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          巖瀝青、粉末丁苯橡膠調合制取 硬質道路瀝青試驗
          [2016/7/1]
          姚德宏,王濤,李洪強,裴朋,徐力
          (山東顯元化工科技有限公司,淄博市  255400)
              摘要:硬質道路瀝青具有優良的高溫抗車轍能力,在我國溫熱地區高等級路面結構中正在逐步推廣應用。實驗室內進行了利用伊朗巖瀝青及巖瀝青與粉末丁苯橡膠復合與中海油36-1 某90號道路瀝青調合,制取硬質道路瀝青試驗,研究了伊朗巖瀝青及巖瀝青與粉末丁苯橡膠復合的添加比例對硬質道路瀝青性能的影響。試驗結果表明:使用一定比例的伊朗巖瀝青及巖瀝青與粉末丁苯橡膠復合,在一定的工藝條件下與中海油36-1某 90號道路瀝青調合,前者可以制取符合Q/SH PRD0492—2012《硬質道路瀝青》HB-50、HB-30指標要求,后者可以制取符合交通運輸部JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中50號、30號指標要求的硬質道路瀝青。
              關鍵詞:伊朗巖瀝青  粉末丁苯橡膠  90號道路瀝青  調合  硬質道路瀝青 
          1 概述
              所謂硬質道路瀝青,目前國內還沒有一個權威的統一的定義。中國石油化工集團公司2012年12月26日發布了中石化企業標準Q/SH PRD0492—2012《硬質道路瀝青》,該標準于2013年2月1日實施。這是國內第一個冠名《硬質道路瀝青》的產品標準。該標準規定了以石油為原料,經多種工藝生產的硬質道路石油瀝青的要求。該標準適用于鋪筑高速公路、城市主干道等道路的硬質道路石油瀝青。該標準產品按針入度劃分為30和50兩個牌號,代號分別為HB-30、HB-50。另外,目前國內普遍將我國交通運輸部行業標準JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中的50號、30號兩種低標號道路石油瀝青也稱為“硬質瀝青”。為敘述方便,本文將Q/SH PRD0492—2012、JTG F40—2004中的50號、30號瀝青統稱為“硬質道路瀝青”。
              硬質道路瀝青在國外已經有很長的應用歷史,國外研究證明,硬質瀝青及其混合料有優良的高溫穩定性,用它鋪筑的道路主要有以下三個優點:一是可以明顯提高路面的耐久性和高溫穩定性,可以很好的解決車轍和擁包等常見病害,二是可以提高路面的使用壽命與減薄路面厚度,三是可以補強路面結構。因硬質道路瀝青具有優良的高溫抗車轍能力,在我國溫熱地區高等級路面結構中正在逐步推廣應用。
              近年來隨著我國公路運輸交通量急劇增加,超載、重載現象嚴重,路面結構的損壞情況日益加劇,瀝青混凝土高溫穩定性不足形成車轍,是我國高等級公路瀝青路面的主要病害形式之一。為滿足繁重交通量的需求,對瀝青混凝土路面的抗高溫變形能力和抗疲勞性能提出了更高的要求。在此技術環境和背景之下,為了解決我國南方、北方、甚至東北地區的瀝青路面都出現的嚴重車轍病害,我國公路建設者們已經開始采用硬質道路瀝青鋪筑公路路面。
              硬質道路瀝青的生產與原油性質和加工工藝關系很大,由于硬質道路瀝青的針入度要求小,通?;蚴艿皆托再|的影響或受到原油加工產品綜合效益蒸餾切割深度的限制,絕大部分原油采用蒸餾法生產硬質道路瀝青比較困難。氧化、溶劑脫瀝青工藝生產硬質道路瀝青也往往受限于設備條件或工藝流程復雜性的制約,因此,國內生產硬質道路瀝青的企業不多。近幾年,我國進口天然巖瀝青的數量較多,國內巖瀝青的開采量也在增大。利用巖瀝青的高溫抗車轍性能和丁苯橡膠瀝青改性劑的低溫下良好的粘彈性能,采用調合工藝制取硬質道路瀝青的研究應是一種好的技術方法。調合工藝所用瀝青原料來源廣泛,易得,所需調合設備簡單,流程短,產品牌號調節靈活方便,容易操作。鑒于此,進行了在90號道路瀝青中添加巖瀝青、粉末丁苯橡膠制取硬質道路瀝青試驗研究。
          2 試驗部分
          2.1 目標產品質量指標
          目標產品質量指標為Q/SH PRD0492—2012 HB-50、HB-30和JTG F40—2004中的50號、30號硬質道路質量指標。見表1。
           表1     50號、30號硬質道路瀝青質量指標
           

                 項     目 JTG F40—2004 Q/SH PRD0492—2012
          等級 50號 30號 HB-50 HB-30
          適用的氣候分區   1-4      a    
          針入度(25℃,100g,5s),0.1mm   40~60 20~40 40~60 20~40
          軟化點(環球法),℃  ≥ A 49 55  49  55
          B 46 53
          C 45 50
          延度(10℃),cm      ≥ A 15 10
          B 10 8
          延度(15℃),cm      ≥    A、B 80 50
          C 30 20
          針入度指數,PI A -1.5~+1.0
          B -1.8~+1.0
          60℃動力粘度(Pa.s),  ≥ A   200 260 300 600
          溶解度,%            ≥   99.5 99.0
          密度(15℃),g/cm3    實測記錄  
          密度(25℃),g/cm3      報告
          蠟含量(蒸餾法),%    ≤ A 2.2  2.2
          B 3.0
          C 4.5
          閃點,  ℃            ≥   260 230 260
          薄膜烘箱試驗 b 后殘余物性質  
            質量變化,%        ≤   ±0.8 0.5
            針入度比(25℃),% ≥    A   63   65  65
          B   60   62
          C   58   60
            延度(10℃),cm   ≥ A 4  —
          B 2
            延度(15℃),cm   ≥ C 10
                a 30號瀝青僅適用于瀝青穩定基層。      B JTG F40—2004標準以薄膜烘箱試驗為準,也可以旋轉薄膜烘箱試驗代替。Q/SH PRD0492—2012標準可以用旋轉薄膜烘箱試驗代替薄膜烘箱試驗,但仲裁試驗以薄膜烘箱試驗(GB/T 5304)為準。

           

           由表1可見,Q/SH PRD0492—2012與JTG F40—2004的差異主要是:(1)沒有瀝青路面的使用氣候分區和瀝青技術性能等級要求。(2)沒有TFOT前后延度項目要求。(3)沒有針入度指數項目要求。(4)60℃動力粘度指標要求高。

          2.2 原料性質

          2.2.1  90號道路瀝青

              所用瀝青為中海90號道路瀝青,基本性質見表2。

          2.2.2 巖瀝青

              所用巖瀝青為伊朗巖瀝青,基本性質見表3。

          2.2.3 粉末丁苯橡膠

              所用粉末丁苯橡膠為山東顯元化工科技有限公司產品,基本性質見表4。

          表2    中海90號道路瀝青性質

           

          項 目 軟化點(℃)  針入度(0.1mm)  延度(15℃),cm  延度(10℃),cm   PI  TFOT 后
          質量變化,% 針入度比, % 延度(10℃),cm
          指 標 45 92 >100 >100 -1.236 0.06 62 34

           

          表3  伊朗巖瀝青性質

           

          項 目 粒 度(目) 軟化點(℃) 針入度(0.1mm) 灰 分(%) 碳含量(%) 氫含量(%) 氮含量(%) 硫含量(%)
          指 標 800 195 0 6 81 8 3 2

           

          表4     粉末丁苯橡膠性質

           

           

          項 目   外  觀 粒 度(目) 有效含量(%) 結合苯乙烯(%)
          指  標 白色粉末 20 80 22.5

           

          2.3 工藝試驗條件

              在適宜的容器中稱量一定量的90號瀝青,將盛有瀝青的容器放入到恒溫油浴中,開動恒溫油浴,油浴加熱恒溫至175℃時,開動高速剪切機,剪切速率控制在3500r/min ,首先徐徐地在瀝青中添加定量的巖瀝青,巖瀝青與粉末丁苯橡膠復合時,先加巖瀝青,后徐徐地加定量的粉末丁苯橡膠。添加完畢后,在165℃~170℃、3500r/min剪切速率下,分散發育30min后,分析各項瀝青性質。

          3 結果及討論

          3.1 巖瀝青調合試驗結果

              90號瀝青添加8%、10%、12%巖瀝青調合試驗結果見表5。

           表5  添加巖瀝青調合試驗結果 

           

          項      目 巖瀝青添加量,%
          8 10 12
          針入度(25℃,100g,5s),0.1mm 45 42 29
          軟化點(環球法),℃   53 56 58
          延度(15℃),cm 21 11 11
          60℃動力粘度(Pa.s) 611 1276 2331
          溶解度,%             99.6 99.6 99.5
          密度(25℃),g/cm3  1.023 1.023 1.024
          蠟含量(蒸餾法),% 2.1 2.1 2.1
          閃點,  ℃  >260 >260 >260
          薄膜烘箱試驗   
            質量變化,%        0.06 0.05 0.05
            針入度比(25℃), % 65 65 67
            延度(10℃),cm 0 0 0
          符合硬質瀝青的牌號 HB-50 HB-50 HB-30

           

              由表5可見,在本工藝試驗條件下,(1)隨著巖瀝青添加比例的增加,調合瀝青的針入度減小,軟化點增大,15℃延度減小,60℃動力粘度增大。(2)巖瀝青添加比例在8%~10%時調合的瀝青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50指標要求,調合符合HB-50指標要求的瀝青,巖瀝青的添加比例不得大于10%,否則針入度不合格。(3)巖瀝青的添加比例為12%時調合的瀝青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-30指標要求,并且針入度為29(0.1mm),處在HB-30要求針入度20~40(0.1mm)的中間值。(4)調合的50號、30號瀝青薄膜烘箱試驗前后延度小,達不到JTG F40—2004中50號、30號瀝青要求。

          3.2 巖瀝青與粉末丁苯橡膠復合調合試驗結果

              丁苯橡膠是目前使用量較大的一種瀝青改性劑,它的最大特點之一就是能夠大幅度的提高瀝青的低溫延度,但塊狀丁苯橡膠不能直接與瀝青混溶。粉末丁苯橡膠是為克服塊狀丁苯橡膠使用困難而問世的一種新品種。它在保持塊狀丁苯橡膠性能的基礎上,可以直接投入到熱的瀝青中,借助于外力的機械作用與瀝青混合,具有與瀝青相溶性好,使用方便的優點。根據巖瀝青調合的50號、30號瀝青薄膜烘箱試驗前后延度小,達不到JTG F40—2004中50號、30號瀝青質量指標要求的實際情況,進行了巖瀝青、粉末丁苯橡膠復合調合試驗。試驗結果見表6.

             表6  添加巖瀝青、粉末丁苯橡膠調合試驗結果

          項      目 巖瀝青及粉末丁苯橡膠添加量,%
          8加1.5 8加2 8加3 10加1 10加2 10加2.5
          針入度(25℃,100g,5s),0.1mm 41 41 43 34 34 35
          軟化點(環球法),℃   54 55 55 56 58 58
          延度(10℃),cm >100 >100 >100 9 17 25
          延度(15℃),cm >100 >100 >100 32 56 72
          針入度指數,PI / -0.11 / / -0.04 /
          60℃動力粘度(Pa.s) / 889 / / 1953 /
          溶解度,%             / 99.6 / / 99.5 /
          密度(15℃),g/cm3  / 1.023 / / 1.024 /
          蠟含量(蒸餾法),% / 2.1 / / 2.1 /
          閃點,  ℃  / >260 / / >260 /
          TFOT a 后殘余物性質  
           質量變化,%        0.06 0.05 0.05 0.03 0.04 0.02
           針入度比(25℃), % 64.5 64.1 66.2 67.1 68.3 68.1
           延度(10℃),cm 2 8 13 - - -
           延度(15℃),cm 28 32 47 - - -
          所測指標符合硬質瀝青的牌號 50號B 50號A 50號A 30號C 30號A 30號A

           

              由表6可見,(1)在試驗所用的90號瀝青中,添加一定比例的巖瀝青和粉末丁苯橡膠,調合制取的50號、30號道路瀝青質量指標符合JTG F40—2004要求。(2)巖瀝青添加比例為8%,粉末丁苯橡膠為1.5%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中50號B的質量指標要求。(3)巖瀝青添加比例為8%,粉末丁苯橡膠為2%~3%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中50號A的質量指標要求。(4)巖瀝青添加比例為10%,粉末丁苯橡膠為1%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中30號C的質量指標要求。(5)巖瀝青添加比例為10%,粉末丁苯橡膠為2%~2.5%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中30號A的質量指標要求。(6)粉末丁苯橡膠能夠明顯的提高調合瀝青薄膜烘箱試驗前后的延度,在一定量的巖瀝青條件下,粉末丁苯橡膠的添加量越大,調合瀝青薄膜烘箱試驗前后的延度越大。

           4 結論

              在本工藝試驗條件下,一定比例的巖瀝青與90號瀝青調合,可以制取符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50、 HB-30指標要求的硬質道路瀝青。一定比例的巖瀝青與一定比例的粉末丁苯橡膠復合與90號瀝青調合,可以制取符合JTG F40—2004中50號、30號質量指標的瀝青。

              (1)巖瀝青添加比例在8%~10%時調合的瀝青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50指標要求。

              (2)巖瀝青的添加比例為12%時調合的瀝青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-30指標要求。

              (3)巖瀝青添加比例為8%,粉末丁苯橡膠為1.5%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中50號B的質量指標要求。

              (4)巖瀝青添加比例為8%,粉末丁苯橡膠為2%~3%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中50號A的質量指標要求。

              (5)巖瀝青添加比例為10%,粉末丁苯橡膠為1%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中30號C的質量指標要求。 

              (6)巖瀝青添加比例為10%,粉末丁苯橡膠為2%~2.5%時調合的瀝青符合JTG F40—2004中30號A的質量指標要求。

               (7) 粉末丁苯橡膠是一種良好的瀝青增延劑,能夠明顯的提高調合瀝青薄膜烘箱試驗前后的延度。在一定量的巖瀝青條件下,粉末丁苯橡膠的添加量越大,調合瀝青薄膜烘箱試驗前后的延度越大。

           

           

             ________________

              姚德宏,男,高級工程師。長期從事瀝青研究工作,現受聘于山東顯元化工科技有限公司主要從事各種形態的丁苯橡膠改性瀝青研究和應用工作。   

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