油页岩改性沥青微观机理与性能分析

应用化工Applied Chemicai InUuste Vou349No36 Jun.2020
第47卷第6期
2020年6月
油页岩改性沥青微观机理与性能分析
孔令云2,陈琰2,全秀洁2,李金桥4
(2.重庆交通大学土建工程材料国家地方联合实验室，重庆400774；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430007)
摘要:采用荧光显微镜实验研究油页岩改性沥青的微观结构,通过流变实验(DSR)测试高、低温对其流变性能影响，利用沥青三大性能指标实验、粘度实验和旋转薄膜加热实验分析油页岩改性沥青的路用性能。

结果表明，油页岩的添加能让SBS改性剂与基质沥青达到更好的共融状态,且能有效提高SBS改性沥青的高温稳定性、粘附性和 抗老化性能，但会降低其低温抗裂性能;DSR实验表明掺入适量油页岩能明显提升复合改性沥青的复数剪切模量和车辙因子，且油页岩矿粉掺量越多，增幅越大。

关键词：SBS改性剂;油页岩改性沥青;微观结构;路用性能
中图分类号:TQ430.4；U42文献标识码:A文章编号：1671-3606(2020)06-1471-04
Micresccpic mechanism and performance
analysis of oit shaie modified asphait
KONG Ling-yun,CHEN Yan,QUAN Xin-jie1,LI Jin-jiao2
(1.Na/osai and Local Joint LadoraOm of Traffic Civil Enginee/ng Materials,Chougqing Jiaotoug University,
Chosaqing440074,Chifa；2.China Railnaq Fockh Sumey and Design Institute Gesp,Wuhan430000,China)
Abstroct:The micmstructue of oil shale moUified asphalt by fuoescesca micescopy,the infuenca of high and low mmpxCue on rUeo/yical peperUes by dynamic shear rUeoloyical test(DSR):using three mcor peUrmanca indicators of asphalt；viscosity test and rotating fil/heahng test for analysis of mad pemormanca of oil shale moCified asphalt.The results show that the adcliCox of oil shale allows for better incoruoraVoc of SBS moUifiers with matUa asphalt,if can effectively iwpeve the high temperature stdOi/ty of SBS moUified asphalt,addesioc and and-5ying propekies,Out if will reduce its/w Omperatura crach resistance.DSR expe/wests show that the adcliCox of pmper amount of oil shale can significantly iwpeve the complex shear mobulus and rutting factor of composite moCified asphalt；and the more the oil shale mineral powder is added,the greater the increase.
Key words：SBS moCi/er;oil shale moCified asphalt;micro structure；mad pemormanca
随着油页岩资源的不断开发利用，导致油页岩废弃物逐渐增加,大部分废弃物直接堆置在附近的废渣场，造成了许多环境问题［5］。

郭学东等⑷通过油页岩废渣替代OGFC沥青混合料中粒径石料,提出了NM-OGFC沥青混合料抗春融水损性能最优制备工艺。

杨淳等⑸选用5种不同的小粒径油页岩残渣代替改性剂制备改性沥青,通过观察微观结构和小梁弯曲实验，提出了油页岩的添加明显改善了其低温抵抗变形能力。

油页岩矿渣组成中包含有机物和无机物。

基于此，本文通过对比油页岩改性沥青与SBS改性沥青的微观结构和宏观性能,建立它们相互之间的影响关系,从而解释其工作机理。

1实验部分
1.1材料与仪器
SK92#基质沥青，主要性能指标见表2,均满足规范要求；SBS1892(YH-522)改性剂，主要指标参数见表2；油页岩矿粉，实验室自制，将油页岩矿粉研磨至2252目，其粒径＜7.712mm,其主要性能指标见3。

表1基质沥青性能指标
Tabir1Matrit asphait performancc index
指标
针入度(25C)/
7.2mm
软化点/
C
延度(/C)/
cm
密度/
(g•cm"4)实验值8.344.9=3167 2.729
收稿日期：202乙6-26修改稿日期：20/乙7-22
基金项目：重庆市科委基金(cso202jcyj A X0367)
作者简介:孔令云(277-),女，江苏如皋人，重庆交通大学教授，博士，主要从事路面材料研究。

电话：023-4960/59, E-mail：4312443@qq.cm
1422应用化工第49卷
表2SBS改性剂指标参数
Table2SBS moditer index parameters
指标邵氏硬
(A)
嵌拉伸扯伸扯永久体
(S/B)度/MPa长率/%变形/%(g-14min-8)
实测值7534/74/75035 2.4〜5.0
表3油页岩矿粉性能指标
Table3Oit stale minerai powder performancc index
标径/
mm
观密度/-积/-// (g•cm-2-(m2•g8-(mJ•m2-%
实测值W4.0122377.33958.340.49 BME100L型高剪切乳化机；GBE8荧光显微
镜；TAE2动态剪仪；SYD-4609沥青旋转薄膜烘箱。

1.3油页岩改性沥青制备
通用高剪切乳化机制备SBS改性沥青，首先将5%SBS改性剂添加到已在油浴锅中预热至/0C的基质沥青中，然后使用2000Pmi剪切机剪切1h,使得SBS改性剂充胀。

最后将剪切
机的剪切速度调至7500Pmi,剪切20min,停止剪切，并用搅拌2min,待基质沥青与SBS改性剂完全混合，不再产生气泡即可。

页V/SBS复合改性沥青的制法与上述制备方法基本一致。

取一定量SBS改性沥青，加热至/4C J的油页岩，将剪切速度调到3000Pmi下剪切1h,即形成油页岩/SBS复改性沥青。

13实验方法
根据沥青三大性能指标实验和粘度实验，分别固定油页岩热，利用的页岩测试改性沥青，分析软化点、针入度(25C)延度(5C)及粘度。

采用荧光入油页岩矿粉前后的改性沥青形貌观测，对改性沥青存储稳定性进析。

采用动态剪切流变仪(DSR)分析不同掺量油页岩SBS改性沥青性性质，在应为2%的条件下对其进行温度扫描，实验温度为50〜4C,0隔为6o C o
采用沥青旋转薄膜烘箱制备老化沥青。

2结果与讨论
23荧光显微镜表面形貌分析
为清页岩入SBS改性沥青中的形貌,选择离析实验优的为2%油页岩改性沥青,分别与SBS改性沥青静置43h后观测，其观察结果见图/图2o
图1掺量14%油页岩复合改性沥青荧光显微图像
Fig.I Fluo/scence mic/scopy image of2%oil
shale composite moli/ed aspha-l
图2SBS改性沥青样本荧光显微图像
Fig.0Fluo/scence mic/scopy image of SBS
molified aspha/sample
由图1、图2可知，掺入油页岩矿粉/SBS改性沥青前后表面形貌区。

SBS改性沥青样本在静置43h后，改性 开状态大颗基团的形式在沥青中，表面粗糙。

SBS 改性基质沥青组，使得基质沥青与改性混中L改性剂的改性效优。

入油页岩得改性剂在沥青的大基本，且较为地在沥青中，这是页岩在改性沥青中充当了连接，使在高速的剪用下沥青中的芳香环和改性
剂中苯环与油页岩中A/+、Mg4+A Fe3+结合,通过油页岩、SBS改性剂与基质沥青三反应，增的团聚，从改性地分在基质沥青中，形成SBS改性剂与基质沥青相互交融稳定的沥青体系。

2.3流变性能分析
2.6.I复数剪切模量G*和相位角5复数剪切模量G*是材料重复剪形时的总阻力的，它是材料抵抗变形的体现J E]。

高温(低频)时，复剪G*越大J沥青的劲大，抗变形[4A4]。

角是应力与应变延迟的[-],沥青的角5越大,594。

，说其力学响应性行为，沥青的恢复变形越大，沥青越容生永久变形。

页岩改性沥青剪
G*和相位角5分别见图3、图4
o
第5期孔令云等:油页岩改性沥青微观机理与性能分析
1423
Fig. 3 EEect of oil shale coutest on the complec sheer mobulus of moUified bitumen ct diOeest temperatures
Fig. 0 EEect of oil shale coutest on phase angle of
moUified asphalt ct diOeent tempemtums
由图3、图4可知，当温度逐渐上升，油页岩复
合改性沥青的复数剪切模量G *缓慢下降,相位角 5逐渐升高，表明改性沥青的粘性成分逐渐增加， 导致抗变形能力降低。

在相同温度下，掺入10%
油页岩复合改性沥青的G *最大,6最小。

同时，与
未掺入油页岩的SBS 改性沥青相比，其复数剪切 模量G *上升了 24. 31%，相位角5降低了 7.71% ,
表明掺入油页岩矿粉之后改性沥青的劲度增大、
弹性成分增多，以至于抵抗变形能力变强。

这是
由于油页岩矿粉添加，使得沥青与SBS 改性剂相
互间的粘附性增强，从而让改性剂与沥青之间相
互团聚更加明显。

但油页岩矿粉掺入量为2% 时，改性沥青复数剪切模量G *下降,相位角5升 高,说明油页岩矿粉的掺入过多，超过所需抵抗变
形能力的掺入量，使得沥青与SBS 改性剂之间粘
附性 低。

2.2.2 车辙因子G * /sWU 车辙因子G * /sWU 表示
沥青抗车辙的能力，以路面设计温度为标准［2］。

油
Fig. 5 EEect of oil shale coutest on rutting factor of
moUified asphalt ct diOeest tempemtums
由图5可知,不同掺量下复合改性沥青的G*/
sinf 随着温度的升高逐渐降低，表明沥青抗车辙能
力均减小。

当温度低于62 C 时，油页岩/SBS 改性 沥青对应车辙因子下降速率非常快，最后逐渐平缓,
说明温度在62 C 以下时，改性沥青处于高温度敏感
区间，温度对其车辙因子有着明显的影响。

在相同温度下，油页岩复合改性沥青的G*/
sinf 随着掺入量的增加而增加，掺入量为10%时,
复合改性沥青的G* /sWU 最大。

表明油页岩的加
入，加强了改性沥青的内聚力，同时使其抗变形能力
增强，从而在抵抗相同外力作用时所产生的变形能
力变小。

但掺入量添加至/%时，复合改性沥青的
G*/sWU 反而有所下降，这是由于油页岩掺入量较
多，超过油页岩复合改性沥青体系稳定时所需的量,
导致其性能下降。

油页岩的加入提升了沥青间弹
性，导致沥青里的弹性组分增加，从而使SBS 改性
沥青抗永久变形能力增强,也就提高了复合改性沥 青的高 定性 高 抗 形 。

22针入度、软化点、延度
不同油页岩矿粉掺量下复合改性沥青针入度、
软化点、延度实验结果，见表4o
表4不同油页岩掺量下复合改性沥青常规路用性能指标
Table 4 Convenhonai r ood performancc index of ccmposite modifier asphaie under differere oit shale contexS
油页岩掺 入量/%
针入度
(25 C )/
2. 1 mm
软化点/延度(5C )/C cm L mPa • s RTFOT 残留针入度(25 C )/ 残留软化残留延度 残留粘度/2. 1 mm 点/O C (5C )/ci mPa • s 0
52.672.641.91 2144.574.223.32 /66523
72.9
36.3
1 80744.273.023.0
2 2/846.373. 133.61 95943.377.023.12 3471048.177.637.22 273
42.5
77.623.3
2 784
12
46.277.2
36.6
209141.277.9
22.6
2490
1424应用化工第49卷
由表4可知，随着油页岩矿粉掺入量的增加，针入度逐渐下降，而软化点和粘度是先上升后下降,当掺入量为12%时软化点达到最大值，整体性能达到最优，说明掺入一定量的油页岩能提高复合改性沥青的软化点，改善其高温性能。

主要因为从微观结构可以看出油页岩的加入使得改性剂与沥青相容性提升,使得改性剂能更均匀分布在沥青中，能够充分发挥其高温性能。

并且油页岩中含有大量的碳、氢元素，其含量越高，改性沥青高温性能则越好。

油页岩、改性剂、基质沥青三者相互作用,形成了稳定结构,隔离了分子间的相互作用，提高了粘附性能。

对比油页岩掺入量的增加,改性沥青的延度在逐渐下降，说明其低温抗裂性能在逐渐下降,这是因为油页岩中含有硫和氮元素，会导致沥青的低温抗裂性能降低。

RTFOT老化后掺入量为12%的油页岩复合改性沥青比SBS改性沥青残留软化点提高了7.9%,粘度指数明显提升，表明掺入油页岩能提高复合改性沥青的抗老化性。

3结论
(8-添加油页岩使SBS改性剂均匀分布在基质沥青中，增强沥青与SBS改性剂之间的粘附性，形成油页岩EBS-沥青三者稳定体系。

(2)掺入油页岩可明显提高复合改性沥青的复数剪切模量，且油页岩矿粉掺量越大，增幅越大。

此外，随着油页岩矿粉的加入，复合改性沥青的G*/ sin也随之增大。

(3)添加油页岩矿粉后针入度和延度减小，软化点和粘度提高，说明油页岩的添加能明显提高复合改性沥青的高温性能，但同时会降低其低温抗裂性能。

通过老化实验对比发现，油页岩也能增强复改性沥青的抗老化性。

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