乎不相容。現(xiàn)有研究來看,THFI 是導致SHA 改性瀝青低溫性能較差的重要因素之一,這是因為THFI 與瀝青相容性較差,易與瀝青界面產(chǎn)生應力集中,增加了在低溫條件下瀝青的脆性和開裂的情況。

對SHA 進行灰分實驗,對生成的灰分進行成分分析發(fā)現(xiàn)灰分中主要含有Fe、Ca、S、Si、Al,這是因為煤中含有礦物質(zhì)元素,并且在液化過程中會加入鐵基催化劑及單質(zhì)硫助劑[5]。

通過對SHA 進行傅里葉變換紅外光譜儀進行官能團測試發(fā)現(xiàn),SHA 的的主官能團區(qū)特征峰主要出現(xiàn)在波數(shù)2920cm-1 和2850cm-1 處,說明SHA 具有一定量的飽和烴基,在3400cm-1 處也有特征峰,說明SHA 中含有一定量的烯烴和羧酸。

3 SHA 改性瀝青研究

本文試驗采用外摻法制備SHA 改性瀝青，基質(zhì)瀝青選用SK-90 瀝青，SHA 摻量為10%，經(jīng)過高速剪切機進行加熱剪切攪拌后制得SHA 改性瀝青，進行三大指標試驗及短期老化試驗，實驗結(jié)果見表1。

表1 SHA 改性瀝青與基質(zhì)瀝青性能對比

延度可以是表示一種瀝青制品在承受一定的溫度條件作用下具有的延展變形能力,延度指數(shù)越高說明一種瀝青產(chǎn)品的高溫延展性也越好,隨著瀝青SHA 摻合量的急劇增加,改性瀝青制品的高溫延度隨之急劇而下降,當摻料量比例超過了20%以上時瀝青產(chǎn)品失去其在低溫狀態(tài)情況下原有的低溫延展性能。

軟化點是表示了瀝青能在達到一定溫度負荷前提下完全軟化之前的最低溫度,軟化點的越高也說明該瀝青制品的長期高溫穩(wěn)定性會越好,SHA 助劑的大量加入能夠明顯地使高溫改性瀝青產(chǎn)品的瀝青軟化點迅速升高,并且以后有可能一直持續(xù)增加這樣的穩(wěn)定趨勢,這一點與瀝青SHA 軟化點要求極之高的物理化學性質(zhì)要求相符合,說明瀝青SHA 添加劑的適量加入確實能夠迅速有效穩(wěn)定的提升該瀝青品種的耐高溫性能。

針入度和延度的變化趨勢也可以明顯看出,隨著SHA 摻量增加,瀝青會逐漸變硬,高溫狀態(tài)下的流動性變差,這對于提升瀝青的高溫性能同樣是有利的。針入度的比就可以直接表示出瀝青本身的感溫性能和耐抗高溫老化性,針入度之比越大則說明了瀝青產(chǎn)品的高溫大氣穩(wěn)定性越好,耐高溫老化能力越強,SHA 摻量在20%以下時對改性瀝青的針入度比影響是先減小再增大,具體影響情況還需進行更加細化的試驗。

從我國現(xiàn)有材料研究結(jié)果來看,SHA 改性瀝青的部分材料相關(guān)各項指標完全可以同時滿足先行規(guī)范要求,并且都具有比較良好穩(wěn)定的高溫性能,但是低溫性能是其短板[6],還需進行大量深入的研究,減少SHA 對瀝青低溫性能造成的損失。鑒于SHA 改性瀝青本身具有較良好穩(wěn)定的防高溫性能,SHA 改性瀝青也更能適合大面積應用于城市夏季超高溫區(qū)屋面或者屋面作為混凝土瀝青面層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中屋面的中、下面層[7]。

4 總結(jié)

對于瀝青SHA 產(chǎn)品的產(chǎn)品性能和評價指標大多還是按照國家標準瀝青產(chǎn)品的性能試驗評價標準來進行分析測試,然而實際上在其他很多性能指標點的性能測定基礎(chǔ)上兩者具體的性能測定的區(qū)間卻并不能夠重合,比如按照國標瀝青軟化點的性能測定區(qū)間范圍是在30～到157℃,而瀝青SHA 產(chǎn)品依照現(xiàn)行國標規(guī)定采用環(huán)球法可測量得軟化點范圍最高的可達到180℃,因此國內(nèi)還仍需盡快進一步完善建立瀝青SHA 軟化點性能的試驗分析評定方法標準及性能測定方法標準等[6],按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)測得的針入度與延度值均為0。而且SHA 的樣品粒度同樣會對其相關(guān)實驗結(jié)果產(chǎn)生影響,使用研磨機粉碎SHA 顆粒時,由于其內(nèi)部溫度過高會導致SHA 熔融成團,粉碎效果不佳,后期仍需進一步改進試驗方法。

目前對于SHA 改性瀝青的研究和低溫性能的改進還具有一定的局限性,現(xiàn)有研究大多以部分種類的基質(zhì)瀝青制備的SHA 改性瀝青進行了相應的研究,且對于復配改性劑的選擇集中在道路工程中常規(guī)的改性劑,其他領(lǐng)域材料涉及較少。評價尺度不全面,大多研究僅依靠宏觀指標進行表征,對微觀層面涉及甚少。目前大多數(shù)學者認為SHA 以物理改性為主,改性機理不夠明確,后續(xù)可以對于SHA 化學改性的可能性展開研究。