白炭黑对SBS改性沥青及沥青混合料性能影响

2019-12-11张文刚袁中玉

山东理工大学学报（自然科学版） 2019年1期

张文刚,袁中玉

(1.山东理工大学建筑工程学院，山东淄博 255049；2.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049)

SBS改性沥青及沥青混合料在我国的沥青路面工程中扮演着重要的角色，其性能的优劣也影响着沥青路面的服务质量及服务年限。近年来围绕着如何提高SBS改性沥青及沥青混合料的技术性能展开了大量的研究[1-2]，新型改性剂及外掺剂是重要的手段之一[3-4]。白炭黑作为一种多孔性物质引起了学术界的关注，陈淼等人认为利用3%白炭黑+4%SBS复合改性的沥青拥有良好高温性能、低温性能和感温性能[5-6]；张志清等人认为向沥青混合料中掺入白炭黑对其低温抗裂性具有一定的改善效果[7]；陈爽利用硅烷白炭黑改性沥青，并认为硅烷白炭黑能够在一定程度上提高沥青的技术性能，对沥青混合料有一定的性能提升作用[8]。综合国内外研究现状，关于白炭黑改性沥青及沥青混合料的研究整体上较少，对于性能的研究不够全面。本文在上述研究现状的基础上，从白炭黑改善沥青及沥青混合料技术性能机理出发，利用不同掺量的白炭黑对SBS改性沥青进行改性，分析其技术性能，并设计沥青混合料，研究白炭黑对沥青混合料性能的影响规律，为白炭黑改性沥青及沥青混合料的研究提供基础资料。

1 白炭黑对SBS改性沥青及混合料影响机理

白炭黑学名沉淀水合二氧化硅，成分主要是SiO2，白炭黑拥有较小的密度、较大的比表面积以及较小的粒径。白炭黑为多孔性的物质，含有nH2O，所以白炭黑组成常以SiO2·nH2O表示，nH2O存在形式是表面羟基。白炭黑不溶于水、酸及溶剂，可以溶于氢氟酸及苛性碱，具有无味、耐高温、电绝缘性良好、不燃、无嗅等特性。

白炭黑在沥青及沥青混合料体系中的作用首先是由于白炭黑粒径较小，掺入沥青后能够与沥青充分接触，利用其比表面积小，吸附能力强的特点，在沥青中均匀的分布，增大了沥青与集料的结合强度，同时增大了沥青的黏度，减小了沥青的流动性，从而提高沥青的软化点以及PI值；其次白炭黑中有大量的活性剂成分，可以与硅烷醇基化学生成强键，从而导致白炭黑与SBS改性沥青中的聚合物改性剂发生化学偶联，从而改善SBS聚合物改性沥青中的交联情况；再者白炭黑本身亲水性相对不大，掺入沥青混方料中能够起到阻碍水的作用。可以提高沥青混合料的水稳定性；最后白炭黑的掺入能够加大沥青混合料的粉胶比，而粉胶比与沥青混合料的高温稳定性之间成正相关关系，所以白炭黑的掺入能够有效的提高沥青混合料的高温稳定性能。

2 试验设计

2.1 试验用原材料

所采用的白炭黑由山东吉泉生物科技有限公司生产，是白色、吸湿、力度细小的精末，其技术指标见表1，沥青来自山东高速物资储运有限公司，其技术性能见表2，采用集料为潍坊产辉绿岩，矿粉为石灰岩磨制而成，其技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。稳定剂为硫磺类稳定剂，生产厂家为中国石化股份有限公司，其在沥青中的掺量为0.2%。

表1 白炭黑(二氧化硅)技术指标
Tab.1 Technical performance of carbon-white

内容指标内容指标分子式SiO2密度/g·cm-32.2～2.6分子量60.08熔点/℃1 710含量/%99.0目数/目120

表2 70#基质沥青技术指标
Tab. 2 Technical performance of 70# asphalt

检测项目测定值60℃动力黏度/Pa·s193.2软化点/℃47.915℃延度/cm66.6 25℃针入度/0.1mm68.9RTOFT针入度比/%69.5质量损失/%0.515℃残留延度/cm19.5

采用的SBSI-D改性沥青制备工艺为：将SBS(星型∶线型=4∶1)投入25倍于其自身重量的70#基质沥青中，利用搅拌棒使改性剂完全淹没于180 ℃的沥青中，打开高速剪切仪，在1 000 r/min的剪切速度下剪切5～10 min，待SBS颗粒小到不宜溅出沥青容器壁为宜，然后将剪切速率在5 min内逐渐提升至5 000 r/min，并保持该速率剪切50 min，直至SBS颗粒足够小为止，随后向改性沥青中加入稳定剂和白炭黑，搅拌并保持180 ℃高温2.5 h。

2.2 试验设计

按照上述方法分别制备白炭黑掺量为0%、1%、2%、3%、4%(沥青质量%)的SBSI-D改性沥青，并对不同掺量的白炭黑/SBS复合改性沥青进行48 h离析软化点差、25 ℃针入度、5 ℃延度、135 ℃布洛菲克黏度以及软化点等一系列指标测试，分析白炭黑对SBS改性沥青技术性能的影响规律。设计SMA-13沥青混合料，采用相同的级配、相同的油石比对使用不同白炭黑掺量的SBSI-D改性沥青混合料进行DS、飞散损失、破坏应变、析漏损失、TSR、残留稳定度等一系列沥青混合料技术性能测试，以分析白炭黑/SBS复合改性沥青混合料的技术性能。

3 试验结果分析

3.1 白炭黑对SBS改性沥青性能的影响

不同白炭黑掺量的SBSI-D改性沥青的热存储稳定性试验结果汇总于图1中，由于该试验离散性较大，基于减小试验误差的考虑，将试验组数增大至10次。

图1 不同掺量的白炭黑/SBS复合改性沥青48h离析软化点差Fig.1 Softening point difference in 48h of SBS asphalt with different carbon-white contents

从图1可以明显的看出，掺入白炭黑后，SBSI-D改性沥青的热存储稳定性得到了明显的改善，48 h离析软化点差由3～4 ℃下降至1～2 ℃，值得注意的是当白炭黑掺量大于1%以后，48 h离析软化点差的减小趋势不再明显。

将不同白炭黑掺量下SBSI-D改性沥青25 ℃针入度、5 ℃延度、135 ℃布洛菲克黏度以及软化点的试验结果如图2所示。

从图2中可以看出，随着白炭黑掺量的增加，SBSI-D改性沥青针入度有略微减小的趋势，但老化后残留针入度百分比逐渐增大，这表明白炭黑在基本不影响SBS改性沥青针入度的情况下能够有效的提高改性沥青的抗老化性能；此外SBS改性沥青的软化点随着白炭黑用量的增多而逐渐增大，说明白炭黑能够提高SBS改性沥青的高温性能；5 ℃延度随着白炭黑的增加逐渐减小，但减小程度不大，且老化后延度的减小速率明显低于老化前，这一方面表明白炭黑能够提高SBS改性沥青的抗老化性能，另一方面也表明了白炭黑虽然不利于SBS改性沥青的低温性能，但鉴于老化后延度并未得到明显降低，所以白炭黑对沥青低温性能的影响不显著；135 ℃布氏黏度随着白炭黑的用量增加而呈现出逐渐增大的趋势，说明白炭黑能提高SBS改性沥青的粘滞性，但值得一提的是白炭黑掺量超过2%后，增幅不再明显。

(a) 25℃针入度

(b) 软化点

(d)135℃布氏黏度图2 不同白炭黑掺量SBS改性沥青技术性能Fig.2 Technical performance of SBS asphalt with different carbon-white contents

3.2 白炭黑对SBS改性沥青混合料技术性能的影响

按照设计的SMA-13级配，以6.2%为最佳油石比进行沥青混合料试件的制作，并测试不同白炭黑掺量下，SMA-13的动稳定度、残留稳定度、TSR、破坏应变、析漏损失、飞散损失等一系列性能。试验如图3—图5所示。

图3 不同白炭黑掺量下沥青混合料TSR和残留稳定度Fig.3 TSR and residual stability of asphalt mixture with different carbon-white contents

从图3可以看出，随着白炭黑掺量的不断增大，SMA-13的残留稳定度及TSR均呈现出不同程度的增加，这表明白炭黑的掺入使得SBS改性沥青的黏度增加，有效的提高了沥青混合料的水稳定性，这对沥青混合料耐久性的提升非常有利。

图4 不同白炭黑掺量下沥青混合料DS和破坏应变Fig.4 DS and failure strain of asphalt mixture with different carbon-white contents

图4为不同白炭黑掺量下SMA-13的动稳定度及低温破坏应变的试验结果，从图4中可以看出，白炭黑的掺入使得SMA-13的动稳定度逐步提升，掺量越大，提升越大；同时SMA-13的低温破坏应变随着白炭黑的掺量增大而增大；出现上述现象的原因与白炭黑能够提高SBS改性沥青的黏度有密切关系，虽然白炭黑的掺入能够在有限的范围内减小沥青低温延度，但鉴于沥青黏度的增大，反映在沥青混合料中低温抗裂性能并未减小，反而有一定程度的增大。综合分析可以得出，白炭黑能够提高沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性。