裂化油浆/SBS复合改性沥青的制备及性能研究

刘金妹（内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰　024005）

裂化油浆/SBS复合改性沥青的制备及性能研究

刘金妹
（内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰024005）

针对现有聚合物改性沥青材料的不足，以裂化油浆（FCC）和SBS为改性剂，采用高速剪切法在室内制备了一种新型复合改性沥青材料。通过软化点、针入度和延度等试验，优化了复合改性沥青的室内制备工艺。研究表明：当SBS掺量为4.5%时，随着FCC油浆掺量的增多，复合改性沥青高温性能逐渐下降，抗老化性能、中温疲劳性能和低温性能逐渐提高，综合考虑，当FCC油浆掺量为10%～15%时，复合改性沥青在具有较好抗老化性能、中温疲劳性能和低温性能的同时，兼具较好的高温性能。

道路工程；裂化油浆；SBS改性剂；复合改性沥青

0　前言

为了使沥青路面能承受重载交通和严酷气候条件的双重考验，防止和减轻沥青路面的早期破坏，对沥青材料进行更深层次的改性研究具有重要的实际意义。目前改性沥青技术中应用最广泛的属聚合物改性沥青，其中尤以SBS改性沥青最具代表性［1-2］。SBS改性沥青虽然能显著改善沥青路面的使用性能和耐久性，减少路面的早期破坏，但也存在着耐老化性能差、SBS与基质沥青相容性差，以及无法兼顾沥青各项性能的全面提升等缺点［3-7］。裂化油浆（FCC）是原油加工过程中的副产品，由于再加工工艺繁琐，通常作为普通燃油使用，没有充分发挥其潜在的利用价值［8-9］。FCC油浆中富含大量的2～4环芳烃，其中的油分与沥青中的饱和芬、芳香芬等轻质组分极为相似，因此可以将其应用于沥青材料的改性［10-11］。对于FCC油浆改性沥青，国内学者进行了大量的研究，结果表明，将FCC油浆用于沥青改性，虽然使沥青的低温性能、抗老化性能得到改善，但会造成沥青高温性能的急剧降低［12-14］。因此，将FCC油浆和SBS改性剂共同用于沥青改性，同时发挥2种材料各自的优势，制备综合性能优越的改性沥青材料对提高沥青路面的使用寿命具有重要意义。本文通过试验优化了复合改性沥青的制备工艺，并研究了FCC油浆掺量对沥青性能的影响，得到最佳的改性材料配比，为促进改性沥青材料的研究提供新的思路。

1　试验原材料

选用HK70#基质沥青，其针入度60.5（0.1 mm）（25℃，100 g，5s），软化点49.9℃，延度大于150 cm（5 cm/min，15℃），闪点285℃，RTFOT后质量损失0.46%。FCC油浆取自中国石化扬子石油化工股份有限公司，其主要技术性能指标见表1。SBS改性剂采用中国石油股份有限公司生产的星型SBS，外观呈白色立体状，各项指标符合相关规定。

表1　FCC油浆的技术性能指标

2　复合改性沥青制备工艺优化

2.1投料顺序的确定

复合改性沥青中由于FCC油浆和SBS改性剂的物理属性不同，对沥青的改性机理也有所不同，因此，制备时2种改性剂的投料顺序必然会影响到改性沥青的性能。固定基质沥青、FCC油浆、SBS改性剂和稳定剂的用量不变，改变2种改性剂的加入顺序，分析改性沥青性能指标的变化，寻求最佳的投料顺序。

方案1：将基质沥青加热至150℃，加入SBS改性剂溶胀30 min，升温至170℃并剪切40 min，然后加入稳定剂并剪切10 min，最后加入FCC油浆，在150℃条件下搅拌10 min，发育30 min。

方案2：将基质沥青加热至150℃，将FCC油浆加入到基质沥青中，并用玻璃棒搅拌10min，此过程保持温度不变，再将SBS加入沥青中溶胀30min，之后升温至170℃剪切40min，然后加入稳定剂剪切10min，最后在150℃条件下发育30min。

方案3：将基质沥青加热至150℃，先将FCC油浆加入到基质沥青中，并用玻璃棒搅拌10 min，升温至170℃时将SBS加入沥青中并剪切20 min，等温度降低至150℃时溶胀30 min，再将温度升高至170℃剪切20 min，然后加入稳定剂剪切10 min，最后在150℃条件下发育30 min。

采用3种不同投料方案时复合改性沥青的性能见表2。

表2　投料顺序对复合改性沥青性能的影响

从表2可以看出，改性剂的投料顺序不同，改性沥青的性能不同，其中投料顺序对低温延度的影响最大，与方案1相比，方案2沥青的延度提高了18.3%，低温性能得到了大幅改善，这主要是因为，FCC油浆中富含的油分与基质沥青中的芳香芬、饱和芬等轻质组成相似，先将FCC油浆加入到基质沥青中，使基质沥青胶体结构中的轻质组分含量上升，使SBS改性剂的溶胀和吸附作用增强，沥青和SBS改性剂之间的界面层厚度增加，提高了SBS与基质沥青之间的相容性，更容易形成稳定的三维网络结构，因此沥青性能较好；若将FCC油浆最后加入，由于SBS的前期溶胀程度较低，SBS的长分子链扩展不充分，在沥青中分散的均匀性较差，因此沥青性能较差。与方案3相比，方案2沥青的低温延度提高了13.4%，这是因为先溶胀使SBS的吸附作用增强，轻质组分较好地被SBS吸收，在高速剪切作用下，SBS更容易在沥青中均匀分散，沥青性能较好。因此，以下制备复合改性沥青时均采用方案2的投料顺序。

2.2剪切时间的确定

控制2种改性剂和稳定剂的用量不变，在170℃条件下，利用高速剪切仪以5000r/min的剪切速率对复合改性沥青连续剪切不同时间，研究剪切时间对沥青性能的影响，结果见表3。

表3　剪切时间对复合改性沥青性能的影响

从表3可以看出，随着剪切时间的延长，软化点呈先增大后减小的变化规律，当剪切时间为60 min时软化点最高；针入度和低温延度随剪切时间的延长逐渐增大，且当剪切时间大于60 min后，延度增长不明显。这是因为，剪切时间过短，FCC油浆和基质沥青的混合不均匀，且SBS的溶胀和吸附程度较低，没有达到预期的改性效果，因此延长剪切时间能改善改性沥青的高低温性能；当剪切时间大于60 min后，过长时间的高温溶胀使SBS的分子链断裂，分子质量降低，改性沥青的黏度下降，因此高温性能降低。综合考虑，最佳的剪切时间应为60 min。

2.3剪切速率的确定

剪切速率不同，改性剂在沥青中的分散程度不同，因此改性沥青的性能也将有所差异。控制其它条件不变，分别以3000、4000、5000和6000 r/min的剪切速率对沥青进行高速剪切，研究剪切速率对改性沥青性能的影响，结果见表4。

表4　剪切速率对复合改性沥青性能的影响

从表4可以看出，随着剪切速率的增大，软化点、针入度和低温延度都表现出先增大后减小的变化规律，当剪切速率为4000 r/min时，软化点和延度最大，沥青的高低温性能最佳。这是因为，随着剪切速率的增大，FCC油浆在基质沥青中的扩散越强，与基质沥青的混合越均匀，同时SBS被逐渐磨细，与沥青的相容性逐渐增大，因此复合改性沥青的性能得到改善。而剪切速率过大时，SBS被进一步磨细，过细的SBS难以贯穿于沥青中形成稳定的三维网络结构，SBS的高粘弹性难以发挥，使复合改性沥青的高低温性能反而变差。因此，最佳的剪切速率应为4000 r/min。

2.4溶胀时间的确定

控制其它条件不变，研究溶胀时间对复合改性沥青性能的影响，结果见表5。

表5　溶胀时间对复合改性沥青性能的影响

从表5可以看出，随着溶胀时间的延长，软化点逐渐增大，针入度和延度逐渐减小，但延度的变化幅度较小，当溶胀时间超过50 min后，3项指标的变化幅度均很小。其原因为，在溶胀过程中SBS不断吸收沥青中的轻质组分，若溶胀时间过短，SBS对油分的吸附作用较弱，不能在沥青中很好地发育，无法形成网络结构，因此延长溶胀时间能明显改善复合改性沥青的性能；但SBS在沥青中的溶胀是有限的，当溶胀时间超过50 min时，SBS的发育速度缓慢甚至停止，沥青性能的提高幅度有限。因此最佳的发育时间应为50 min。

3　FCC油浆掺量对复合改性沥青性能的影响

3.1高温性能

控制SBS用量为4.5%、稳定剂用量为0.1%，采用以上制备工艺制备FCC油浆掺量分别为5%、10%、15%和20%的复合改性沥青，利用DSR试验，测试不同FCC油浆掺量时，沥青老化前以及短期老化后车辙因子G*/sinδ随温度的变化规律，试验时采用应力控制模式，荷载频率为10rad/s，振动频率为1.59 Hz。FCC油浆掺量对复合改性沥青高温性能的影响见图1。

从图1可以看出，当FCC油浆掺量相同时，老化前后复合改性沥青的G*/sinδ随温度的升高逐渐下降，这是因为随着温度的升高沥青由高弹态向粘流态转化，弹性比例下降，粘性比例上升，在荷载作用下的变形逐渐增大，因此G*/sinδ逐渐减小，沥青高温性能变差。老化前后，G*/sinδ随FCC油浆掺量的增多逐渐下降，当FCC油浆掺量超过15%时，G*/sinδ下降明显，复合改性沥青的高温性能大幅降低。解释其原因为，FCC油浆的加入改变了沥青的组成，使轻质组分含量上升，沥青质含量降低，高温时沥青中的弹性比例降低而粘性比例上升，因此G*/sinδ逐渐下降，其中当FCC油浆掺量小于15%时，FCC油浆对沥青高温性能造成了一定的削弱，此时对高温性能起主导作用的是SBS改性剂，因此G*/sinδ降低不明显；当FCC油浆掺量大于15%时，复合改性沥青中轻质组分含量过多，SBS对沥青高温性能的贡献降低，此时FCC油浆掺量对高温性能起主导作用，因此G*/sinδ大幅下降。从高温性能考虑，FCC油浆掺量不应超过15%。

图1　FCC油浆掺量对复合改性沥青车辙因子的影响

相同条件下，老化后复合改性沥青的G*/sinδ大幅增长，且FCC油浆掺量不同，老化后G*/sinδ的提高程度不同。当温度为60℃，老化后FCC油浆掺量分别为5%、10%、15%和20%时改性沥青的G*/sinδ分别增长了95.2%、59.6%、26.3%和43.1%。老化后G*/sinδ的增长比例越小，表明老化引起的油分损失比例越小，复合改性沥青的抗老化性能越强，因此当FCC油浆掺量为15%时，复合改性沥青的抗老化性能最好。这是因为，当FCC油浆掺量低于15%时，增大FCC油浆掺量能很好地补充由于老化作用而引起的沥青轻质组分的损失，使沥青抗老化性能得到提高；而当FCC油浆掺量大于15%时，沥青中的油分含量接近饱和，由于短期老化引起的油分损失占总油分的比例有限，因此对沥青抗老化性能的改善程度有限，相反会引起其它性能的劣化。

3.2中温耐疲劳性能

SHRP沥青路用性能规范中规定以DSR试验测试沥青的疲劳性能，以疲劳因子G*·sinδ作为评价指标。试验时先将沥青进行短期老化，再将残留物经过PVA老化，由DSR测试PVA老化后残留物的G*·sinδ随温度的变化，相同温度且G*·sinδ不超过5 kPa时，G*·sinδ越小表明抗疲劳性能越好。不同FCC油浆掺量时，改性沥青中的温疲劳试验结果见图2。

图2　FCC油浆掺量对复合改性沥青疲劳因子的影响

从图2可以看出，随着温度的升高，复合改性沥青的G*· sinδ逐渐降低，疲劳性能逐渐提高，这是因为在中低温区间时，升高温度使沥青的脆性减弱，弹性和韧性逐渐增强，疲劳荷载作用时沥青的弹性恢复能力逐渐提高，且由于沥青的弹性形变吸收的能量越多，使疲劳性能得到改善。当FCC油浆掺量由5%增大至10%时，G*·sinδ大幅降低，沥青疲劳性能得到显著改善，而当FCC油浆掺量超过10%时，再增大FCC油浆掺量引起的G*·sinδ下降幅度很小。对应的当G*·sinδ为5 kPa时，可求得FCC油浆掺量分别为5%、10%、15%和20%时，复合改性沥青的易疲劳温度分别为18.5、15.6、15.1和15.1℃。表明FCC油浆掺量越多，复合改性沥青的易疲劳温度越低，当FCC油浆掺量超过15%时，易疲劳温度趋于稳定。因此，从中低温抗疲劳性能角度考虑，FCC油浆掺量宜在10%～15%。

3.3低温性能

降温时沥青混合料内部产生温度应力，混合料随之收缩而产生应力松弛现象，相对于温度变化，应力松弛较缓慢而被积累，导致路面出现低温开裂。利用DSR试验将复合改性沥青小梁试样在-5℃下的形变加载至2%，然后观测应力松弛过程中残余应力比随时间的变化，反应复合改性沥青的低温性能，其中残余应力比越小表明低温性能越好。不同FCC油浆掺量时复合改性沥青的残余应力比随时间的变化如图3所示。

图3　FCC油浆掺量对残余应力比的影响

从图3可以看出，当FCC油浆掺量由5%增大至10%时，松弛前后期的残余应力比都出现较大程度的降低，当FCC油浆掺量超过10%时，再增加FCC掺量对复合改性沥青低温性能的改善效果不明显。其原因为，低温时沥青主要表现为脆性，随着FCC油浆掺量的增多，复合改性沥青中轻质组分的含量增多，沥青脆性降低，且良好的溶胀作用，使SBS和沥青之间的界面厚度增加，分布更均匀，低温荷载作用时，SBS分子链的弹性变形更加显著，卸载时弹性形变得以恢复，因此使残余应力下降；而当FCC油浆掺量超过10%时，2种改性剂对沥青低温脆性的改善程度有限，因此残余应力变化较小。当应力松弛时间为10s，FCC油浆掺量分别为5%、10%、15%和20%时的残余应力比分别为91.0%、82.2%、73.4%和70.5%；而当应力松弛时间为1000s，4种复合改性沥青的残余应力比分别为5.5%、3.5%、2.0%和1.9%。表明在较长时间的卸载后，FCC油浆掺量对沥青低温性能的影响较小，而在交通荷载频繁的区域，沥青的松弛时间较短，此时应适当提高FCC油浆的掺量，以抑制路面的低温开裂。从低温性能方面考虑，FCC油浆掺量不应小于10%。

4　结论

（1）通过沥青基本性能指标的测试，优化了复合改性沥青的室内制备工艺，结果表明：采用方案2的投料顺序，当剪切时间为60min，剪切速率为4000r/min，溶胀时间为50mim时，制备的复合改性沥青性能最佳。

（2）通过DSR试验测试老化前后复合改性沥青的G*/sinδ，评价复合改性沥青的高温性能和抗老化性能。结果表明，随FCC油浆掺量的增加，复合改性沥青的高温性能逐渐降低，当FCC油浆掺量超过15%时，高温性能急剧下降，而抗老化性能最佳时对应的FCC油浆掺量为15%。

（3）FCC油浆掺量对复合改性沥青中低温疲劳性能和低温性能的影响规律相似，当掺量低于10%时，提高FCC油浆掺量能显著改善沥青的中低温疲劳性能和低温性能，而当掺量大于10%时，改善效果不明显。综合考虑，FCC油浆掺量应为10%～15%。

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Study on the preparation and properties of the cracking slurry oil/SBS composite modified asphalt

LIU Jinmei
（Transportation Vocational Technical College of Inner Mongolia，Chifeng 024005，China）

Aiming at the shortage of existing polymer modified asphalt materials，this paper used cracked oil slurry（FCC）and SBS as modifier，to prepare a new composite material modified by high shear method.By softening point，penetration and ductility and other tests to optimize the indoor preparation process composite modified asphalt.The research shows that when the SBS content is 4.5%，the high temperature performance of composite modified asphalt is gradually decreased with the increase of FCC oil content，and the aging resistance，middle temperature fatigue and low temperature performance are improved.The composite modified asphalt has good anti ageing property，medium temperature fatigue and low temperature performance，and high temperature performance can meet the requirements when the content of FCC oil is 10%～15%.

road engineering，cracking oil slurry，SBS modifier，composite modified asphalt

TU528.42

A

1001-702X（2016）04-0104-04

2015-11-10

刘金妹，女，1980年生，内蒙古赤峰人，讲师。地址：内蒙古赤峰市新城王府大街2号，E-mail：liujinmeilunwen@126.com。