探究改性沥青最佳制备工艺

　　

探究改性沥青最佳制备工艺

李金勇

中海沥青股份有限公司

摘要

本研究采用胶粉、SBS、聚丙烯纤维对基质沥青进行改性，通过温度梯度法确定最佳的改性温度，通过测试软化点、延度、针入度来探究物化性质的影响。研究结果表明：三种改性剂对基质沥青都具有良好的改性效果；最佳改性温度大小顺序为聚丙烯纤＞SBS≥胶粉；高温性能（提升软化点）改善能力：SBS＞胶粉＞聚丙烯纤维。

关键词：基质沥青；改性沥青；SBS；胶粉；聚丙烯纤维

Abstract

This study modified the base asphalt with rubber powder, SBS, and polypropylene fibers. The optimal modification temperature was determined by the temperature gradient method, and the effects on physical and chemical properties were investigated by testing the softening point, ductility, and penetration. The research results show that all three modifiers have good modification effects on the base asphalt; the order of the optimal modification temperature from high to low is polypropylene fiber>SBS≥rubber powder; the ability to improve high-temperature performance (increase the softening point) is SBS>rubber powder>polypropylene fiber.

Key words: Base asphalt; Modified asphalt; SBS; Rubber powder; Polypropylene fiber

引言

基质沥青^[1]是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物。在应用功能上具有良好的粘结性、耐水性和耐久性，在经济上具有成本低廉、维护简易的优点，在材料来源上非常的广泛且容易得到，因此一经发现便被广泛应用在道路建设、防水防腐、建筑材料等领域。然而，在应用过程中发现基质沥青存在很多缺陷，比如温度稳定性差、抗老化能力弱、耐水性不足、抗疲劳性能有限等。

在后来的研究中为弥补这些缺陷，基质沥青中添加改性剂通过不同的生产工艺生产改性沥青，将沥青的抗高温、抗老化等性能大幅度提升。在众多改性材料中，高分子聚合材料应用最广泛。最终研究结果表明，高分子聚合材料对基质沥青的改性作用明显。虽然在沥青性能上，自身的缺陷得到了很好的解决，但是又产生了另外的问题，那就是生产成本、能耗等居高不下，这使得改性沥青市场受到了一定的制约，所以选择最佳的改性温度，对降低改性沥青的生产成本，就有非常重要的意义。

本研究选取胶粉^[2]、SBS^[3]和聚丙烯纤维^[4]这三种常见改性剂，探究其在不同温度下对沥青的相容性及改性对沥青的高温稳定性（软化点提升）及低温抗裂性的改善效果，具有重要实践与理论价值。其结果直接服务于工程选材与工艺优化，针对不同气候与荷载条件筛选最适配的改性剂并确定高效节能的改性温度，降低生产成本；量化评估各改性剂提升沥青软化点与低温抗裂性的能力，为开发耐高温车辙、抗低温开裂的高性能改性沥青提供关键依据，从而显著提升路面服役性能与使用寿命；同时为改性剂的科学应用提供数据支撑，避免资源浪费，并深化对改性机理的理解，为开发新型沥青材料、推动行业技术进步奠定基础。

1 实验概况

1.1 实验原料

实验所用实验对象为某油田原油生产的90#沥青为基质沥青，物化性质见检测表1-1。

表1-1 90#基质沥青检测结果

Tab.1-1 Test results of 90# base asphalt

检测项目	结果	检验方法
针入度（25℃，100g，5s）／（0.1mm）	89	T0604
软化点/℃	48	T0606
延度（5cm/min，15℃）/cm	>100	T0605
闪点（开口）/℃	236℃	T0611
蜡含量（蒸馏法）%	2.1	T0615
溶解度（三氯乙烯）%	99.6	T0607
密度（15℃）/（g／cm3 ）	1.02	T0603
TFOT老化%	0.4	T0609
60℃动力粘度／（Pa·s）	165	T0620

实验中采用的胶粉是用废旧橡胶轮胎通过一定的方法制成的黑色粉末状物质，具有较高的柔韧性，吸附性较强，具有良好的耐磨性、抗老化性和防水性。实验中采用的SBS，具有耐水、耐酸碱的特性，具有优秀的拉伸强度，低温性能优越，有效提高基质沥青的各项性能。实验中采用的束状单丝聚丙烯纤维，具有质量轻、强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀的特性，能够与沥青紧密结合，有效提高抗裂性和高温稳定性。

1.2 改性沥青样品制备

1.3 制备胶粉改性沥青

①分别向实验器皿（编号A1~A5）中加入基质沥青500g加热搅拌至150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃；②分别加入胶粉50g，搅拌60min后，剪切30min③剪切结束后保持温度发育2h，得到样品A1~A5。

1.4 制备SBS改性沥青

①分别向实验器皿（编号B1~B5）中加入基质沥青500g加热搅拌至150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃；②分别加入SBS15g，搅拌60min后，剪切30min③剪切结束后保持温度发育2h，得到样品B1~B5。

1.5 制备聚丙烯纤维改性沥青

①分别向实验器皿（编号B1~B5）中加入基质沥青500g加热搅拌至150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃；②分别加入聚丙烯纤维15g，搅拌60min后，剪切30min③剪切结束后保持温度发育2h，得到样品B1~B5。

1.6 两种改性沥青的性能测试

（1）软化点。软化点是评价沥青在升温条件下抵抗变形能力的重要指标，常见的测试方法主要有两种：环球法和维卡软化点法。本实验采用的方法是环球法[5]。

测试步骤：①将熔化的样品注入铜环（内径15.88mm，高6.35mm），冷却后刮平表面；②将铜环水平放置在支架上，球（直径9.53mm。质量3.5g）放置在样品中心；③通电，以5℃/min速率均匀加热介质（甘油），直至小球穿透样品下坠与底板接触时，记录温度，平行测试两次，取温度平均值即为软化点，若两次温度偏差超1℃则数据作废，重新测试。

（2）延度。延度是评价沥青在特定条件下拉伸至断裂时的塑性变形能力的重要方法^[6]。

测试步骤：①涂甘油-滑石粉混合物，防止沥青粘连；②将熔化的样品缓慢注入模具，过程要均匀，避免产生气泡影响结果；③室温冷却30min后，将其转移至15℃恒温水槽中养护1h；④将样品两端固定在延度仪的移动板和固定板上，确保无应力；⑤启动，以5cm/min速度拉伸，观察样品延伸情况；⑥取三次平行测试样品断裂时的延度平均值，若样品断裂不在中部，或者3组平行测试数据中任一结果与平均值偏差大于10%，则数据作废，重新测试。

（3）针入度。针入度是评价沥青软硬程度的指标，是用于划分沥青标号的关键指标^[7]。

测试步骤：①将熔化的样品缓慢注入模具中，避免产生气泡影响测试结果，室温冷却30min；②转移至25℃恒温水浴中静置1h，确保样品、标准针、水浴均为25℃±0.1℃；③针入度测试，取三次测试值的平均即为样品针入度。

2 结果与讨论

2.1 胶粉改性沥青结果讨论

图2-1中胶粉改性沥青的针入度是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，胶粉改性沥青的针入度随着拌合温度的上升而迅速下降，拌合温度在170℃时，针入度为65，当拌合温度继续提高，针入度又呈现缓慢下降趋势。这是因为170℃以下时，胶粉溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，胶粉充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，当温度在170℃的时候，沥青改性效果最好，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化逐渐加剧，从而导致了在200℃时针入度的显著下降。

图2-1 不同改性温度下沥青的针入度和软化点

Fig.2-1 The penetration and softening point of asphalt at different modification temperatures

图2-1中胶粉改性沥青的软化点是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，胶粉改性沥青的软化点随着拌合温度的上升而上升，拌合温度在170℃时，软化点为68，当拌合温度继续提高，软化点又呈现缓慢上升趋势，当温度在200℃时，沥青的软化点出现显著提升。这是因为170℃以下时，胶粉溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，胶粉充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了软化点的显著下降。

表2-1 不同改性温度下沥青的延度

Tab.2-1 The ductility of asphalt at different modification temperatures

改性温度	150	160	170	180	190	200
延度（15℃，cm）	>100	>100	>100	>100	85	59

表2-1是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的胶粉改性沥青的延度。可以发现，胶粉改性沥青的延度总体随着改性温度的上升而下降，这是因为胶粉会在沥青中形成交联结构，增强了沥青的整体刚性，但是这种刚性又会限制沥青分子的自由移动，导致拉伸能力降低。改性温度在150-180℃，延度均大于100cm，当改性温度继续提高，延度下降，当温度在200℃时，沥青的延度出现显著降低。这是因为随着改性温度提升，胶粉慢慢充分溶胀，延度不断降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了延度的显著下降。

2.2 SBS改性沥青结果讨论

图2-2中SBS改性沥青的针入度是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，SBS改性沥青的针入度随着改性温度的上升而下降，温度在180℃时，针入度为62，当改性温度继续提高，针入度又呈现显著下降趋势。这是因为180℃以下时，胶粉溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，SBS充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，当温度在180℃的时候，沥青改性效果最好，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了针入度的显著下降。

图2-2 不同改性温度下沥青的针入度和软化点

Fig.2-2 The penetration and softening point of asphalt at different modification temperatures

图2-2中SBS改性沥青的软化点是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，SBS改性沥青的软化点随着拌合温度的上升而上升，拌合温度在180℃时，软化点为71，当拌合温度继续提高，软化点又呈现缓慢上升趋势，当温度在200℃时，沥青的软化点出现显著提升。这是因为180℃以下时，胶粉溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，胶粉充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了针入度的显著下降。

表2-2 不同改性温度下沥青的延度

Tab.2-2 The ductility of asphalt at different modification temperatures

改性温度	150	160	170	180	190	200
延度（15℃，cm）	>100	>100	>100	>100	88	57

表2-2是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的SBS改性沥青的延度。可以发现，SBS改性沥青的延度总体随着改性温度的上升而下降，这是因为胶粉会在沥青中形成交联结构，增强了沥青的整体刚性，但是这种刚性又会限制沥青分子的自由移动，导致拉伸能力降低。拌合温度在180℃以下时，延度表现仍大于100cm，当改性温度继续提高，延度略有下降，当温度在200℃时，沥青的延度出现显著降低。这是因为随着改性温度提升，胶粉慢慢充分溶胀，延度不断降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了延度的显著下降。

2.3 聚丙烯纤维改性沥青结果讨论

图2-3中聚丙烯纤维改性沥青的针入度是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，聚丙烯纤维改性沥青的针入度随着拌合温度的上升而下降，拌合温度在180℃时，针入度为68，当拌合温度继续提高，针入度又呈现显著下降趋势。这是因为180℃以下时，聚丙烯纤维溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，聚丙烯纤维充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，当温度在180℃的时候，沥青改性效果最好，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了针入度的显著下降。

图2-3 不同改性温度下沥青的针入度和软化点

Fig.2-3 The penetration and softening point of asphalt at different modification temperatures

图2-3中聚丙烯纤维改性沥青的软化点是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的。可以发现，聚丙烯纤维改性沥青的软化点随着拌合温度的上升而上升，拌合温度在180℃时，软化点为64℃，当拌合温度继续提高，软化点又呈现缓慢上升趋势，当温度在200℃时，沥青的软化点出现显著提升。这是因为180℃以下时，聚丙烯纤维溶胀不够充分，改性效果并未完全发挥，随着拌合温度的上升，聚丙烯纤维充分溶胀，与基质沥青形成了均匀的网络结构，针入度降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了软化点的显著提高。

表2-3 不同改性温度下沥青的延度

Tab.2-3 The ductility of asphalt at different modification temperatures

改性温度	150	160	170	180	190	200
延度（15℃，cm）	>100	>100	>100	>100	82	55

表2-3是在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃下制备的聚丙烯纤维改性沥青的延度。可以发现，聚丙烯纤维改性沥青的延度总体随着改性温度的上升而下降，这是因为聚丙烯纤维会在沥青中形成交联结构，增强了沥青的整体刚性，但是这种刚性又会限制沥青分子的自由移动，导致拉伸能力降低。改性温度在180℃以下时，延度仍大于100cm，当改性温度继续提高，延度下降，当温度在200℃时，沥青的延度出现显著降低。这是因为随着改性温度提升，聚丙烯纤维慢慢充分溶胀，延度不断降低，然后随着温度的继续提高，沥青轻组分持续挥发，沥青老化现象加剧，从而导致了延度的显著下降。

3 结论

本文主要通过胶粉和聚丙烯纤维对某油田原油生产的90#沥青进行改性，得到了不同温度下制备的改性沥青，得到结论如下：

（1）胶粉、SBS和聚丙烯纤维三种改性剂对沥青都有很好的改性效果；

（2）胶粉、SBS和聚丙烯纤维对沥青的最佳改性温度分别是170℃、180℃、180℃，从节能角度来说，生产胶粉改性沥青更加节能；

（3）三种改性剂对沥青高温性能（提升软化点）改善能力：SBS＞胶粉＞聚丙烯纤维。

参考文献

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