费托蜡对沥青改性效果的研究

唐哲

（重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆400041）

引言

费托（Fischer Tropsch）蜡是亚甲基聚合物，是碳氢基合成气或天然气合成的烷烃聚合物，主要依靠煤化工优质廉价的原材料进行铁基或者钴基合成，较原油蜡价格有比较明显的优势。温度低于熔点时，费托蜡在沥青胶结料中形成晶格结构，这是含有费托蜡沥青稳定性的基础，费托蜡还可以提高沥青混合料的抗车辙能力以及压实度。所以费脱蜡可用于沥青改性剂，不同加工工艺生产出的费托蜡性质不一样，对沥青的改性效果也就不一样。

目前，南非的Sasol公司和荷兰皇家壳牌集团（Shell）这两家企业具有较为优良的工业费托蜡合成装置。国内具有自主知识产权的煤间接、直接液化合成煤基费托蜡技术共建有三套示范装置，分别为伊泰、潞安以及神华集团合成油示范装置。其中，山西潞安煤基合成油有限公司在2014年5月自主研发出符合南非Sasol标准的高熔点费托蜡，打破了国外费托蜡垄断市场；同时，内蒙古伊泰新建120万吨新装置已处于试运行状态。但是，国内使用的少数高端高熔点费托蜡主要还是依赖进口。目前国内将费托蜡用于沥青改性的研究较少，而费托蜡与沥青的相容性好，只需加热进行简单搅拌就可以改性，对设备要求不高。因此进行室内实验，研究费托蜡改性沥青的性能，从而将国产费托蜡在沥青方面的应用进一步扩大。

参数 熔点/℃ 闪点/℃ 135℃黏度/（Pa·s）150℃黏度/（Pa·s）25℃针入度/0.1 mm 60℃针入度/0.1 mm测试值 100 290 5.47×10-3 3.26×10-3 1 8

表1 70#基质沥青A基本技术参数

表2 不同掺量费托蜡（壳牌）对SK70#基质沥青的改性效果

1 原材料的选取及改性沥青制备

1.1 原材料各项参数

1.1.1 费托蜡的物理指标

1.1.2 实验所取基质沥青为壳牌SK70#基质沥青，其基本技术参数见表一:

1.1.3 聚合物改性沥青离析试验

离析试验用来评价基质沥青与改性剂的配伍性、相容性及储存稳定性问题。按照T 0661-2011中的方法进行试验。费托蜡改性属于EVA类聚合物改性沥青。试验方法：将费托蜡改性沥青浇入针入度试样杯中至标线处，放入135℃烘箱中，持续24 h后取出，用小刮刀徐徐探测试样，查看表面层稠度，检查底部及周围的沉淀物。按照规范表T 0662-1记录试验结果。此结果为均匀的，无结皮和沉淀。表明费托蜡跟基质沥青相容性好，不会发生离析。

1.2 费托蜡改性沥青的制备

1.2.1 费托蜡改性剂制备改性沥青

改性沥青制备工艺采用简单搅拌，一次掺配进行。

1.2.2 加工工艺参数的设定

通过离析试验和大量文献已经证明:费托蜡在130～145℃的基质沥青中分散均匀，不发生离析。用低速剪切机进行搅拌，转速设为400 r/min，时间设定为30分钟。工艺简单，不需要特殊设备。

1.2.3 对改性剂分别进行2%，3%，4%，5%的四种不同掺量的试验，其搅拌时间，转速，加热温度条件不变。试验结果如表2所示。

图1 不同温度下针入度与F-T蜡掺量的关系

图2 针入度指数与费托蜡掺量的关系

2 费托蜡改性剂对沥青针入度的影响

针入度是表征粘稠沥青条件粘度的一种指标。针入度试验是一种用于测量沥青胶结料稠度的简单方法。其标准试验条件为温度25℃，荷重100 g，贯入时间5 s。计量单位0.1 mm。

按照JTG E20-2011规程标准方法，研究结果如图1所示，不同试验温度条件下相同的基质沥青中掺入不同量的费托蜡，针入度值跟原来相比均有所降低，表明费托蜡改性剂能使沥青的针入度减小；从微观角度分析，这是因为沥青质平均分子质量大于费托蜡平均分子质量，沥青整体相位可以达到平衡，因此两者相容性较好。分析相容性结果也可知，费托蜡高温熔融后在沥青中分散均匀，费托蜡低温状态下以形成稳定的网状结构，提升了沥青胶体热稳定性，降低了温度敏感性。总之，不同量的费托蜡改性掺入基质沥青中，针入度均降低，表明费托蜡改性剂可使沥青变硬、稠度变大，抵抗变形的能力有所增加。

针入度指数PI用以描述沥青的温度敏感性，宜在15℃、25℃、30℃等3个或3个以上温度条件下测定针入度后按照规定方法计算得到。由图1计算出不同费托蜡掺量下沥青的针入度指数，由图2统计看出当费托蜡掺量为3%时针入度指数最大，说明此时的沥青温敏感性最低，表明费托蜡的掺量对沥青的温敏感性有不同的影响。

3 费托蜡改性剂对沥青延度的影响

沥青的延性是当其受到外力的拉升作用时，所能承受的塑性变形的总能力，通常用延度作为条件延性指标来表征。延度是规定形态的沥青试样，在规定温度下以一定速度拉升至断开时的长度，以㎝计。对于延度指标，各国学者、专家对其认知看法不一，但目前还未有可替代的方法检测。三大指标之一的延度是对施工质量有重大的影响，尤其在低温条件下测延度。大量试验结果表明，延度反映低温条件下沥青的抗变形能力，沥青路面开裂等病害与其密切相关。

按JTG E20-2011规范中10℃的方法进行试验，结果如图表一，可见费托蜡改性剂的掺入使沥青延度值显著下降，且随费托蜡掺量增加沥青延度逐渐下降。这是因为费托蜡在高温条件下均匀分布于沥青中，而在低温状态下蜡变硬便显出蜡的脆性使得延度降低。因此，从沥青延度随费托蜡掺量的变化来看，费托蜡对沥青的低温性能有不利影响。

4 费托蜡改性剂对沥青软化点的影响

沥青软化点是沥青达到规定条件黏度时的温度，所以软化点既是反映沥青温度敏感性的重要指标，也是沥青黏稠性的一种度量。软化点的数值随采用不同仪器而异，我国现行规范试验采用环与球软化点法。在沥青中加入费托蜡后低温时会结晶，从微观角度分析，费托蜡结晶空间网状结构将沥青各组分均匀包裹，使得沥青黏稠度增加从而增加了流动阻力，宏观上表现为软化点升高，表明费托蜡可显著提升沥青的高温抗变形能力。

5 费托蜡对沥青粘度的影响

沥青材料是一种非晶质高分子材料，它由液态凝结为固态，或由固态熔化为液态。其粘度随温度而发生变化，从低温时的弹性状态到高温时的粘弹性、粘塑性或者流体状态，这是沥青材料的特征。黏度是流体抗流动的度量，沥青的粘滞性及随温度变化的规律常用黏度来评价。沥青粘度值影响着沥青的路面力学性能，且沥青粘度范围随温度变的区域较大。因此要根据温度条件以及检测目的来确定沥青粘度。实际工程中加工或改性沥青都是在较高温度条件下进行。因此，本研究采用较宽范围的温度，来测定费托蜡该系沥青的粘度，探究费托蜡改性沥青黏度随温度变化的规律。

在 90、135、165℃这三种不同温度下进行沥青粘度试样 ，当温度低于90℃时，布氏黏度方法无法测出费托蜡改性沥青的黏度值。在90℃条件下费托蜡并未完全熔融，此时费托蜡改性沥青的粘度值变化不能反映对沥青流体动力特性，当温度超过120℃时费托蜡才能完全融于沥青中，所以应在135、165℃条件下探究费托蜡对沥青的降粘效果。测试结果如表3：

表3 3%掺量的费托蜡在不同温度下粘度影响

根据表格可看出，随着温度的升高，3%费托蜡改性沥青的粘度是呈降低的趋势。在90℃时，相比于基质沥青，费托蜡改性沥青的黏度值提升了42.3%，大幅度提升了高温性能，有利于夏季抗车辙。费托蜡改性沥青的抵抗变形能力增强，抗车辙性能优于普SBS改性沥青，费托蜡改性剂的掺入对沥青的高温性能有所改善。135℃

～165℃黏度显著下降有利于施工。

6 结束语

(1)费托蜡影响沥青抵抗变形的能力。在25℃试验温度下，当费托蜡掺量为3%时，沥青的温敏感性最低。表明沥青的温敏感性受费托蜡掺量的影响。

(2)费托蜡可以降低沥青的低温延度，且随着掺量的增多其延度值越小，费托蜡对沥青的低温性能略有不利影响。

(3)费托蜡掺量对沥青的温敏感性影响显著，且沥青的敏感性随其掺量的增加变现为先增大后减小。当掺量在3%时针入度指数最大，此时的路用性能最佳。

(4)费托蜡能显著提高沥青的软化点，掺量3%时的沥青软化点提升最多。掺量超过3%时，费托蜡在沥青的溶解度趋于饱和，因此软化点值的变化也趋于平缓。

(5)费托蜡掺量为3%时，改性沥青的90℃黏度提升了42.3%，高温性能大大提升，有利于夏季抗车辙；在135～165℃

时，黏度大幅度下降有利于施工。