復合改性炭瀝青穩(wěn)定性研究

陳 俊，李其祥，向東棟，高彥麗

（武漢科技大學煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點實驗室，湖北武漢，430081）

高等級公路對道路瀝青的使用性能提出了很高的要求，在石油瀝青中添加煤瀝青是改善道路瀝青性能的方法之一。煤瀝青和石油瀝青的組成結(jié)構(gòu)不同，其路用性能也有較大差異。煤瀝青對石料的黏附性能優(yōu)越，高溫流動性能好，但其存在低溫易脆、易老化、延展性較差等弱點；石油瀝青的黏彈性范圍較寬，抗老化性能好，但其對石料的黏附性能較差[1－2]。若將這兩種瀝青相混合，就可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，得到優(yōu)質(zhì)改性炭瀝青[3]。本文將兩種軟化劑分別摻入煤瀝青，制得軟化煤瀝青，再與石油瀝青混合，經(jīng)SBS改性后得到改性炭瀝青。通過四組分分析法、運用膠體不穩(wěn)定指數(shù)研究改性炭瀝青的穩(wěn)定性，以期為改性炭瀝青的研制提供依據(jù)。

1 原料

主要原料包括：煤瀝青（軟化點為80～90℃）、軟化劑1（碳氫原子比為1.49）、軟化劑2（碳氫原子比為1.45），均產(chǎn)自武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責任公司；SK－70石油瀝青（韓國SK公司）；YH791型SBS改性劑（燕山石化公司）；穩(wěn)定劑（湖北國創(chuàng)路面材料有限公司）。

2 試驗

按表1所示配比分別將軟化劑1和軟化劑2在一定溫度下與煤瀝青混合制得4種軟化煤瀝青。將4種軟化煤瀝青分別按10%、15%、18%、20%、22%和25%的比例（質(zhì)量分數(shù)）與石油瀝青共混，并加入SBS后制得4個系列共24種改性炭瀝青樣品。

表1 軟化煤瀝青的原料配比Table 1 Mixture ratio of softening coal－tar pitch

根據(jù)JTJ052 T0618—1993瀝青化學組分試驗（四組分法）對原料和改性炭瀝青進行組分分析，測定其飽和分（S）、芳香分（Ar）、膠質(zhì)（R）和瀝青質(zhì)（As）的含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 原料四組分分析

表2 原料四組分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of four components of raw materials

原料四組分分析結(jié)果如表2所示。SBS是聚苯乙烯和聚丁二烯嵌段共聚物，本文假定SBS的聚苯乙烯段為芳香分，聚丁二烯段為飽和分，其他組分含量為0[4]。

由表2可見，在5種原料中，石油瀝青和SBS含有飽和分，而煤瀝青、軟化劑1和軟化劑2均不含飽和分；軟化劑1的芳香分和膠質(zhì)含量均低于軟化劑2，而瀝青質(zhì)含量遠遠高于軟化劑2；煤瀝青中芳香分和膠質(zhì)含量較低，瀝青質(zhì)含量較高。

3.2 改性炭瀝青四組分分析

改性炭瀝青樣品的四組分分析結(jié)果如表3所示，為了進行對比分析，表中還列出改性石油瀝青的四組分分析數(shù)據(jù)，改性石油瀝青是由石油瀝青經(jīng)SBS改性制得，其中未摻加軟化煤瀝青。由表3可見，改性炭瀝青樣品的飽和分含量為6.88%～8.23%，低于改性石油瀝青的8.93%；其芳香分含量為36.72%～44.54%，低于改性石油瀝青的45.00%；其膠質(zhì)含量為29.93%～34.17%，低于改性石油瀝青的34.74%；其瀝青質(zhì)含量為13.07%～26.46%，高于改性石油瀝青的11.33%。

從表3中還可以看出，4個系列改性炭瀝青樣品的飽和分、芳香分和膠質(zhì)含量均隨軟化煤瀝青添加比例的提高而減少，其瀝青質(zhì)含量則隨軟化煤瀝青添加比例的提高而增加。

表3 改性炭瀝青四組分分析結(jié)果Table 3 Analysis results of four components of modified anthraxolite

隨著軟化煤瀝青添加比例的提高，4個系列改性炭瀝青樣品的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量之和也在增加。瀝青中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量之和越高，其黏度就越大[5]，因此，隨著軟化煤瀝青添加比例的提高，所制改性炭瀝青的黏度會相應增大，其黏結(jié)性能、穩(wěn)定性和路用耐久性也會更好。

由于軟化劑1、軟化劑2和煤瀝青中的飽和分含量均為0，因此在軟化煤瀝青添加比例相同的條件下，4個系列改性炭瀝青樣品的飽和分含量差別不大。石油瀝青在加入軟化煤瀝青后，其飽和分被“稀釋”[6]，軟化煤瀝青添加比例越高，這種“稀釋”作用越明顯，因此4個系列改性炭瀝青樣品的飽和分含量隨軟化煤瀝青添加比例的提高而減少。

軟化劑1的芳香分和膠質(zhì)含量明顯低于軟化劑2，而其瀝青質(zhì)含量則遠遠高于軟化劑2，因此，與添加軟化劑1的A、B兩個系列改性炭瀝青相比，添加軟化劑2的C、D兩個系列改性炭瀝青的芳香分和膠質(zhì)含量較高、瀝青質(zhì)含量較低。

在瀝青體系中，當飽和分含量為5%～25%、芳香分含量為30%～50%、膠質(zhì)含量為20%～40%、瀝青質(zhì)含量為6%～25%時，該體系比較穩(wěn)定[7]。本研究所制改性炭瀝青各組分含量基本上處于上述范圍內(nèi)，表明改性炭瀝青的組分分布是合理的。

3.3 膠體不穩(wěn)定指數(shù)分析

瀝青中飽和分和瀝青質(zhì)質(zhì)量之和與芳香分和膠質(zhì)質(zhì)量之和的比值，即膠體不穩(wěn)定指數(shù)IC，是評價瀝青膠體體系穩(wěn)定性的指標之一。一般情況下，瀝青的膠體不穩(wěn)定指數(shù)越小，表明其中的瀝青質(zhì)更容易分散為較小的膠束而形成黏滯體系，這種分散體系的穩(wěn)定性較好；反之，則表明瀝青體系中膠質(zhì)和芳香分的含量較少，瀝青質(zhì)容易形成彈性的絮凝體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種體系的穩(wěn)定性較差[7]。

4個系列改性炭瀝青樣品的IC值與軟化煤瀝青添加比例的關系如圖1所示。由圖1可見，隨著軟化煤瀝青添加比例的提高，A、B系列改性炭瀝青的IC值增大趨勢明顯，而C、D系列改性炭瀝青的IC值增大幅度較小。這表明C、D系列改性炭瀝青的膠體穩(wěn)定性優(yōu)于A、B系列改性炭瀝青。在軟化煤瀝青添加比例相同的條件下，各系列改性炭瀝青IC值由大至小的順序為A＞B＞C＞D，表明軟化煤瀝青中軟化劑比例（D＞C＞B＞A）越高，其制得的改性炭瀝青膠體穩(wěn)定程度越好。IC值的大小與瀝青抗老化性能的優(yōu)劣具有良好的相關性，且IC值越小，瀝青的抗老化性能越好[8－9]。因此，適量添加軟化煤瀝青將提高改性瀝青的抗老化能力。本試驗所制改性炭瀝青樣品的IC值均低于文獻[8－10]中的相應數(shù)值，表明其膠體體系較穩(wěn)定，可以預見，改性炭瀝青具有較好的抗老化性能和存儲穩(wěn)定性。

圖1 軟化煤瀝青添加比例與膠體不穩(wěn)定指數(shù)的關系Fig.1 Relationship between the ratio of softening coal－tar pitch and colloid instable index

4 結(jié)論

（1）所制改性炭瀝青的飽和分含量為6.88%～8.23%，芳香分含量為36.72%～44.54%，膠質(zhì)含量為2 9.9 3%～3 4.1 7%，瀝青質(zhì)含量為13.07%～26.46%，各組分含量分布合理。

（2）4個系列改性炭瀝青樣品的IC值均較低，膠體體系較穩(wěn)定，從而有利于改善其抗老化性和存儲穩(wěn)定性。

（3）添加軟化劑2的C、D系列改性炭瀝青的膠體穩(wěn)定程度優(yōu)于添加軟化劑1的A、B系列改性炭瀝青，其中D系列改性炭瀝青的膠體穩(wěn)定性最好。

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