复合改性炭沥青稳定性研究

陈 俊，李其祥，向东栋，高彦丽

（武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室，湖北武汉，430081）

高等级公路对道路沥青的使用性能提出了很高的要求，在石油沥青中添加煤沥青是改善道路沥青性能的方法之一。煤沥青和石油沥青的组成结构不同，其路用性能也有较大差异。煤沥青对石料的黏附性能优越，高温流动性能好，但其存在低温易脆、易老化、延展性较差等弱点；石油沥青的黏弹性范围较宽，抗老化性能好，但其对石料的黏附性能较差[1－2]。若将这两种沥青相混合，就可以实现优势互补，得到优质改性炭沥青[3]。本文将两种软化剂分别掺入煤沥青，制得软化煤沥青，再与石油沥青混合，经SBS改性后得到改性炭沥青。通过四组分分析法、运用胶体不稳定指数研究改性炭沥青的稳定性，以期为改性炭沥青的研制提供依据。

1 原料

主要原料包括：煤沥青（软化点为80～90℃）、软化剂1（碳氢原子比为1.49）、软化剂2（碳氢原子比为1.45），均产自武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司；SK－70石油沥青（韩国SK公司）；YH791型SBS改性剂（燕山石化公司）；稳定剂（湖北国创路面材料有限公司）。

2 试验

按表1所示配比分别将软化剂1和软化剂2在一定温度下与煤沥青混合制得4种软化煤沥青。将4种软化煤沥青分别按10%、15%、18%、20%、22%和25%的比例（质量分数）与石油沥青共混，并加入SBS后制得4个系列共24种改性炭沥青样品。

表1 软化煤沥青的原料配比Table 1 Mixture ratio of softening coal－tar pitch

根据JTJ052 T0618—1993沥青化学组分试验（四组分法）对原料和改性炭沥青进行组分分析，测定其饱和分（S）、芳香分（Ar）、胶质（R）和沥青质（As）的含量。

3 结果与讨论

3.1 原料四组分分析

表2 原料四组分分析结果Table 2 Analysis results of four components of raw materials

原料四组分分析结果如表2所示。SBS是聚苯乙烯和聚丁二烯嵌段共聚物，本文假定SBS的聚苯乙烯段为芳香分，聚丁二烯段为饱和分，其他组分含量为0[4]。

由表2可见，在5种原料中，石油沥青和SBS含有饱和分，而煤沥青、软化剂1和软化剂2均不含饱和分；软化剂1的芳香分和胶质含量均低于软化剂2，而沥青质含量远远高于软化剂2；煤沥青中芳香分和胶质含量较低，沥青质含量较高。

3.2 改性炭沥青四组分分析

改性炭沥青样品的四组分分析结果如表3所示，为了进行对比分析，表中还列出改性石油沥青的四组分分析数据，改性石油沥青是由石油沥青经SBS改性制得，其中未掺加软化煤沥青。由表3可见，改性炭沥青样品的饱和分含量为6.88%～8.23%，低于改性石油沥青的8.93%；其芳香分含量为36.72%～44.54%，低于改性石油沥青的45.00%；其胶质含量为29.93%～34.17%，低于改性石油沥青的34.74%；其沥青质含量为13.07%～26.46%，高于改性石油沥青的11.33%。

从表3中还可以看出，4个系列改性炭沥青样品的饱和分、芳香分和胶质含量均随软化煤沥青添加比例的提高而减少，其沥青质含量则随软化煤沥青添加比例的提高而增加。

表3 改性炭沥青四组分分析结果Table 3 Analysis results of four components of modified anthraxolite

随着软化煤沥青添加比例的提高，4个系列改性炭沥青样品的沥青质和胶质含量之和也在增加。沥青中沥青质和胶质的含量之和越高，其黏度就越大[5]，因此，随着软化煤沥青添加比例的提高，所制改性炭沥青的黏度会相应增大，其黏结性能、稳定性和路用耐久性也会更好。

由于软化剂1、软化剂2和煤沥青中的饱和分含量均为0，因此在软化煤沥青添加比例相同的条件下，4个系列改性炭沥青样品的饱和分含量差别不大。石油沥青在加入软化煤沥青后，其饱和分被“稀释”[6]，软化煤沥青添加比例越高，这种“稀释”作用越明显，因此4个系列改性炭沥青样品的饱和分含量随软化煤沥青添加比例的提高而减少。

软化剂1的芳香分和胶质含量明显低于软化剂2，而其沥青质含量则远远高于软化剂2，因此，与添加软化剂1的A、B两个系列改性炭沥青相比，添加软化剂2的C、D两个系列改性炭沥青的芳香分和胶质含量较高、沥青质含量较低。

在沥青体系中，当饱和分含量为5%～25%、芳香分含量为30%～50%、胶质含量为20%～40%、沥青质含量为6%～25%时，该体系比较稳定[7]。本研究所制改性炭沥青各组分含量基本上处于上述范围内，表明改性炭沥青的组分分布是合理的。

3.3 胶体不稳定指数分析

沥青中饱和分和沥青质质量之和与芳香分和胶质质量之和的比值，即胶体不稳定指数IC，是评价沥青胶体体系稳定性的指标之一。一般情况下，沥青的胶体不稳定指数越小，表明其中的沥青质更容易分散为较小的胶束而形成黏滞体系，这种分散体系的稳定性较好；反之，则表明沥青体系中胶质和芳香分的含量较少，沥青质容易形成弹性的絮凝体网状结构，这种体系的稳定性较差[7]。

4个系列改性炭沥青样品的IC值与软化煤沥青添加比例的关系如图1所示。由图1可见，随着软化煤沥青添加比例的提高，A、B系列改性炭沥青的IC值增大趋势明显，而C、D系列改性炭沥青的IC值增大幅度较小。这表明C、D系列改性炭沥青的胶体稳定性优于A、B系列改性炭沥青。在软化煤沥青添加比例相同的条件下，各系列改性炭沥青IC值由大至小的顺序为A＞B＞C＞D，表明软化煤沥青中软化剂比例（D＞C＞B＞A）越高，其制得的改性炭沥青胶体稳定程度越好。IC值的大小与沥青抗老化性能的优劣具有良好的相关性，且IC值越小，沥青的抗老化性能越好[8－9]。因此，适量添加软化煤沥青将提高改性沥青的抗老化能力。本试验所制改性炭沥青样品的IC值均低于文献[8－10]中的相应数值，表明其胶体体系较稳定，可以预见，改性炭沥青具有较好的抗老化性能和存储稳定性。

图1 软化煤沥青添加比例与胶体不稳定指数的关系Fig.1 Relationship between the ratio of softening coal－tar pitch and colloid instable index

4 结论

（1）所制改性炭沥青的饱和分含量为6.88%～8.23%，芳香分含量为36.72%～44.54%，胶质含量为2 9.9 3%～3 4.1 7%，沥青质含量为13.07%～26.46%，各组分含量分布合理。

（2）4个系列改性炭沥青样品的IC值均较低，胶体体系较稳定，从而有利于改善其抗老化性和存储稳定性。

（3）添加软化剂2的C、D系列改性炭沥青的胶体稳定程度优于添加软化剂1的A、B系列改性炭沥青，其中D系列改性炭沥青的胶体稳定性最好。

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