孔令云,陳琰,全秀潔,李金橋

(1.重慶交通大學(xué) 土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著油頁(yè)巖資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致油頁(yè)巖廢棄物逐漸增加，大部分廢棄物直接堆置在附近的廢渣場(chǎng)，造成了許多環(huán)境問(wèn)題[1-3]。郭學(xué)東等[4]通過(guò)油頁(yè)巖廢渣替代OGFC瀝青混合料中粒徑石料，提出了NM-OGFC瀝青混合料抗春融水損性能最優(yōu)制備工藝。楊淳等[5]選用5種不同的小粒徑油頁(yè)巖殘?jiān)娓男詣┲苽涓男詾r青，通過(guò)觀察微觀結(jié)構(gòu)和小梁彎曲實(shí)驗(yàn)，提出了油頁(yè)巖的添加明顯改善了其低溫抵抗變形能力。

油頁(yè)巖礦渣組成中包含有機(jī)物和無(wú)機(jī)物?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)比油頁(yè)巖改性瀝青與SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，建立它們相互之間的影響關(guān)系，從而解釋其工作機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SK90#基質(zhì)瀝青，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1，均滿(mǎn)足規(guī)范要求；SBS1301(YH-791)改性劑，主要指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2；油頁(yè)巖礦粉，實(shí)驗(yàn)室自制，將油頁(yè)巖礦粉研磨至1 250目，其粒徑<0.012 mm，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)Table 1 Matrix asphalt performance index

表2 SBS改性劑指標(biāo)參數(shù)Table 2 SBS modifier index parameters

表3 油頁(yè)巖礦粉性能指標(biāo)Table 3 Oil shale mineral powder performance index

BME 100L型高剪切乳化機(jī);GB-38熒光顯微鏡;TA-315動(dòng)態(tài)剪切流變儀;SYD-0609瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱。

1.2 油頁(yè)巖改性瀝青制備

通過(guò)使用高剪切乳化機(jī)制備SBS改性瀝青，首先將5%SBS改性劑添加到已在油浴鍋中預(yù)熱至170 ℃的基質(zhì)瀝青中，然后使用2 000 r/min剪切機(jī)剪切1 h，使得SBS改性劑充分溶脹。最后將剪切機(jī)的剪切速度調(diào)至7 500 r/min，剪切120 min，停止剪切，并用玻璃棒手動(dòng)攪拌10 min，待基質(zhì)瀝青與SBS改性劑完全混合，不再產(chǎn)生氣泡即可。

油頁(yè)巖/SBS復(fù)合改性瀝青的制備方法與上述制備方法基本一致。取一定量SBS改性瀝青，加熱至170 ℃，添加不同摻量的油頁(yè)巖礦粉，將剪切速度調(diào)到3 000 r/min下剪切1 h，即形成油頁(yè)巖/SBS復(fù)合改性瀝青。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)瀝青三大性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)和粘度實(shí)驗(yàn)，分別固定油頁(yè)巖礦粉摻量和加熱溫度，利用不同摻量的油頁(yè)巖測(cè)試改性瀝青，分析軟化點(diǎn)、針入度(25 ℃)、延度(5 ℃)及粘度。

采用熒光顯微鏡對(duì)摻入油頁(yè)巖礦粉前后的改性瀝青表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)分析不同摻量油頁(yè)巖粉末SBS改性瀝青粘彈性性質(zhì)，在應(yīng)變率為10%的條件下對(duì)其進(jìn)行溫度掃描，實(shí)驗(yàn)溫度為50～80 ℃，溫度間隔為6 ℃。

采用瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱制備老化瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光顯微鏡表面形貌分析

為了更清晰看到油頁(yè)巖礦粉摻入SBS改性瀝青中的表面形貌，選擇離析實(shí)驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)的摻量為10%油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青，分別與SBS改性瀝青靜置48 h后觀測(cè)，其觀察結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 摻量10%油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青熒光顯微圖像Fig.1 Fluorescence microscopy image of 10% oil shale composite modified asphalt

圖2 SBS改性瀝青樣本熒光顯微圖像Fig.2 Fluorescence microscopy image of SBS modified asphalt sample

由圖1、圖2可知，摻入油頁(yè)巖礦粉/SBS改性瀝青前后表面形貌區(qū)別明顯。SBS改性瀝青樣本在靜置48 h后，改性劑由最開(kāi)始均勻分散狀態(tài)到以大顆?；鶊F(tuán)的形式分布在瀝青中，表面粗糙。說(shuō)明SBS改性劑和基質(zhì)瀝青兩者之間組分不同，使得基質(zhì)瀝青與改性處于物理共混中，不能讓改性劑的改性效果達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。而摻入油頁(yè)巖礦粉使得改性劑在瀝青表面的大顆?；緵](méi)有，且較為均勻地分布在瀝青中，這是由于油頁(yè)巖在改性瀝青中充當(dāng)了連接物，使在高速的剪切作用下瀝青中的芳香環(huán)和改性劑中苯環(huán)與油頁(yè)巖中Al3+、Mg2+、Fe3+結(jié)合，通過(guò)油頁(yè)巖、SBS改性劑與基質(zhì)瀝青三者之間相互反應(yīng)，增強(qiáng)相互間的團(tuán)聚能力，從而讓改性劑更加均勻地分布在基質(zhì)瀝青中，形成SBS改性劑與基質(zhì)瀝青相互交融穩(wěn)定的瀝青體系。

2.2 流變性能分析

2.2.1 復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)的總阻力的度量，它是材料抵抗變形能力的體現(xiàn)[6-8]。高溫(低頻)時(shí)，復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，則表示瀝青的勁度越大，抗變形能力就越強(qiáng)[9-10]。相位角是描述應(yīng)力與應(yīng)變延遲的物理量[11]，瀝青的相位角δ越大，越接近90°，說(shuō)明其力學(xué)響應(yīng)越接近粘性行為，瀝青的不可恢復(fù)變形越大，瀝青越容易產(chǎn)生永久變形。

不同摻量油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 油頁(yè)巖摻量對(duì)不同溫度下改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的影響Fig.3 Effect of oil shale content on the complex shear modulus of modified bitumen at different temperatures

圖4 油頁(yè)巖摻量對(duì)不同溫度下改性瀝青相位角的影響Fig.4 Effect of oil shale content on phase angle of modified asphalt at different temperatures

由圖3、圖4可知，當(dāng)溫度逐漸上升，油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*緩慢下降，相位角δ逐漸升高，表明改性瀝青的粘性成分逐漸增加，導(dǎo)致抗變形能力降低。在相同溫度下，摻入10%油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青的G*最大，δ最小。同時(shí)，與未摻入油頁(yè)巖的SBS改性瀝青相比，其復(fù)數(shù)剪切模量G*上升了24.31%，相位角δ降低了7.71%，表明摻入油頁(yè)巖礦粉之后改性瀝青的勁度增大、彈性成分增多，以至于抵抗變形能力變強(qiáng)。這是由于油頁(yè)巖礦粉添加，使得瀝青與SBS改性劑相互間的粘附性增強(qiáng)，從而讓改性劑與瀝青之間相互團(tuán)聚更加明顯。但油頁(yè)巖礦粉摻入量為12%時(shí)，改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*下降，相位角δ升高，說(shuō)明油頁(yè)巖礦粉的摻入過(guò)多，超過(guò)所需抵抗變形能力的摻入量，使得瀝青與SBS改性劑之間粘附性降低。

2.2.2 車(chē)轍因子G*/sinδ車(chē)轍因子G*/sinδ表示瀝青抗車(chē)轍的能力，以路面設(shè)計(jì)溫度為標(biāo)準(zhǔn)[12]。油頁(yè)巖摻量不同的復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ見(jiàn)圖5。

圖5 油頁(yè)巖摻量對(duì)不同溫度下改性瀝青車(chē)轍因子的影響Fig.5 Effect of oil shale content on rutting factor of modified asphalt at different temperatures

由圖5可知，不同摻量下復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ隨著溫度的升高逐漸降低，表明瀝青抗車(chē)轍能力均減小。當(dāng)溫度低于62 ℃時(shí)，油頁(yè)巖/SBS改性瀝青對(duì)應(yīng)車(chē)轍因子下降速率非?？?，最后逐漸平緩，說(shuō)明溫度在62 ℃以下時(shí)，改性瀝青處于高溫度敏感區(qū)間，溫度對(duì)其車(chē)轍因子有著明顯的影響。

在相同溫度下，油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ隨著摻入量的增加而增加，摻入量為10%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ最大。表明油頁(yè)巖的加入，加強(qiáng)了改性瀝青的內(nèi)聚力，同時(shí)使其抗變形能力增強(qiáng)，從而在抵抗相同外力作用時(shí)所產(chǎn)生的變形能力變小。但摻入量添加至12%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ反而有所下降，這是由于油頁(yè)巖摻入量較多，超過(guò)油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青體系穩(wěn)定時(shí)所需的量，導(dǎo)致其性能下降。油頁(yè)巖的加入提升了瀝青間彈性，導(dǎo)致瀝青里的彈性組分增加，從而使SBS改性瀝青抗永久變形能力增強(qiáng)，也就提高了復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和高溫抗變形能力。

2.3 針入度、軟化點(diǎn)、延度

不同油頁(yè)巖礦粉摻量下復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 不同油頁(yè)巖摻量下復(fù)合改性瀝青常規(guī)路用性能指標(biāo)Table 4 Conventional road performance index of composite modified asphalt under different oil shale content

由表4可知，隨著油頁(yè)巖礦粉摻入量的增加，針入度逐漸下降，而軟化點(diǎn)和粘度是先上升后下降，當(dāng)摻入量為10%時(shí)軟化點(diǎn)達(dá)到最大值，整體性能達(dá)到最優(yōu)，說(shuō)明摻入一定量的油頁(yè)巖能提高復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)，改善其高溫性能。主要因?yàn)閺奈⒂^結(jié)構(gòu)可以看出油頁(yè)巖的加入使得改性劑與瀝青相容性提升，使得改性劑能更均勻分布在瀝青中，能夠充分發(fā)揮其高溫性能。并且油頁(yè)巖中含有大量的碳、氫元素，其含量越高，改性瀝青高溫性能則越好。油頁(yè)巖、改性劑、基質(zhì)瀝青三者相互作用，形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隔離了分子間的相互作用，提高了粘附性能。對(duì)比油頁(yè)巖摻入量的增加，改性瀝青的延度在逐漸下降，說(shuō)明其低溫抗裂性能在逐漸下降，這是因?yàn)橛晚?yè)巖中含有硫和氮元素，會(huì)導(dǎo)致瀝青的低溫抗裂性能降低。

RTFOT老化后摻入量為10%的油頁(yè)巖復(fù)合改性瀝青比SBS改性瀝青殘留軟化點(diǎn)提高了7.3%，粘度指數(shù)明顯提升，表明摻入油頁(yè)巖能提高復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。

3 結(jié)論

(1)添加油頁(yè)巖使SBS改性劑均勻分布在基質(zhì)瀝青中，增強(qiáng)瀝青與SBS改性劑之間的粘附性，形成油頁(yè)巖-SBS-瀝青三者穩(wěn)定體系。

(2)摻入油頁(yè)巖可明顯提高復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量，且油頁(yè)巖礦粉摻量越大，增幅越大。此外，隨著油頁(yè)巖礦粉的加入，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ也隨之增大。

(3)添加油頁(yè)巖礦粉后針入度和延度減小，軟化點(diǎn)和粘度提高，說(shuō)明油頁(yè)巖的添加能明顯提高復(fù)合改性瀝青的高溫性能，但同時(shí)會(huì)降低其低溫抗裂性能。通過(guò)老化實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，油頁(yè)巖也能增強(qiáng)復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。