天然沥青的改性机理及路用性能研究

天然沥青的改性机理及路用性能研究

收稿日期:2006204207

作者简介:王建林(19642),男,高级讲师,浙江交通职业技术学院,浙江杭州　311112

杨仲元(19662),男,研究员,浙江交通职业技术学院,浙江杭州　311112

王建林　杨仲元

摘　要:从天然沥青的生成特点出发,研究了其对道路石油沥青的改性机理及路用性能,并指出它同热塑性弹性体类相

比具有良好的性能价格比,是适合我国国情的沥青改性材料。关键词:天然沥青,路用性能,改性机理中图分类号:TU535文献标识码:A

随着我国高速公路的建设发展,

对沥青材料的性能也提出了

更高的要求。普通重交通道路沥青虽然能够满足使用要求,但已显现出不适应现代高等级沥青路面的交通特点。因此,改性沥青便应运而生,并取得良好效果,但对天然沥青的研究及使用的报道还不多。在德国,热塑性弹性体类(SBS )与特立尼达湖沥青(TLA )复合改性的做法就有过,其改性沥青具有良好的高温稳定及低温抗裂性能,且耐久性好,故在高速公路、机场跑道、钢桥面铺装、隧道中广泛使用。

1　天然沥青的特点

天然沥青是石油在特殊条件下,被氧化聚合成不同程度的产物。它的基本性质取决于它的聚合程度和纯净度,即软化点的高低及灰分含量的多少。一般情况下,软化点越高,其聚合程度越高,平均分子量也越大。含灰量越高,越能提高沥青软化点、耐磨性、增加沥青膜厚度、增大路面摩擦系数,同时也会降低沥青的延性。天然沥青的化学组成主要由沥青质、树脂和油分组成,还有部分不溶物。它与石油沥青相比,不含石蜡成分。天然沥青主要表现出以下几个方面的生成特点:1)含氮量高,较普通沥青高出几倍至几十倍不等。2)天然沥青具有“半聚合”的作用。3)天然沥青具有很好的耐候性。4)天然沥青中不含蜡,将其加入高含蜡量的沥青中会明显改善沥青的各项指标。

2　天然沥青改性机理的探讨

SBS 是热塑性橡胶的一种,它是苯乙烯和聚丁二烯组成的双

嵌段共聚物。在SBS 的嵌段物中,聚苯乙烯和聚丁二烯聚集在一起,形成许多约束成分的物理交联区域,因其中嵌段是柔软的聚丁二烯链段,这样就形成网状结构。实质上,SBS 改性剂与基础沥青之间是根据相容性理论,应用助剂的作用,使SBS 在沥青基体中形成“互穿立构网络”结构,真正使沥青的性能及沥青混合料的路用性能得到改善的功劳要归功于SBS 改性剂,基质沥青只充当一个媒介的作用。

而将天然沥青加入普通沥青中,由于温度与小分子溶剂的共同作用,使得天然沥青这些分子量很大的胶束被破裂,而破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被普通沥青中的小分子物质所填充、饱和,形成一种全新的组合,最终形成以天然沥青大胶束分子为中心,普通沥青小分子填充、包围的新的方式。结构改造后的分子量越大,活性越高,则这种改造程度就越明显,得到的改性沥青技术性能也就越优越。

可通过实验来进一步验证上述问题,把5%的国产岩石沥青原矿加入90号基础沥青中并过一下胶体磨,沥青软化点从55℃上升到66℃,其效果超过国外同类产品。这说明天然沥青除分

子量大外,它在基础沥青中的分散度也影响它改性的效果,分散

度越大,则其暴露出的活性点越多,改性作用越强。根据有关研究资料[1],应从微观组成和平均分子量上认识改性沥青,并提出平均分子量为4000适宜。除此之外,还应提出“配位理论”,即只有大、中、小分子紧密结合在一起,且在沥青内部达到最大密实组合,才能使胶束间作用力最强。因为对于天然沥青这种胶体而言,高活性大分子量的核心,以及高含氮量及官能团侧链极性较强,都极大地增强了所吸附的胶质及油分的稳定性。正是上述的原因,共同造就了天然沥青对基础沥青改性的特殊性。

3　天然沥青与SBS 改性剂的性能比较

目前,对于天然沥青改性的技术标准普遍使用ASTMD 57102

95特立尼达湖沥青改性沥青的技术要求,通常的SBS 类改性沥

青技术标准已不适用。现将SBS 与TLA 改性沥青的试验结果汇总于表1。

表1　SBS 及T LA 改性沥青试验结果

项目

单位

泰普克90号基质沥青6%SBS 改性沥青实验结果SBS 改性沥青技术要求25%TLA 改性沥青实验结果ASTMD5710

295湖沥青改性技术要求

针入度25℃0.1mm 82.154.9>504440～55延度25℃cm >150115>100

延度10℃cm >15068>4026软化点℃45.075>6067溶解度(三氯乙烯)%99.8599.8>998577～90闪点(COC )℃322310>230260

232弹性恢复%95>60

密度(15℃)G /cm -3 1.032

1.027实测蜡含量%0.7灰分%

107.5～19.5

TFO T 后残留物

针入度比%80.589.4>6083>55质量损失

%0.06-0.08

<1.0

0.17延度(25℃)cm >15079>50

延度(10℃

)cm

40

52

>30

12

用相同集料、级配制成马歇尔试件进行试验[2]。从结果上看,密度、空隙率没有大的区别,最明显的是马氏稳定度比不改性或SBS 改性的要高得多,同时流值也比较大。尽管马氏稳定度与

高温稳定性的相关性不是很好,但稳定度的增加不能不认为是对高温稳定性的贡献。通过车辙试验,能更好地证明沥青混合料高温稳定性的提高。试验结果见表2,表3。

为评价其低温性能,通过低温弯曲试验[3]可以看出,天然沥青改性的沥青混合料的破坏强度及应变比SBS 改性的数值大得多。通过冻融劈裂试验也证明,用天然沥青改性后,劈裂强度与SBS 改性的值相比,绝对值提高50%左右,这说明天然沥青对提