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岩沥青、粉末丁苯橡胶调合制取 硬质道路沥青试验
[2016/7/1]
姚德宏,王涛,李洪强,裴朋,徐力
(山东显元化工科技有限公司,淄博市  255400)
    摘要:硬质道路沥青具有优良的高温抗车辙能力,在我国温热地区高等级路面结构中正在逐步推广应用。实验室内进行了利用伊朗岩沥青及岩沥青与粉末丁苯橡胶复合与中海油36-1 某90号道路沥青调合,制取硬质道路沥青试验,研究了伊朗岩沥青及岩沥青与粉末丁苯橡胶复合的添加比例对硬质道路沥青性能的影响。试验结果表明:使用一定比例的伊朗岩沥青及岩沥青与粉末丁苯橡胶复合,在一定的工艺条件下与中海油36-1某 90号道路沥青调合,前者可以制取符合Q/SH PRD0492—2012《硬质道路沥青》HB-50、HB-30指标要求,后者可以制取符合交通运输部JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中50号、30号指标要求的硬质道路沥青。
    关键词:伊朗岩沥青  粉末丁苯橡胶  90号道路沥青  调合  硬质道路沥青 
1 概述
    所谓硬质道路沥青,目前国内还没有一个权威的统一的定义。中国石油化工集团公司2012年12月26日发布了中石化企业标准Q/SH PRD0492—2012《硬质道路沥青》,该标准于2013年2月1日实施。这是国内第一个冠名《硬质道路沥青》的产品标准。该标准规定了以石油为原料,经多种工艺生产的硬质道路石油沥青的要求。该标准适用于铺筑高速公路、城市主干道等道路的硬质道路石油沥青。该标准产品按针入度划分为30和50两个牌号,代号分别为HB-30、HB-50。另外,目前国内普遍将我国交通运输部行业标准JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中的50号、30号两种低标号道路石油沥青也称为“硬质沥青”。为叙述方便,本文将Q/SH PRD0492—2012、JTG F40—2004中的50号、30号沥青统称为“硬质道路沥青”。
    硬质道路沥青在国外已经有很长的应用历史,国外研究证明,硬质沥青及其混合料有优良的高温稳定性,用它铺筑的道路主要有以下三个优点:一是可以明显提高路面的耐久性和高温稳定性,可以很好的解决车辙和拥包等常见病害,二是可以提高路面的使用寿命与减薄路面厚度,三是可以补强路面结构。因硬质道路沥青具有优良的高温抗车辙能力,在我国温热地区高等级路面结构中正在逐步推广应用。
    近年来随着我国公路运输交通量急剧增加,超载、重载现象严重,路面结构的损坏情况日益加剧,沥青混凝土高温稳定性不足形成车辙,是我国高等级公路沥青路面的主要病害形式之一。为满足繁重交通量的需求,对沥青混凝土路面的抗高温变形能力和抗疲劳性能提出了更高的要求。在此技术环境和背景之下,为了解决我国南方、北方、甚至东北地区的沥青路面都出现的严重车辙病害,我国公路建设者们已经开始采用硬质道路沥青铺筑公路路面。
    硬质道路沥青的生产与原油性质和加工工艺关系很大,由于硬质道路沥青的针入度要求小,通常或受到原油性质的影响或受到原油加工产品综合效益蒸馏切割深度的限制,绝大部分原油采用蒸馏法生产硬质道路沥青比较困难。氧化、溶剂脱沥青工艺生产硬质道路沥青也往往受限于设备条件或工艺流程复杂性的制约,因此,国内生产硬质道路沥青的企业不多。近几年,我国进口天然岩沥青的数量较多,国内岩沥青的开采量也在增大。利用岩沥青的高温抗车辙性能和丁苯橡胶沥青改性剂的低温下良好的粘弹性能,采用调合工艺制取硬质道路沥青的研究应是一种好的技术方法。调合工艺所用沥青原料来源广泛,易得,所需调合设备简单,流程短,产品牌号调节灵活方便,容易操作。鉴于此,进行了在90号道路沥青中添加岩沥青、粉末丁苯橡胶制取硬质道路沥青试验研究。
2 试验部分
2.1 目标产品质量指标
目标产品质量指标为Q/SH PRD0492—2012 HB-50、HB-30和JTG F40—2004中的50号、30号硬质道路质量指标。见表1。
 表1     50号、30号硬质道路沥青质量指标
 

       项     目 JTG F40—2004 Q/SH PRD0492—2012
等级 50号 30号 HB-50 HB-30
适用的气候分区   1-4      a    
针入度(25℃,100g,5s),0.1mm   40~60 20~40 40~60 20~40
软化点(环球法),℃  ≥ 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
针入度指数,PI A -1.5~+1.0
B -1.8~+1.0
60℃动力粘度(Pa.s),  ≥ A   200 260 300 600
溶解度,%            ≥   99.5 99.0
密度(15℃),g/cm3    实测记录  
密度(25℃),g/cm3      报告
蜡含量(蒸馏法),%    ≤ A 2.2  2.2
B 3.0
C 4.5
闪点,  ℃            ≥   260 230 260
薄膜烘箱试验 b 后残余物性质  
  质量变化,%        ≤   ±0.8 0.5
  针入度比(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号沥青仅适用于沥青稳定基层。      B JTG F40—2004标准以薄膜烘箱试验为准,也可以旋转薄膜烘箱试验代替。Q/SH PRD0492—2012标准可以用旋转薄膜烘箱试验代替薄膜烘箱试验,但仲裁试验以薄膜烘箱试验(GB/T 5304)为准。

 

 由表1可见,Q/SH PRD0492—2012与JTG F40—2004的差异主要是:(1)没有沥青路面的使用气候分区和沥青技术性能等级要求。(2)没有TFOT前后延度项目要求。(3)没有针入度指数项目要求。(4)60℃动力粘度指标要求高。

2.2 原料性质

2.2.1  90号道路沥青

    所用沥青为中海90号道路沥青,基本性质见表2。

2.2.2 岩沥青

    所用岩沥青为伊朗岩沥青,基本性质见表3。

2.2.3 粉末丁苯橡胶

    所用粉末丁苯橡胶为山东显元化工科技有限公司产品,基本性质见表4。

表2    中海90号道路沥青性质

 

项 目 软化点(℃)  针入度(0.1mm)  延度(15℃),cm  延度(10℃),cm   PI  TFOT 后
质量变化,% 针入度比, % 延度(10℃),cm
指 标 45 92 >100 >100 -1.236 0.06 62 34

 

表3  伊朗岩沥青性质

 

项 目 粒 度(目) 软化点(℃) 针入度(0.1mm) 灰 分(%) 碳含量(%) 氢含量(%) 氮含量(%) 硫含量(%)
指 标 800 195 0 6 81 8 3 2

 

表4     粉末丁苯橡胶性质

 

 

项 目   外  观 粒 度(目) 有效含量(%) 结合苯乙烯(%)
指  标 白色粉末 20 80 22.5

 

2.3 工艺试验条件

    在适宜的容器中称量一定量的90号沥青,将盛有沥青的容器放入到恒温油浴中,开动恒温油浴,油浴加热恒温至175℃时,开动高速剪切机,剪切速率控制在3500r/min ,首先徐徐地在沥青中添加定量的岩沥青,岩沥青与粉末丁苯橡胶复合时,先加岩沥青,后徐徐地加定量的粉末丁苯橡胶。添加完毕后,在165℃~170℃、3500r/min剪切速率下,分散发育30min后,分析各项沥青性质。

3 结果及讨论

3.1 岩沥青调合试验结果

    90号沥青添加8%、10%、12%岩沥青调合试验结果见表5。

 表5  添加岩沥青调合试验结果 

 

项      目 岩沥青添加量,%
8 10 12
针入度(25℃,100g,5s),0.1mm 45 42 29
软化点(环球法),℃   53 56 58
延度(15℃),cm 21 11 11
60℃动力粘度(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
蜡含量(蒸馏法),% 2.1 2.1 2.1
闪点,  ℃  >260 >260 >260
薄膜烘箱试验   
  质量变化,%        0.06 0.05 0.05
  针入度比(25℃), % 65 65 67
  延度(10℃),cm 0 0 0
符合硬质沥青的牌号 HB-50 HB-50 HB-30

 

    由表5可见,在本工艺试验条件下,(1)随着岩沥青添加比例的增加,调合沥青的针入度减小,软化点增大,15℃延度减小,60℃动力粘度增大。(2)岩沥青添加比例在8%~10%时调合的沥青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50指标要求,调合符合HB-50指标要求的沥青,岩沥青的添加比例不得大于10%,否则针入度不合格。(3)岩沥青的添加比例为12%时调合的沥青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-30指标要求,并且针入度为29(0.1mm),处在HB-30要求针入度20~40(0.1mm)的中间值。(4)调合的50号、30号沥青薄膜烘箱试验前后延度小,达不到JTG F40—2004中50号、30号沥青要求。

3.2 岩沥青与粉末丁苯橡胶复合调合试验结果

    丁苯橡胶是目前使用量较大的一种沥青改性剂,它的最大特点之一就是能够大幅度的提高沥青的低温延度,但块状丁苯橡胶不能直接与沥青混溶。粉末丁苯橡胶是为克服块状丁苯橡胶使用困难而问世的一种新品种。它在保持块状丁苯橡胶性能的基础上,可以直接投入到热的沥青中,借助于外力的机械作用与沥青混合,具有与沥青相溶性好,使用方便的优点。根据岩沥青调合的50号、30号沥青薄膜烘箱试验前后延度小,达不到JTG F40—2004中50号、30号沥青质量指标要求的实际情况,进行了岩沥青、粉末丁苯橡胶复合调合试验。试验结果见表6.

   表6  添加岩沥青、粉末丁苯橡胶调合试验结果

项      目 岩沥青及粉末丁苯橡胶添加量,%
8加1.5 8加2 8加3 10加1 10加2 10加2.5
针入度(25℃,100g,5s),0.1mm 41 41 43 34 34 35
软化点(环球法),℃   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
针入度指数,PI / -0.11 / / -0.04 /
60℃动力粘度(Pa.s) / 889 / / 1953 /
溶解度,%             / 99.6 / / 99.5 /
密度(15℃),g/cm3  / 1.023 / / 1.024 /
蜡含量(蒸馏法),% / 2.1 / / 2.1 /
闪点,  ℃  / >260 / / >260 /
TFOT a 后残余物性质  
 质量变化,%        0.06 0.05 0.05 0.03 0.04 0.02
 针入度比(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 - - -
所测指标符合硬质沥青的牌号 50号B 50号A 50号A 30号C 30号A 30号A

 

    由表6可见,(1)在试验所用的90号沥青中,添加一定比例的岩沥青和粉末丁苯橡胶,调合制取的50号、30号道路沥青质量指标符合JTG F40—2004要求。(2)岩沥青添加比例为8%,粉末丁苯橡胶为1.5%时调合的沥青符合JTG F40—2004中50号B的质量指标要求。(3)岩沥青添加比例为8%,粉末丁苯橡胶为2%~3%时调合的沥青符合JTG F40—2004中50号A的质量指标要求。(4)岩沥青添加比例为10%,粉末丁苯橡胶为1%时调合的沥青符合JTG F40—2004中30号C的质量指标要求。(5)岩沥青添加比例为10%,粉末丁苯橡胶为2%~2.5%时调合的沥青符合JTG F40—2004中30号A的质量指标要求。(6)粉末丁苯橡胶能够明显的提高调合沥青薄膜烘箱试验前后的延度,在一定量的岩沥青条件下,粉末丁苯橡胶的添加量越大,调合沥青薄膜烘箱试验前后的延度越大。

 4 结论

    在本工艺试验条件下,一定比例的岩沥青与90号沥青调合,可以制取符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50、 HB-30指标要求的硬质道路沥青。一定比例的岩沥青与一定比例的粉末丁苯橡胶复合与90号沥青调合,可以制取符合JTG F40—2004中50号、30号质量指标的沥青。

    (1)岩沥青添加比例在8%~10%时调合的沥青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-50指标要求。

    (2)岩沥青的添加比例为12%时调合的沥青符合Q/SH PRD0492—2012 HB-30指标要求。

    (3)岩沥青添加比例为8%,粉末丁苯橡胶为1.5%时调合的沥青符合JTG F40—2004中50号B的质量指标要求。

    (4)岩沥青添加比例为8%,粉末丁苯橡胶为2%~3%时调合的沥青符合JTG F40—2004中50号A的质量指标要求。

    (5)岩沥青添加比例为10%,粉末丁苯橡胶为1%时调合的沥青符合JTG F40—2004中30号C的质量指标要求。 

    (6)岩沥青添加比例为10%,粉末丁苯橡胶为2%~2.5%时调合的沥青符合JTG F40—2004中30号A的质量指标要求。

     (7) 粉末丁苯橡胶是一种良好的沥青增延剂,能够明显的提高调合沥青薄膜烘箱试验前后的延度。在一定量的岩沥青条件下,粉末丁苯橡胶的添加量越大,调合沥青薄膜烘箱试验前后的延度越大。

 

 

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    姚德宏,男,高级工程师。长期从事沥青研究工作,现受聘于山东显元化工科技有限公司主要从事各种形态的丁苯橡胶改性沥青研究和应用工作。   

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