白炭黑對SBS改性瀝青及瀝青混合料性能影響

張文剛,袁中玉

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

SBS改性瀝青及瀝青混合料在我國的瀝青路面工程中扮演著重要的角色，其性能的優(yōu)劣也影響著瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量及服務(wù)年限。近年來圍繞著如何提高SBS改性瀝青及瀝青混合料的技術(shù)性能展開了大量的研究[1-2]，新型改性劑及外摻劑是重要的手段之一[3-4]。白炭黑作為一種多孔性物質(zhì)引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，陳淼等人認(rèn)為利用3%白炭黑+4%SBS復(fù)合改性的瀝青擁有良好高溫性能、低溫性能和感溫性能[5-6]；張志清等人認(rèn)為向?yàn)r青混合料中摻入白炭黑對其低溫抗裂性具有一定的改善效果[7]；陳爽利用硅烷白炭黑改性瀝青，并認(rèn)為硅烷白炭黑能夠在一定程度上提高瀝青的技術(shù)性能，對瀝青混合料有一定的性能提升作用[8]。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，關(guān)于白炭黑改性瀝青及瀝青混合料的研究整體上較少，對于性能的研究不夠全面。本文在上述研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從白炭黑改善瀝青及瀝青混合料技術(shù)性能機(jī)理出發(fā)，利用不同摻量的白炭黑對SBS改性瀝青進(jìn)行改性，分析其技術(shù)性能，并設(shè)計(jì)瀝青混合料，研究白炭黑對瀝青混合料性能的影響規(guī)律，為白炭黑改性瀝青及瀝青混合料的研究提供基礎(chǔ)資料。

1 白炭黑對SBS改性瀝青及混合料影響機(jī)理

白炭黑學(xué)名沉淀水合二氧化硅，成分主要是SiO2，白炭黑擁有較小的密度、較大的比表面積以及較小的粒徑。白炭黑為多孔性的物質(zhì)，含有nH2O，所以白炭黑組成常以SiO2·nH2O表示，nH2O存在形式是表面羥基。白炭黑不溶于水、酸及溶劑，可以溶于氫氟酸及苛性堿，具有無味、耐高溫、電絕緣性良好、不燃、無嗅等特性。

白炭黑在瀝青及瀝青混合料體系中的作用首先是由于白炭黑粒徑較小，摻入瀝青后能夠與瀝青充分接觸，利用其比表面積小，吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在瀝青中均勻的分布，增大了瀝青與集料的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)增大了瀝青的黏度，減小了瀝青的流動性，從而提高瀝青的軟化點(diǎn)以及PI值；其次白炭黑中有大量的活性劑成分，可以與硅烷醇基化學(xué)生成強(qiáng)鍵，從而導(dǎo)致白炭黑與SBS改性瀝青中的聚合物改性劑發(fā)生化學(xué)偶聯(lián)，從而改善SBS聚合物改性瀝青中的交聯(lián)情況；再者白炭黑本身親水性相對不大，摻入瀝青混方料中能夠起到阻礙水的作用。可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性；最后白炭黑的摻入能夠加大瀝青混合料的粉膠比，而粉膠比與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性之間成正相關(guān)關(guān)系，所以白炭黑的摻入能夠有效的提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)用原材料

所采用的白炭黑由山東吉泉生物科技有限公司生產(chǎn)，是白色、吸濕、力度細(xì)小的精末，其技術(shù)指標(biāo)見表1，瀝青來自山東高速物資儲運(yùn)有限公司，其技術(shù)性能見表2，采用集料為濰坊產(chǎn)輝綠巖，礦粉為石灰?guī)r磨制而成，其技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。穩(wěn)定劑為硫磺類穩(wěn)定劑，生產(chǎn)廠家為中國石化股份有限公司，其在瀝青中的摻量為0.2%。

表1 白炭黑(二氧化硅)技術(shù)指標(biāo)
Tab.1 Technical performance of carbon-white

內(nèi)容指標(biāo)內(nèi)容指標(biāo)分子式SiO2密度/g·cm-32.2～2.6分子量60.08熔點(diǎn)/℃1 710含量/%99.0目數(shù)/目120

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)
Tab. 2 Technical performance of 70# asphalt

檢測項(xiàng)目測定值60℃動力黏度/Pa·s193.2軟化點(diǎn)/℃47.915℃延度/cm66.6 25℃針入度/0.1mm68.9RTOFT針入度比/%69.5質(zhì)量損失/%0.515℃殘留延度/cm19.5

采用的SBSI-D改性瀝青制備工藝為：將SBS(星型∶線型=4∶1)投入25倍于其自身重量的70#基質(zhì)瀝青中，利用攪拌棒使改性劑完全淹沒于180 ℃的瀝青中，打開高速剪切儀，在1 000 r/min的剪切速度下剪切5～10 min，待SBS顆粒小到不宜濺出瀝青容器壁為宜，然后將剪切速率在5 min內(nèi)逐漸提升至5 000 r/min，并保持該速率剪切50 min，直至SBS顆粒足夠小為止，隨后向改性瀝青中加入穩(wěn)定劑和白炭黑，攪拌并保持180 ℃高溫2.5 h。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照上述方法分別制備白炭黑摻量為0%、1%、2%、3%、4%(瀝青質(zhì)量%)的SBSI-D改性瀝青，并對不同摻量的白炭黑/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行48 h離析軟化點(diǎn)差、25 ℃針入度、5 ℃延度、135 ℃布洛菲克黏度以及軟化點(diǎn)等一系列指標(biāo)測試，分析白炭黑對SBS改性瀝青技術(shù)性能的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)SMA-13瀝青混合料，采用相同的級配、相同的油石比對使用不同白炭黑摻量的SBSI-D改性瀝青混合料進(jìn)行DS、飛散損失、破壞應(yīng)變、析漏損失、TSR、殘留穩(wěn)定度等一系列瀝青混合料技術(shù)性能測試，以分析白炭黑/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的技術(shù)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 白炭黑對SBS改性瀝青性能的影響

不同白炭黑摻量的SBSI-D改性瀝青的熱存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果匯總于圖1中，由于該試驗(yàn)離散性較大，基于減小試驗(yàn)誤差的考慮，將試驗(yàn)組數(shù)增大至10次。

圖1 不同摻量的白炭黑/SBS復(fù)合改性瀝青48h離析軟化點(diǎn)差Fig.1 Softening point difference in 48h of SBS asphalt with different carbon-white contents

從圖1可以明顯的看出，摻入白炭黑后，SBSI-D改性瀝青的熱存儲穩(wěn)定性得到了明顯的改善，48 h離析軟化點(diǎn)差由3～4 ℃下降至1～2 ℃，值得注意的是當(dāng)白炭黑摻量大于1%以后，48 h離析軟化點(diǎn)差的減小趨勢不再明顯。

將不同白炭黑摻量下SBSI-D改性瀝青25 ℃針入度、5 ℃延度、135 ℃布洛菲克黏度以及軟化點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著白炭黑摻量的增加，SBSI-D改性瀝青針入度有略微減小的趨勢，但老化后殘留針入度百分比逐漸增大，這表明白炭黑在基本不影響SBS改性瀝青針入度的情況下能夠有效的提高改性瀝青的抗老化性能；此外SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著白炭黑用量的增多而逐漸增大，說明白炭黑能夠提高SBS改性瀝青的高溫性能；5 ℃延度隨著白炭黑的增加逐漸減小，但減小程度不大，且老化后延度的減小速率明顯低于老化前，這一方面表明白炭黑能夠提高SBS改性瀝青的抗老化性能，另一方面也表明了白炭黑雖然不利于SBS改性瀝青的低溫性能，但鑒于老化后延度并未得到明顯降低，所以白炭黑對瀝青低溫性能的影響不顯著；135 ℃布氏黏度隨著白炭黑的用量增加而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明白炭黑能提高SBS改性瀝青的粘滯性，但值得一提的是白炭黑摻量超過2%后，增幅不再明顯。

(a) 25℃針入度

(b) 軟化點(diǎn)

(c) 5℃延度

(d)135℃布氏黏度圖2 不同白炭黑摻量SBS改性瀝青技術(shù)性能Fig.2 Technical performance of SBS asphalt with different carbon-white contents

3.2 白炭黑對SBS改性瀝青混合料技術(shù)性能的影響

按照設(shè)計(jì)的SMA-13級配，以6.2%為最佳油石比進(jìn)行瀝青混合料試件的制作，并測試不同白炭黑摻量下，SMA-13的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、TSR、破壞應(yīng)變、析漏損失、飛散損失等一系列性能。試驗(yàn)如圖3—圖5所示。

圖3 不同白炭黑摻量下瀝青混合料TSR和殘留穩(wěn)定度Fig.3 TSR and residual stability of asphalt mixture with different carbon-white contents

從圖3可以看出，隨著白炭黑摻量的不斷增大，SMA-13的殘留穩(wěn)定度及TSR均呈現(xiàn)出不同程度的增加，這表明白炭黑的摻入使得SBS改性瀝青的黏度增加，有效的提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這對瀝青混合料耐久性的提升非常有利。

圖4 不同白炭黑摻量下瀝青混合料DS和破壞應(yīng)變Fig.4 DS and failure strain of asphalt mixture with different carbon-white contents

圖4為不同白炭黑摻量下SMA-13的動穩(wěn)定度及低溫破壞應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果，從圖4中可以看出，白炭黑的摻入使得SMA-13的動穩(wěn)定度逐步提升，摻量越大，提升越大；同時(shí)SMA-13的低溫破壞應(yīng)變隨著白炭黑的摻量增大而增大；出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因與白炭黑能夠提高SBS改性瀝青的黏度有密切關(guān)系，雖然白炭黑的摻入能夠在有限的范圍內(nèi)減小瀝青低溫延度，但鑒于瀝青黏度的增大，反映在瀝青混合料中低溫抗裂性能并未減小，反而有一定程度的增大。綜合分析可以得出，白炭黑能夠提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

圖5 不同白炭黑摻量下瀝青混合料飛散損失和析漏損失Fig.5 Scattering loss and leakage loss of asphalt mixture with different carbon-white contents

從圖5中可以明顯的看出，白炭黑的摻入使得SMA-13的飛散損失以及析漏損失變小，且摻量越大，損失值越小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因一是與白炭黑增了瀝青的黏度提升了瀝青與集料的粘附性，使瀝青混合料內(nèi)部抵抗飛散損失的能力增大有關(guān)；二是瀝青黏度的增大減小了瀝青在析漏試驗(yàn)中的流動性，從而減小了析漏損失值。

4 結(jié)束語

本文試驗(yàn)研究結(jié)果表明白炭黑能夠有效的提高SBS改性瀝青及瀝青混合料的路用性能，特別是在提高SBS改性瀝青存儲穩(wěn)定性方面效果突出。本研究為白炭黑改性瀝青及瀝青混合料的研究提供了一定的方法及數(shù)據(jù)。該研究領(lǐng)域仍然存在許多問題，如白炭黑改性瀝青的改性工藝、白炭黑改性瀝青混合料的施工工藝等有待進(jìn)一步研究。