黃征，楊國(guó)良*，陳乙軒，陳振譽(yù)，謝和春，劉峰，藍(lán)濤

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州廣大工程檢測(cè)咨詢(xún)有限公司)

1 前言

瀝青路面由于其行車(chē)舒適、路面平坦、噪音小、施工速度快等特點(diǎn)，逐漸成為道路常用的結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。隨著重載交通量的增大，普通瀝青往往不能滿(mǎn)足當(dāng)前路面性能要求，改性瀝青卻可彌補(bǔ)普通瀝青這一缺陷。國(guó)內(nèi)外研究表明：炭黑可以提高瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、感溫性、抗老化性能等，但配制條件對(duì)炭黑瀝青各方面性能影響研究甚少，炭黑瀝青結(jié)合料性能與原材料及其制備方式有密切的關(guān)系，它們對(duì)炭黑瀝青性能的影響卻又有所不同，所以有必要研究各因素對(duì)炭黑瀝青路用性能的影響程度，這樣有利于根據(jù)不同地區(qū)，不同氣候條件，設(shè)計(jì)出更加合理的炭黑瀝青道路施工工藝。

炭黑是按照氮表面積命名的，炭黑氮表面積越大粒徑越小。影響炭黑瀝青性能的因素眾多，主要包括兩方面：① 原材料，包含炭黑種類(lèi)、炭黑摻量、炭黑細(xì)度等；② 制備工藝，主要包括配制溫度等。該文選用炭黑作為改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，制備炭黑瀝青膠結(jié)料。該文針對(duì)炭黑瀝青配制溫度、炭黑摻量、炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青路用性能的影響進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)材料

(1) 瀝青。采用A級(jí)70#道路石油瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 A級(jí)70#道路石油瀝青主要性能指標(biāo)

由表1可知：各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿(mǎn)足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》“道路石油瀝青技術(shù)要求”中70#A級(jí)道路石油瀝青(全天候)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 炭黑。為了研究炭黑細(xì)度對(duì)瀝青性能影響，試驗(yàn)選用N220、N330、N550、N660共4種炭黑，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 炭黑主要性能指標(biāo)

3 炭黑瀝青的制備

先將基質(zhì)瀝青加熱至配制溫度，開(kāi)動(dòng)攪拌器，再將一定量的炭黑(2.5%、5.0%、7.5%、10.0%)緩慢摻入至基質(zhì)瀝青中。為保證炭黑在瀝青中的均勻性，在炭黑瀝青上中下3個(gè)層面各攪拌20 min共計(jì)1 h，完成炭黑瀝青制備。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 不同配制條件下炭黑瀝青的針入度

對(duì)摻量為5%的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同配制溫度下的針入度試驗(yàn)，以相應(yīng)溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析配制溫度對(duì)炭黑瀝青針入度的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的針入度

對(duì)配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑摻量下的針入度試驗(yàn)，以相應(yīng)溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑摻量對(duì)炭黑瀝青針入度改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

對(duì)配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑細(xì)度的針入度試驗(yàn)，以相應(yīng)溫度下的基質(zhì)瀝青針入度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青針入度的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的針入度

表5 不同炭黑細(xì)度下炭黑瀝青針入度

由表3可知：當(dāng)配制溫度一定時(shí)，隨著測(cè)試溫度升高，炭黑瀝青針入度逐漸增大；當(dāng)測(cè)試溫度一定時(shí)，炭黑瀝青的針入度均小于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，炭黑瀝青的針入度先減小后增大，配制溫度130 ℃和190 ℃對(duì)炭黑瀝青針入度改善效果較佳。

由表4可知：炭黑摻量對(duì)15 ℃時(shí)所測(cè)的針入度影響不大；25、30 ℃時(shí)所測(cè)針入度，隨炭黑摻量的增加大致逐漸減小。

由表5可知：隨著氮吸附比表面積的減小，炭黑顆粒粒徑逐漸增大，炭黑瀝青針入度逐漸增大，各類(lèi)炭黑瀝青針入度均小于基質(zhì)瀝青。

4.2 不同配制條件下炭黑瀝青延度

對(duì)摻量為5%的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同配制溫度下的15 ℃延度試驗(yàn)，以相應(yīng)檢測(cè)溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析配制溫度對(duì)炭黑瀝青延度的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的15 ℃延度

對(duì)配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑摻量下的15 ℃延度試驗(yàn)，以相應(yīng)檢測(cè)溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑摻量對(duì)炭黑瀝青延度改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的延度

對(duì)配制溫度為130 ℃且摻量為5%的炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑細(xì)度的15 ℃延度試驗(yàn)，以相應(yīng)檢測(cè)溫度下的基質(zhì)瀝青延度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青針入度改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同炭黑瀝青的15 ℃延度

由表6可知：當(dāng)測(cè)試溫度為15 ℃時(shí)，炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的延度均低于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，大致呈下降趨勢(shì)?？梢?jiàn)，炭黑的加入對(duì)基質(zhì)瀝青的延性不利。

由表7可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑瀝青膠結(jié)料的延度逐漸降低，可見(jiàn)，添加炭黑應(yīng)適量，不宜太多。

由表8可知：當(dāng)其他條件一定時(shí)，各種炭黑瀝青的延度相差不大，故炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青延度影響很小，但與基質(zhì)瀝青相比，延度減小較大，可見(jiàn)，炭黑降低了瀝青的延展性。

4.3 不同配制條件下炭黑瀝青的軟化點(diǎn)

對(duì)炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同配制溫度下的軟化點(diǎn)試驗(yàn)，以同等條件下基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)比分析配制溫度對(duì)炭黑瀝青軟化點(diǎn)的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的軟化點(diǎn)

對(duì)配制溫度為170℃的N220炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑摻量下的軟化點(diǎn)試驗(yàn)，以相同條件下的基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑摻量對(duì)炭黑瀝青軟化點(diǎn)的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的軟化點(diǎn)

對(duì)配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青進(jìn)行不同炭黑細(xì)度的軟化點(diǎn)試驗(yàn)，以相同條件下的基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青軟化點(diǎn)的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表9可知：炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的軟化點(diǎn)均大于基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，且隨著配制溫度升高，軟化點(diǎn)大致逐漸增加。由此可見(jiàn)，炭黑提高了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。

表11 不同炭黑瀝青的軟化點(diǎn)

由表10可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑顆粒與基質(zhì)瀝青的接觸面積增大，形成更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故軟化點(diǎn)逐漸增加。

由表11可知：炭黑摻量為5%的不同種炭黑顆粒配制的炭黑瀝青軟化點(diǎn)相差甚少且均大于基質(zhì)瀝青，可見(jiàn)，炭黑的氮吸附比表面積及炭黑細(xì)度對(duì)軟化點(diǎn)的影響較小。

4.4 不同配制條件下炭黑瀝青的黏度

對(duì)炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青采用型號(hào)為29#的轉(zhuǎn)子，進(jìn)行不同配制溫度下的60 ℃試驗(yàn)，以同等條件下基質(zhì)瀝青黏度為基準(zhǔn)，對(duì)比配制溫度對(duì)炭黑瀝青黏度的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 不同配制溫度下N220炭黑瀝青的黏度

對(duì)配制溫度為170 ℃的N220炭黑瀝青采用型號(hào)為29#的轉(zhuǎn)子,進(jìn)行不同炭黑摻量下60 ℃黏度試驗(yàn)，以相同條件下的基質(zhì)瀝青黏度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑摻量對(duì)炭黑瀝青黏度的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

對(duì)配制溫度為130 ℃且炭黑摻量為5%的炭黑瀝青采用型號(hào)為29#的轉(zhuǎn)子,進(jìn)行不同炭黑細(xì)度下60 ℃黏度試驗(yàn)，以相同條件下的基質(zhì)瀝青黏度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析炭黑細(xì)度對(duì)炭黑瀝青軟化點(diǎn)的改善效果，試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表13 不同炭黑摻量下N220炭黑瀝青的黏度

表14 不同炭黑瀝青的黏度

由表12可知：炭黑摻量為5%的N220炭黑瀝青的黏度均大于基質(zhì)瀝青的黏度，且隨著配制溫度升高，黏度逐漸增加。由此可見(jiàn)，配制溫度越高，炭黑瀝青老化越明顯。

由表13可知：隨著炭黑摻量的增加，N220炭黑顆粒與基質(zhì)瀝青的接觸面變大，形成更為龐大而致密的凝膠體，彼此相連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使炭黑瀝青的黏度逐漸增大。

由表14可知：當(dāng)炭黑摻量為5%時(shí)，炭黑顆粒的細(xì)度對(duì)炭黑瀝青的黏度影響較小，且炭黑瀝青的黏度均大于基質(zhì)瀝青。

5 結(jié)論

(1) 在不同配制溫度下，炭黑瀝青的針入度、延度均小于基質(zhì)瀝青，而軟化點(diǎn)、黏度均大于基質(zhì)瀝青，且隨著配制溫度的升高，炭黑瀝青的針入度先減小后增大，延度減小，軟化點(diǎn)、黏度逐漸增加。

(2) 當(dāng)炭黑摻量不同時(shí)，炭黑摻量對(duì)15和25 ℃時(shí)所測(cè)的針入度影響不大，隨炭黑摻量的增加，炭黑瀝青30℃時(shí)所測(cè)針入度逐漸減小，延度逐漸減小，軟化點(diǎn)、黏度增加逐漸增大。

(3) 4種炭黑N220、N330、N550、N660的氮吸附比表面積逐漸減小，炭黑顆粒粒徑逐漸增大，炭黑瀝青針入度逐漸增大，不同炭黑顆粒配制的炭黑瀝青延度、軟化點(diǎn)、黏度相差甚少；4種炭黑瀝青針入度、延度均小于基質(zhì)瀝青，而軟化點(diǎn)、黏度均大于基質(zhì)瀝青。