為了改善瀝青混合料的路用性能,學(xué)者多從瀝青膠結(jié)料角度開展瀝青改性研究,通過降低瀝青針入度、提高軟化點和黏度等指標(biāo)來保障瀝青的黏附力和黏聚力。硬瀝青是一種特殊的改性劑,主要包括天然產(chǎn)出的巖瀝青、湖瀝青、石化行業(yè)的溶劑脫瀝青及其經(jīng)調(diào)和制備而成的硬瀝青[3-4]以及煤化工中以煤直接液化工藝減壓塔底餾出物為原料生產(chǎn)的瀝青類物質(zhì)[5]。這些硬瀝青軟化點多高于100℃,常溫下為固體狀,針入度一般小于1mm;其材料組成與石油瀝青相近,除含有機不溶物外,還富含瀝青質(zhì)以及含量不等的膠質(zhì)、飽和分和芳香分等,這種特點決定了其易與石油瀝青混溶,可以通過調(diào)整瀝青的組成達到瀝青改性的效果。天然瀝青和石油化工生產(chǎn)的硬瀝青可以顯著提高瀝青稠度、降低針入度和提升軟化點,但往往會帶來瀝青延展性能衰減的問題,目前多用于普通瀝青混合料或?qū)Φ蜏匦阅芤蟛桓叩臑r青路面中。隨著以高模量瀝青混合料為代表的新型、高性能混合料的發(fā)展,低針入度等級(25℃針入度小于2.5mm)的瀝青和改性瀝青成為了研究熱點,傳統(tǒng)改性瀝青已經(jīng)不能滿足混合料要求。為解決硬瀝青單純改性瀝青低溫性能不良的問題,很多學(xué)者采用硬瀝青與SBS瀝青復(fù)合改性的方式,試圖借助SBS改性劑的綜合性能優(yōu)勢、硬瀝青的高溫性能優(yōu)勢,賦予改性瀝青更好的高溫性能和低溫性能,并發(fā)揮硬瀝青改性劑的價格優(yōu)勢,提高瀝青的性價比。李璐等研究了脫瀝青(DOA)-SBS復(fù)合改性瀝青混合料的性能,認(rèn)為單純摻入DOA對混合料的低溫抗裂性、疲勞性能和水穩(wěn)定性有不利影響,與SBS復(fù)合后則可以改善混合料的上述性能,且能有效降低成本。黃剛等采用天然巖瀝青與SBS改性劑復(fù)合改性制備高黏瀝青,發(fā)現(xiàn)針入度和延度受巖瀝青摻量影響較大,并得到了天然巖瀝青與SBS改性劑的最佳配比。魏建明等研究發(fā)現(xiàn)用煤基硬瀝青單獨改性瀝青時會面臨低溫性能差、相容性不足、分散不均勻等問題,還需要探索其他復(fù)合改性技術(shù)。本文以天然硬瀝青、煤基硬瀝青為原料,通過與SBS瀝青進行復(fù)合改性,研究不同硬瀝青及摻量對復(fù)合改性瀝青性能的影響,探討復(fù)合改性效果與硬瀝青的物質(zhì)組成關(guān)系,以期為復(fù)合改性瀝青材料的研發(fā)提供參考。1試驗部分1.1材料與儀器(1)硬瀝青改性劑。煤基硬瀝青1種、天然硬瀝青3種。其中,煤基超硬質(zhì)瀝青(SHA)由中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司提供;天然巖瀝青ARA來源于阿爾巴尼亞,天然巖瀝青QRA取自我國四川青川縣,天然巖瀝青XRA取自我國新疆烏爾禾區(qū);上述硬瀝青改性劑均為固體顆粒狀。4種硬瀝青改性劑的物理指標(biāo)見表1。表14種硬瀝青改性劑的物理指標(biāo)Table1Physicalpropertyoffourtypesofhardasphaltmodifiers(2)SBS改性瀝青。這是復(fù)合改性瀝青用基礎(chǔ)瀝青,1-D級,實驗室自制。(3)助溶劑。促進硬瀝青改性劑在基礎(chǔ)瀝青中的溶解,實驗室自制。(4)儀器。電熱恒溫干燥箱(YLAG2000型),濰坊精鷹醫(yī)療器械有限公司;電動攪拌器(R50型),上海弗魯克公司;高速剪切機(Fluko-FA25型),上海弗魯克公司;數(shù)顯式瀝青針入度測定儀(WSY-026型)、數(shù)顯式瀝青軟化點測定儀(WSY-025型)、瀝青延度測定儀(LYY-10A-CL型)、瀝青黏度測定儀(WSY-049B型)、瀝青薄膜烘箱(82-A型),無錫石油儀器設(shè)備有限公司;動態(tài)剪切流變儀(AR2000EX型),美國TA公司;彎曲梁流變儀(TE-BBR),美國凱能儀器公司;壓力老化箱(PAV9500E),香港歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司。1.2樣品制備4種硬瀝青復(fù)合改性瀝青均以SBS改性瀝青為基礎(chǔ)瀝青。稱取一定量的SBS改性瀝青,采用電熱恒溫干燥箱加熱熔化,分別添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硬瀝青改性劑,并按照其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的40%添加助溶劑;采用電動攪拌器在(180±5)℃下攪拌45min,使其充分混合;采用高速剪切機進行剪切混溶,轉(zhuǎn)速為5000r/min,在(180±5)℃下剪切60min,即制得硬瀝青與SBS復(fù)合改性瀝青。1.3樣品測試(1)常規(guī)檢測。按照J(rèn)TGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[12]檢測改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)。采用電熱恒溫干燥箱、數(shù)顯式瀝青針入度測定儀、數(shù)顯式瀝青軟化點測定儀、瀝青延度測定儀、瀝青黏度測定儀、瀝青薄膜烘箱分別對樣品的存儲穩(wěn)定性、針入度、軟化點、延度、黏度、老化殘留物指標(biāo)等進行測試。(2)PG性能分級。按照J(rèn)TGE20-2011中的PG性能分級程序[12],使用壓力老化箱、動態(tài)剪切流變儀、彎曲梁流變儀對樣品進行老化和測試,得到樣品的高溫、低溫等級。2結(jié)果與討論2.1常規(guī)指標(biāo)分析根據(jù)樣品測試結(jié)果繪制復(fù)合改性瀝青各項常規(guī)指標(biāo)隨硬瀝青摻量的變化關(guān)系圖(見圖1)。由圖1可知,對于不同硬瀝青而言,其摻量對復(fù)合改性瀝青的大部分常規(guī)指標(biāo)存在單調(diào)變化關(guān)系,如針入度、軟化點、10℃延度、135℃黏度、質(zhì)量變化和離析軟化點差等,而殘留針入度比則在硬瀝青高摻量階段有一定波動。對線性單調(diào)變化的數(shù)據(jù)進行線性擬合,結(jié)果見表2。由表2可知,擬合方程決定系數(shù)R2普遍較大,說明硬瀝青對復(fù)合改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)存在線性關(guān)系。圖1硬瀝青改性劑摻量對復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的影響Fig.1Effectofhardasphaltmodifierdosageonconventionalperformanceofcompositemodifiedasphalt

復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)對硬瀝青改性劑的敏感性見圖2。表2復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)與摻量的擬合方程Table2Fittingequationforconventionalperformancewithmodifierdosageforcompositemodifiedasphalt圖2復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)對硬瀝青改性劑的敏感性Fig.2Sensitivityofconventionalperformanceofcompositemodifiedasphalttohardasphaltmodifiers結(jié)合圖1、表2、圖2可知:a.復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能與SBS基礎(chǔ)瀝青性能緊密相關(guān)。表2中擬合方程的截距系數(shù)對應(yīng)SBS基礎(chǔ)瀝青的物理指標(biāo),說明線性變化規(guī)律是可以預(yù)測的。試驗中,SHA、ARA分別采用了不同的SBS基礎(chǔ)瀝青,QRA、XRA采用同一種SBS基礎(chǔ)瀝青,3種SBS基礎(chǔ)瀝青的物理指標(biāo)存在差異,導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)也發(fā)生了變化。因此,采用硬瀝青作為改性劑時,改變基礎(chǔ)瀝青會帶來不同的改性效果。b.不同硬瀝青改性劑對復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的改善能力不同。表2中擬合方程的斜率代表常規(guī)指標(biāo)對摻量的敏感性,根據(jù)斜率可以看出對比效果。由圖2可知,在針入度指標(biāo)的改善能力上,硬瀝青的斜率均為負(fù)值,QRA、XRA、SHA、ARA斜率絕對值依次降低,說明QRA對針入度的改善最為顯著。在圖1(a)中,較低的改性劑摻量即能使復(fù)合瀝青針入度降至3mm以下。在軟化點和高溫黏度改善方面,4種硬瀝青的斜率存在明顯差別,具有不同的改善效果。不同硬瀝青展現(xiàn)了不同的常規(guī)指標(biāo)改善能力,其中,QRA的改善能力最強,ARA的改善能力最弱。QRA、XRA、SHA、ARA的擬合方程斜率平均值分別為1.7608、0.8128、0.6302、0.2288,說明其對復(fù)合改性瀝青的改善能力依次降低,改善能力差異與硬瀝青的物質(zhì)組成有關(guān)。c.硬瀝青改性劑在對復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的影響敏感度上存在一致性,影響最為顯著的指標(biāo)為延度、針入度,軟化點和黏度次之。在圖2中,針入度、延度、質(zhì)量變化的斜率均為負(fù)值,說明提高硬瀝青摻量會降低這些指標(biāo)值,而延度的斜率變化絕對值在所有指標(biāo)中最大,說明硬瀝青摻量的提高對復(fù)合改性瀝青的延展性能不利。在圖1(c)中,QRA摻量為7.5%時,延度降至10cm以下;XRA摻量為18%時,延度也降至10cm以下;由此表明,硬瀝青摻量不能過高,否則盡管針入度降低、軟化點和黏度升高,但延展性能會喪失得更快。d.不同復(fù)合瀝青老化性能存在差別。在瀝青短期老化模擬試驗中,溫度為163℃,老化時長為5h,采用質(zhì)量變化、殘留針入度比兩個指標(biāo)進行分析。瀝青老化是瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)、瀝青暴露在空氣中的氧化過程共同造成的[13]。在圖1(e)中,QRA復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量變化為正值,說明瀝青老化過程中以質(zhì)量損失為主,而其他3種硬瀝青質(zhì)量變化為負(fù)值,說明其老化過程中輕質(zhì)組分揮發(fā)程度不高,對瀝青老化有一定的抑制作用。不同硬瀝青改性劑摻量對復(fù)合瀝青殘留針入度比的影響見圖3。由圖3可知,QRA、XRA的殘留針入度比在90%左右波動,但是變化幅度不大,在排除試驗誤差的情況下,可以認(rèn)為兩者對殘留針入度比的影響不大;SHA、ARA的殘留針入度比隨著硬瀝青摻量的升高而降低,在硬瀝青摻量達到10%后趨于穩(wěn)定,由此說明QRA、XRA在抗老化性能上比SHA、ARA更優(yōu)。圖3不同硬瀝青改性劑摻量對復(fù)合瀝青殘留針入度比的影響Fig.3Effectofhardasphaltmodifiersdosageontheratioofresidualneedlepenetrationofcompositeasphalt2.2PG性能等級依據(jù)瀝青的路用性能對其PG性能等級進行劃分。利用動態(tài)剪切流變儀測量瀝青的車轍因子、疲勞因子,利用低溫彎曲梁流變儀測量瀝青的低溫蠕變性能,據(jù)此判斷瀝青的高溫溫度等級和低溫溫度等級(規(guī)范規(guī)定6℃為一個等級間隔);高、低溫溫度范圍越寬表明瀝青的使用溫度范圍越大,性能越優(yōu)[14]。本研究得到的不同復(fù)合改性瀝青PG性能等級見圖4。由圖4可知:隨著硬瀝青摻量的升高,高溫等級逐漸升高,低溫等級逐漸降低,這和常規(guī)指標(biāo)的變化規(guī)律是一致的。QRA摻量在2.5%、XRA摻量在8%、SHA摻量在3.6%、ARA摻量在11%時,復(fù)合改性瀝青的PG等級可以達到PG82-22,表明瀝青在-22～82℃溫度范圍內(nèi)的物理性能可以滿足普通瀝青混合料的路用要求,也能滿足一些高模量瀝青混凝土的瀝青膠結(jié)料要求。但QRA摻量在5%、XRA摻量在13%、SHA摻量在18%、ARA摻量在18%之后,復(fù)合改性瀝青的低溫等級變?yōu)?16℃,這對瀝青混合料低溫性能不利。因此,以SBS瀝青為基礎(chǔ)的復(fù)合改性瀝青中,硬瀝青的摻量應(yīng)加以嚴(yán)格控制,否則會導(dǎo)致性價比下降。圖4不同復(fù)合改性瀝青PG性能等級對比Fig.4PG(performancegrade)comparisonofdifferentcompositemodifiedasphalts2.3硬瀝青組成與復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的關(guān)系結(jié)合表1可以得到常規(guī)指標(biāo)變化斜率與硬瀝青組分的相關(guān)性系數(shù)R(見表3),據(jù)此定性分析硬瀝青組成與復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的關(guān)系。由表3可知,在復(fù)合改性過程中,硬瀝青中有機不溶物含量對復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的影響很小,其他4種組分含量的影響更為顯著。瀝青質(zhì)含量可以顯著影響針入度、延度、黏度和老化過程中的質(zhì)量變化,其與黏度、離析軟化點差和質(zhì)量變化呈正相關(guān),與延度、針入度呈負(fù)相關(guān);QRA中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.1%,在4種硬瀝青中最高,對復(fù)合改性瀝青的影響最大。芳香分、飽和分作為油分,可以軟化瀝青質(zhì)和膠質(zhì),提高瀝青分散介質(zhì)的芳香度,使瀝青膠體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[15],因此其含量越高對復(fù)合改性瀝青的存儲穩(wěn)定性越有利(離析軟化點差越小)。ARA中芳香分、飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.4%、11.0%,在4種硬瀝青中最高,表現(xiàn)出了更好的存儲穩(wěn)定性,離析軟化點差在試驗摻量范圍內(nèi)小于0.6℃。瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的總含量越高,軟化點越高,故不同硬瀝青對于復(fù)合瀝青的軟化點改善效果不同。表3硬瀝青組成與復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)變化斜率的相關(guān)性系數(shù)Table3Thecorrelationfactoroftheslopeofcompositemodifiedasphaltperformancechangedwithcomponentsofhardasphalt3結(jié)論a.不同硬瀝青改性劑對復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的改善能力不同。對于降低針入度、提升軟化點和黏度等常規(guī)指標(biāo)方面,QRA、XRA、SHA、ARA對復(fù)合改性瀝青的改善能力依次降低。同時老化試驗結(jié)果表明,QRA、XRA比SHA、ARA有更好的耐老化