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脱油沥青复合改性沥青的制备及性能研究

导读:制备了 DOA 复合改性沥青,并对其常规性能、流变性能和抗老化性能进行了试验研究。结果表明,一定范围内随着 DOA 掺量的增加,沥青软化点升高,针入度和延度减小,旋转粘度增大


返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-20 11:55【
国内外研究者通过加入改性剂对沥青改性,以提 高其综合路用性能。其中,SBS 是一种国内外都 广泛使用的改性剂,其可以同时改善沥青的高低温性 能、疲劳性能、抗开裂强度,显著提高路面的使用性能。但是会较大幅度地提高沥青结合料的成本。

脱油沥青(DOA) 是渣油溶剂脱沥青过程中的 副产物,主要含有胶质、沥青质及少量油分等组分, 其基本特征为针入度低、软 化 点 高、粘 度 大。 DOA 主要用来生产重质燃料油,还有少量 DOA 用 于调和生产道路沥青及建筑沥青、生产碳素材料 等。目前,我国每年产生的 DOA 达千万吨以上, 且产量还将继续增加。如果能将 DOA 大规模应用 于道路工程中,将产生巨大的经济及社会效益。

1 实验部分

1. 1 原料与仪器
选择 4 种脱油沥青,分别编号为 DOA1、DOA2、 DOA3 和 DOA4,基本性能指标见表 1;基质沥青为韩 国 SK-70#道路沥青,基本性能指标见表 2;YH-791H SBS 1301-1,线性结构,嵌段比 PS /PB =30 /70。
JA1000-PTX 电子天平秤;上海昌吉SYD-2801F 针入度试验器;SY-2D 恒温双数显测力沥青延伸度仪;SYD2806G 全自动沥青软化点试验仪;NDJ-1C 沥青布氏 旋转粘度试验仪;JL-LXB 沥青旋转薄膜烘箱;DHR-1 动态剪切流变仪;Netzsch-STA 449C 综合热分析仪。

1. 2 DOA 改性沥青制备
在 160 ~ 170 ℃ 的条件下,将 DOA(5% ,10% , 15% ,20% ,25% ,30% )和基质沥青搅拌混匀,使其 充分相容制得 DOA 改性沥青,考察 DOA 对沥青常 规性质的影响,并优选较佳的掺量;在此基础上掺入 一定量的 SBS,在180 ℃下高速剪切1 h,175 ℃下搅 拌发 育 2 h,提 前 30 min 加 入 稳 定 剂,即 可 制 得 DOA/SBS 复合改性沥青。

1. 3 性能表征与测试
常规性能指标 按照《公路工程沥青及沥 青混 合 料 试 验 规 范 ( JTGE 20—2011 )》T 0604— 2011,对沥青试样进行针入度、延度、软化点及旋转 粘度试验等。对沥青试样进行 RTFOT 试验,使其短期老化,测试 老化后试样的针入度及延度等指标,根据残留针入 度评价其抗老化性能。 DSC 两种不相容的物质混合,将会出现两 个玻璃化转变温度,而相容的物质混合,只有一个玻 璃化转变温度 Tg。以 DSC 测试改性沥青的 Tg,可以 知道 DOA 与基质沥青的相容性。Tg可以用来表征 高分子聚合物的低温性能,因此也可以用来评价改 性沥青的低温性能,Tg越大,其低温性能越差。

2 结果与讨论

2. 1 DOA 与基质沥青配比优选
可知,随着 DOA 掺量的增加,沥青的针 入度逐渐减小,稠度会变得较大,也就意味着沥青的 黏度也变大。且 DOA 掺量越大,影响更为突出。当 掺量为 30% 时,针入度仅为 35. 6 mm。DOA 的主要 成分是胶质、沥青质和少量油分,它属于硬沥青,因 此,基质沥青中加入 DOA 后会变硬,导致针入度 减小。沥青的软化点随着 DOA 掺量的增 加而增加,表明 DOA 对沥青的热稳定性有一定的影 响。随着 DOA 掺量的增加,沥青的热稳定性越好, 同时也反映出沥青粘度越高,这与针入度得出的结 论一致。DOA 是一种高软化点的硬沥青,与基质沥 青混合 后,其软化点随之升高。当 DOA 掺 量 为 20% 时,沥青软化点提高了 7. 7% 以上。,DOA 对沥青粘滞性具有较强的影 响。当温度相同时,掺入 DOA 后,沥青的旋转粘度 与基质沥青相比有升高趋势,随着 DOA 掺量的增 加,粘度也越大,且随温度的升高而降低。从图中还 可以看出,20% 的 DOA 改性沥青在 175 ℃时的粘度 为 119 mPa·s,相比基质沥青仅上升了 12 mPa·s, 说明掺入 DOA 不会明显提高混合料的拌和温度和 施工温度,有利于改性沥青与集料拌和均匀。综合考虑 DOA 掺量对沥青试验针入度、软化点、延度及旋转粘度的影响,并考虑经济性等原因, 本文选择 DOA 掺量为 20% 。

2. 2 DOA /SBS 复合改性沥青常规指标评价
为了更好地发挥 DOA 的优势,同时弥补只掺入 DOA 产生的弊端,可以考虑掺加 SBS 与其复合。本 文制备了20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青,测试其 常规性能指标SBS 的掺入导致 DOA 改性沥青的 针入度下降,软化点升高,延度增大,旋转粘度上升。 SBS 能有效增强 DOA 改性沥青的低温延性,还能进 一步提高其高温性能。同时,DOA/SBS 复合改性沥 青的各项性能指标基本满足 SBS 改性沥青的1-D 级 标准,表明其具有良好的路用性能。

2. 3 DOA 改性沥青流变性能分析
对 20% DOA 改性沥青、20% DOA + 3% SBS 复 合改性沥青、3% SBS 改性沥青及基质沥青和对应的 4 种 RTFOT 后残留沥青试样进行 DSR 试验,以车辙 因子 G* /sin δ 作为参考标准,剪切速率为10 rad /s。车辙因子 G* /sin δ 越大,表明沥青试样高温时 的流动变形越小,抗车辙性能和变形恢复性越好。 由表 4、表 5 可知,沥青的 G* /sin δ 都呈现随温度的 升高而减小的趋势。通过各沥青试样 G* /sin δ 的 比较,可以看出20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青的 G* /sin δ 最 大,其 次 是 3% SBS 改 性 沥 青 和 20% DOA 改 性 沥 青,而 基 质 沥 青 的 G* /sin δ 最 小, RTFOT后也是同样的规律。

2. 4 DOA 改性沥青抗老化性能分析
沥青材料的老化是指在行车荷载及温度、水、氧 气和阳光等因素的长时间作用下,沥青内部结构发 生不可逆变化,导致其路用性能劣化[12]。因此,沥 青的抗老化能力至关重要,本文评价了 RTFOT 后 4 种沥青的常规性能指标RTFOT 后沥青的针入度减小、延度降低,导致 沥青变硬且延展性下降。其组分变化表现为芳香分 减少,胶质和沥青质增加。可知,4 种沥青试 样在 RTFOT 后,其残留针入度比的大小排序为: 20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青 > 20% DOA 改性 沥青 > 3% SBS 改性沥青 > 基质沥青。残留针入度 比越大,则抗老化能力越好,这表明 DOA 的掺入能 有效改善沥青的抗老化性能。沥青老化主要是轻组 分的挥发、氧化等造成的,由于 DOA 中轻组分(芳 香分)含量很少,因此 DOA 改性沥青和 20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青具有优异的抗老化性能。

2. 5 DOA 改性沥青DSC分析
对沥青试样进行差示扫描量热(DSC)分析,温度 测定范围为 - 50 ~ 150 ℃,升温速率为10 ℃ /min,测 试气氛为氮气,明 DOA 与基质沥青已完全相容,成 为均相体系。掺入 DOA 后,沥青体系的吸热峰位置 略有不同,表明沥青组分的存在方式及比例发生了 变化。另一方面,相比于基质沥青,DOA 改性沥青 的 Tg升高,这说明 DOA 将导致沥青的低温性能降 低,与前文的评价结果相一致。

3 结论
(1) DOA 对沥青的常规性能影响明 显,随 着 DOA 掺量的增加,沥青软化点升高,针入度和延度 减小,旋转粘度增大。一定范围内掺入 DOA 有利于 提高沥青的高温性能,但低温延性有所下降。
(2)20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青能更好地 发挥 DOA 的优势,同时弥补只掺入 DOA 产生的弊 端。其各项性能指标基本满足 SBS 改性沥青1-D 级 标准,路用性能良好。
(3)沥青中掺入 DOA 或 SBS 后,车辙因子会增 大,其中以20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青的车辙 因子最大,表明其高温稳定性十分优异。
(4)沥青中掺入 DOA 后,残留针入度比增大, 其中以 20% DOA + 3% SBS 复合改性沥青的残留针 入度比最大,表明其抗老化性能优良。
(5)DOA 与基质沥青相容性良好,能形成均相 体系。DSC 试验进一步表明 DOA 将导致沥青体系 的低温性能降低。