配制条件对炭黑沥青性能影响研究

黄征，杨国良*，陈乙轩，陈振誉，谢和春，刘峰，蓝涛

(1.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；2.广州广大工程检测咨询有限公司)

1 前言

沥青路面由于其行车舒适、路面平坦、噪音小、施工速度快等特点，逐渐成为道路常用的结构类型之一。随着重载交通量的增大，普通沥青往往不能满足当前路面性能要求，改性沥青却可弥补普通沥青这一缺陷。国内外研究表明：炭黑可以提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性、感温性、抗老化性能等，但配制条件对炭黑沥青各方面性能影响研究甚少，炭黑沥青结合料性能与原材料及其制备方式有密切的关系，它们对炭黑沥青性能的影响却又有所不同，所以有必要研究各因素对炭黑沥青路用性能的影响程度，这样有利于根据不同地区，不同气候条件，设计出更加合理的炭黑沥青道路施工工艺。

炭黑是按照氮表面积命名的，炭黑氮表面积越大粒径越小。影响炭黑沥青性能的因素众多，主要包括两方面：① 原材料，包含炭黑种类、炭黑掺量、炭黑细度等；② 制备工艺，主要包括配制温度等。该文选用炭黑作为改性剂对沥青进行改性，制备炭黑沥青胶结料。该文针对炭黑沥青配制温度、炭黑掺量、炭黑细度对炭黑沥青路用性能的影响进行分析。

2 试验材料

(1) 沥青。采用A级70#道路石油沥青，其主要技术性能指标如表1所示。

表1 A级70#道路石油沥青主要性能指标

由表1可知：各项质量指标均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》“道路石油沥青技术要求”中70#A级道路石油沥青(全天候)标准。

(2) 炭黑。为了研究炭黑细度对沥青性能影响，试验选用N220、N330、N550、N660共4种炭黑，主要性能指标见表2。

表2 炭黑主要性能指标

3 炭黑沥青的制备

先将基质沥青加热至配制温度，开动搅拌器，再将一定量的炭黑(2.5%、5.0%、7.5%、10.0%)缓慢掺入至基质沥青中。为保证炭黑在沥青中的均匀性，在炭黑沥青上中下3个层面各搅拌20 min共计1 h，完成炭黑沥青制备。

4 试验数据分析

4.1 不同配制条件下炭黑沥青的针入度

对掺量为5%的N220炭黑沥青进行不同配制温度下的针入度试验，以相应温度下的基质沥青针入度为基准，对比分析配制温度对炭黑沥青针入度的改善效果，试验结果如表3所示。

表3 不同配制温度下N220炭黑沥青的针入度

对配制温度为170 ℃的N220炭黑沥青进行不同炭黑掺量下的针入度试验，以相应温度下的基质沥青针入度为基准，对比分析炭黑掺量对炭黑沥青针入度改善效果，试验结果如表4所示。

对配制温度为130 ℃且炭黑掺量为5%的炭黑沥青进行不同炭黑细度的针入度试验，以相应温度下的基质沥青针入度为基准，对比分析炭黑细度对炭黑沥青针入度的改善效果，试验结果如表5所示。

表4 不同炭黑掺量下N220炭黑沥青的针入度

表5 不同炭黑细度下炭黑沥青针入度

由表3可知：当配制温度一定时，随着测试温度升高，炭黑沥青针入度逐渐增大；当测试温度一定时，炭黑沥青的针入度均小于基质沥青，且随着配制温度的升高，炭黑沥青的针入度先减小后增大，配制温度130 ℃和190 ℃对炭黑沥青针入度改善效果较佳。

由表4可知：炭黑掺量对15 ℃时所测的针入度影响不大；25、30 ℃时所测针入度，随炭黑掺量的增加大致逐渐减小。

由表5可知：随着氮吸附比表面积的减小，炭黑颗粒粒径逐渐增大，炭黑沥青针入度逐渐增大，各类炭黑沥青针入度均小于基质沥青。

4.2 不同配制条件下炭黑沥青延度

对掺量为5%的N220炭黑沥青进行不同配制温度下的15 ℃延度试验，以相应检测温度下的基质沥青延度为基准，对比分析配制温度对炭黑沥青延度的改善效果，试验结果如表6所示。

表6 不同配制温度下N220炭黑沥青的15 ℃延度

对配制温度为170 ℃的N220炭黑沥青进行不同炭黑掺量下的15 ℃延度试验，以相应检测温度下的基质沥青延度为基准，对比分析炭黑掺量对炭黑沥青延度改善效果，试验结果如表7所示。

表7 不同炭黑掺量下N220炭黑沥青的延度

对配制温度为130 ℃且掺量为5%的炭黑沥青进行不同炭黑细度的15 ℃延度试验，以相应检测温度下的基质沥青延度为基准，对比分析炭黑细度对炭黑沥青针入度改善效果，试验结果如表8所示。

表8 不同炭黑沥青的15 ℃延度

由表6可知：当测试温度为15 ℃时，炭黑掺量为5%的N220炭黑沥青的延度均低于基质沥青，且随着配制温度的升高，大致呈下降趋势。可见，炭黑的加入对基质沥青的延性不利。

由表7可知：随着炭黑掺量的增加，N220炭黑沥青胶结料的延度逐渐降低，可见，添加炭黑应适量，不宜太多。

由表8可知：当其他条件一定时，各种炭黑沥青的延度相差不大，故炭黑细度对炭黑沥青延度影响很小，但与基质沥青相比，延度减小较大，可见，炭黑降低了沥青的延展性。

4.3 不同配制条件下炭黑沥青的软化点

对炭黑掺量为5%的N220炭黑沥青进行不同配制温度下的软化点试验，以同等条件下基质沥青软化点为基准，对比分析配制温度对炭黑沥青软化点的改善效果，试验结果如表9所示。

表9 不同配制温度下N220炭黑沥青的软化点

对配制温度为170℃的N220炭黑沥青进行不同炭黑掺量下的软化点试验，以相同条件下的基质沥青软化点为基准，对比分析炭黑掺量对炭黑沥青软化点的改善效果，试验结果如表10所示。

表10 不同炭黑掺量下N220炭黑沥青的软化点

对配制温度为130 ℃且炭黑掺量为5%的炭黑沥青进行不同炭黑细度的软化点试验，以相同条件下的基质沥青软化点为基准，对比分析炭黑细度对炭黑沥青软化点的改善效果，试验结果如表11所示。

由表9可知：炭黑掺量为5%的N220炭黑沥青的软化点均大于基质沥青的软化点，且随着配制温度升高，软化点大致逐渐增加。由此可见，炭黑提高了基质沥青的高温稳定性。

表11 不同炭黑沥青的软化点

由表10可知：随着炭黑掺量的增加，N220炭黑颗粒与基质沥青的接触面积增大，形成更加致密的网状结构，故软化点逐渐增加。

由表11可知：炭黑掺量为5%的不同种炭黑颗粒配制的炭黑沥青软化点相差甚少且均大于基质沥青，可见，炭黑的氮吸附比表面积及炭黑细度对软化点的影响较小。

4.4 不同配制条件下炭黑沥青的黏度

对炭黑掺量为5%的N220炭黑沥青采用型号为29#的转子，进行不同配制温度下的60 ℃试验，以同等条件下基质沥青黏度为基准，对比配制温度对炭黑沥青黏度的改善效果，试验结果见表12。

表12 不同配制温度下N220炭黑沥青的黏度

对配制温度为170 ℃的N220炭黑沥青采用型号为29#的转子,进行不同炭黑掺量下60 ℃黏度试验，以相同条件下的基质沥青黏度为基准，对比分析炭黑掺量对炭黑沥青黏度的改善效果，试验结果如表13所示。

对配制温度为130 ℃且炭黑掺量为5%的炭黑沥青采用型号为29#的转子,进行不同炭黑细度下60 ℃黏度试验，以相同条件下的基质沥青黏度为基准，对比分析炭黑细度对炭黑沥青软化点的改善效果，试验结果如表14所示。

表13 不同炭黑掺量下N220炭黑沥青的黏度

表14 不同炭黑沥青的黏度

由表12可知：炭黑掺量为5%的N220炭黑沥青的黏度均大于基质沥青的黏度，且随着配制温度升高，黏度逐渐增加。由此可见，配制温度越高，炭黑沥青老化越明显。

由表13可知：随着炭黑掺量的增加，N220炭黑颗粒与基质沥青的接触面变大，形成更为庞大而致密的凝胶体，彼此相连成网状结构，使炭黑沥青的黏度逐渐增大。

由表14可知：当炭黑掺量为5%时，炭黑颗粒的细度对炭黑沥青的黏度影响较小，且炭黑沥青的黏度均大于基质沥青。

5 结论

(1) 在不同配制温度下，炭黑沥青的针入度、延度均小于基质沥青，而软化点、黏度均大于基质沥青，且随着配制温度的升高，炭黑沥青的针入度先减小后增大，延度减小，软化点、黏度逐渐增加。

(2) 当炭黑掺量不同时，炭黑掺量对15和25 ℃时所测的针入度影响不大，随炭黑掺量的增加，炭黑沥青30℃时所测针入度逐渐减小，延度逐渐减小，软化点、黏度增加逐渐增大。

(3) 4种炭黑N220、N330、N550、N660的氮吸附比表面积逐渐减小，炭黑颗粒粒径逐渐增大，炭黑沥青针入度逐渐增大，不同炭黑颗粒配制的炭黑沥青延度、软化点、黏度相差甚少；4种炭黑沥青针入度、延度均小于基质沥青，而软化点、黏度均大于基质沥青。