納米黏土改性瀝青及其混合料性能研究

熊輝， 劉洪輝編譯

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 柳州 545616; 2.西安公路研究院)

隨著中國(guó)公路建設(shè)的不斷發(fā)展,瀝青路面的應(yīng)用越來(lái)越多。但是，由于受到車輛荷載、環(huán)境等外界因素的作用，導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生車轍、開裂等病害。為改善瀝青混合料的各項(xiàng)性能，常采用聚合物改性瀝青的方式，從而提高瀝青路面的路用性能。常見的聚合物改性劑包括SBS、SBR等，其中SBS由于具有良好的改性效果，是改性瀝青中最常用的瀝青改性劑之一，SBS改性劑可顯著提升瀝青路面的高低溫、抗疲勞以及耐老化性能。但是，由于SBS與瀝青的相容性較差，導(dǎo)致SBS改性瀝青在使用過程中容易發(fā)生離析。為了改善SBS改性瀝青的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性問題，近年來(lái)，隨著納米材料的應(yīng)用，研究人員逐漸采用納米改性技術(shù)來(lái)改善瀝青與聚合物改性劑間的相容性，其中蒙脫土(MMT)因其產(chǎn)量大、性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到廣泛的應(yīng)用與研究。

MMT是2∶1型納米層狀硅酸鹽，MMT晶格層的厚度一般為1 nm左右。MMT晶格層間的這種相互作用力較弱，使得MMT較容易被小分子插層。為了改善其對(duì)瀝青或聚合物的改性效果，可對(duì)MMT進(jìn)行有機(jī)化。表面活性劑可以將MMT層間距撐大，并降低其親水性和表面自由能，聚合物類大分子可較容易地插入有機(jī)化后的MMT，制得聚合物/納米蒙脫土復(fù)合材料。聚合物納米蒙脫土復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能，且其穩(wěn)定性也較好，應(yīng)用廣泛。

基于此，該文對(duì)納米黏土改性瀝青混合料的性能進(jìn)行研究，分別制備SBS改性瀝青、OMMT改性瀝青以及兩者復(fù)合改性瀝青，并對(duì)瀝青結(jié)合料主要物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同瀝青混合料的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究，包括高溫性能、回彈模量和水穩(wěn)定性。以期為納米黏土在瀝青混合料中的應(yīng)用提供借鑒和指導(dǎo)。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1) 瀝青。采用PG 58-10基質(zhì)瀝青作為對(duì)比樣(CA)，聚合物改性劑為線性SBS材料，其摻量為6%；納米黏土采用Closite 15A型有機(jī)蒙脫土(OMMT)，其摻量為1.5%；在制備納米黏土/SBS復(fù)合改性瀝青時(shí)，SBS/OMMT按100/25(質(zhì)量比)進(jìn)行摻配，且改性劑的總摻量為6%。

(2) 集料。粗、細(xì)集料都選用性能優(yōu)良的石灰?guī)r集料，各集料的主要物理性能如表1所示。針對(duì)瀝青混合料的礦料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，所采用的礦料級(jí)配如圖1所示。

表1 集料的主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 礦料級(jí)配曲線

1.2 改性瀝青及瀝青混合料制備

(1) 改性瀝青的制備流程

首先將基質(zhì)瀝青加熱至(180±5) ℃，然后向?yàn)r青中緩慢加入OMMT或SBS改性劑，采用高速剪切的方法，在4 500 r/min轉(zhuǎn)速下剪切2 h，從而制得納米黏土改性瀝青(NMA)、SBS改性瀝青(PMA)； SBS/OMMT復(fù)合改性瀝青的主要制備流程為：待SBS改性瀝青在剪切完成后，再向改性瀝青中加入定量的OMMT進(jìn)行攪拌，其中剪切速率為4 000 r/min，剪切時(shí)間為45 min，從而制得SBS/OMMT改性瀝青(NCMA)。

(2) 瀝青混合料的制備流程

利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備瀝青混合料試件，在試件成型過程中，基質(zhì)瀝青的拌和溫度為(150±5) ℃，因納米黏土和SBS改性劑的加入，致使改性瀝青的黏度都增大，因此，改性瀝青的拌和溫度選擇為(170～175) ℃。

采用Superpave混合料配合比設(shè)計(jì)方法針對(duì)不同瀝青混合料的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定CA、NMA、PMA、NCMA瀝青混合料的空隙率分別為4%、4%、3.97%和3.95%，在瀝青混合料性能測(cè)試時(shí)，采用直徑為102 mm的試件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和回彈模量測(cè)試，每組試驗(yàn)測(cè)試3組平行試件。

1.3 主要試驗(yàn)方法

(1) 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

室內(nèi)制備8個(gè)馬歇爾試件，并分成兩組(每組4個(gè)試件)，其中一組混合料試件在25 ℃恒溫水槽中保溫30 min進(jìn)行測(cè)試；另外一組首先在真空條件下飽水30 min，然后在恒溫水浴箱中放置24 h，水浴箱溫度為60 ℃，取出后放置在25 ℃水浴箱中進(jìn)行保溫1 h后測(cè)試。完成后對(duì)兩組試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制方式，應(yīng)變速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度為25 ℃，為了進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)第一組試件分別設(shè)置了5 ℃和40 ℃兩種溫度，以研究保溫溫度對(duì)混合料試件的影響。其中水穩(wěn)定指標(biāo)用劈裂強(qiáng)度來(lái)表征。

(2) 回彈模量試驗(yàn)

瀝青混合料回彈模量試驗(yàn)依據(jù)ASTM D4123進(jìn)行，采用間接拉伸控制模式，測(cè)試溫度分別為5、25和40 ℃，荷載大小為1 500 N、頻率為1 Hz，測(cè)試時(shí)荷載作用時(shí)間為0.1 s，卸荷時(shí)間為0.9 s。

(3) 高溫性能測(cè)試

采用車轍試驗(yàn)對(duì)多孔瀝青的高溫抗永久變形能力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)室內(nèi)成型30 cm×30 cm×5 cm瀝青混合料試件板，測(cè)試溫度60 ℃，測(cè)試時(shí)間45 min，測(cè)試前將試件保溫至少5 h，其中高溫性能用平均車轍深度(RD)進(jìn)行表征。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 瀝青結(jié)合料測(cè)試結(jié)果

(1) 常規(guī)性能分析

針對(duì)不同瀝青的常規(guī)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 基質(zhì)瀝青及改性瀝青的物理性能測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出：OMMT和SBS改性劑的加入使改性瀝青的針入度降低、軟化點(diǎn)升高，其原因可能是由于納米黏土和SBS改性劑在瀝青中的強(qiáng)化效應(yīng)。相對(duì)于基質(zhì)瀝青，各改性瀝青的溫度敏感性指標(biāo)——針入度指數(shù)都顯著升高，表明隨著改性劑的加入，瀝青的溫度敏感性得到改善；相對(duì)于基質(zhì)瀝青，OMMT可顯著改善瀝青的高溫性能，但對(duì)低溫性能影響較大(5 ℃黏度值迅速降低)；此外，相對(duì)于OMMT和SBS單摻改性瀝青，復(fù)合改性瀝青(NCMA)的PI值進(jìn)一步提高，表明其溫度敏感性越好，且其低溫性能(5 ℃延度值)明顯優(yōu)于其他改性瀝青，這主要是由于黏土顆粒的納米效應(yīng)，增加了納米黏土改性瀝青的低溫脆性，使得NMA瀝青的5 ℃黏度迅速降低，但復(fù)合改性瀝青中，納米黏土改性劑明顯增加了聚合物改性劑在瀝青中的分散性，提升了改性瀝青的均勻性，使得NCMA瀝青的延度較單摻條件下提高。因此，采用復(fù)合改性瀝青可顯著改善瀝青的各項(xiàng)力學(xué)性能。

基于布氏黏度對(duì)不同瀝青的黏度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2。由表2可知：SBS改性劑可顯著提高瀝青的黏度，并且隨著OMMT的加入，復(fù)合改性瀝青的黏度進(jìn)一步增加，NCMA瀝青的黏度達(dá)1.549 Pa·s，雖然較高的黏度意味著在施工期間需要較高的拌和溫度和壓實(shí)溫度，但測(cè)得的黏度值均滿足Superpave規(guī)范(即小于3 Pa·s)規(guī)定的要求。

(2) 流變性能分析

采用DSR測(cè)定不同改性瀝青在高溫下的流變特性，用來(lái)評(píng)價(jià)其高溫性能。通過在瀝青試件上施加正弦應(yīng)力，可測(cè)得瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)。當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)均采用直徑25 mm、厚度1 mm的試樣，當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)采用直徑8 mm、厚度2 mm的試樣，測(cè)試頻率10 rad/s。不同瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)測(cè)試結(jié)果

從圖2可以看出:① 瀝青中SBS改性劑和納米黏土的加入，提高了改性瀝青的G*值、降低了改性瀝青的相位角。溫度較低時(shí)，不同瀝青的G*變化不大，而隨著溫度的逐漸升高，不同改性瀝青的G*變化明顯，表明高溫條件下，改性瀝青的高溫抗永久變形能力增加。相對(duì)于基質(zhì)瀝青，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量都變大、相位角減小，納米黏土對(duì)改性瀝青的復(fù)數(shù)模量影響較小，PMA的復(fù)數(shù)模量顯著增加，表明聚合物對(duì)瀝青具有明顯的增強(qiáng)效果；② NCMA的復(fù)數(shù)模量較PMA進(jìn)一步增大，尤其在高溫區(qū)段，復(fù)合改性瀝青的相位角顯著降低，表明復(fù)合改性瀝青進(jìn)一步增加了改性瀝青的高溫抗變形能力。

分析原因主要是由于OMMT片層的剝離，在SBS改性瀝青中形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 不同改性瀝青的微觀特性

從圖3可以看出：PMA中存在明顯的聚合物顆粒團(tuán)聚，而NCMA微觀形貌更加均勻，表明納米黏土增加了SBS改性劑與瀝青的相容性，改善了其分散性，致使復(fù)合改性瀝青的G*值明顯高于其他瀝青，表明其抗變形能力也最好。

2.2 瀝青混合料測(cè)試結(jié)果

(1) 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及分析

干燥和浸水條件下不同瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，采用NMA、PMA和NCMA改性瀝青可使瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度增加，并且SBS改性劑對(duì)混合料的劈裂強(qiáng)度值改善效果明顯，PMA和NCMA瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值明顯高于基質(zhì)瀝青和納米黏土改性瀝青；此外，在低溫條件下，改性劑對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值的影響較小，其增幅變化不大，而隨著溫度的逐漸升高，這種改善效果較為明顯。40 ℃時(shí)，相對(duì)于基質(zhì)瀝青，NMA、PMA和NCMA瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度分別增加了4.5%、17.2%和23.2%，其主要原因可能是瀝青中納米黏土的剝落微觀結(jié)構(gòu)和OMMT層的親油性導(dǎo)致試樣更好地抵抗水分的損傷，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度比增加。

圖4 瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步研究試驗(yàn)因素(瀝青種類、測(cè)試溫度)對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響，選擇瀝青種類、測(cè)試溫度兩個(gè)因素水平，其中瀝青種類按CA、NMA、PMA、NCMA分別編號(hào)為1、2、3、4，測(cè)試溫度分別為5、25和40 ℃。為了研究?jī)蓚€(gè)不同因素對(duì)劈裂強(qiáng)度的作用程度，繪制不同因素水平下劈裂強(qiáng)度的主要影響曲線(圖5)。從圖5可以明顯看出：溫度是影響劈裂強(qiáng)度的主要因素，其影響程度達(dá)63%，而瀝青類型總體對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響較小，其影響范圍在12%以內(nèi)。

圖5 不同因素對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響

(2) 改性劑對(duì)回彈模量的影響

圖6為不同溫度條件下瀝青混合料的回彈模量測(cè)試結(jié)果。由圖6可知：相對(duì)于基質(zhì)瀝青，改性瀝青混合料的回彈模量都明顯增大，且PMA和NCMA瀝青混合料的回彈模量顯著提高。低溫條件下，納米黏土和SBS改性劑對(duì)混合料回彈模量的影響較小，而在高溫條件下(40 ℃)，改性瀝青混合料的回彈模量都顯著增加，表明納米黏土和SBS改性劑對(duì)瀝青混合料的高溫性能影響更為顯著。與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青的回彈模量都明顯增加，且復(fù)合改性瀝青的動(dòng)態(tài)模量最大，這與前述瀝青結(jié)合料測(cè)試結(jié)果一致，表明SBS和OMMT具有明顯的復(fù)合改性效果，可顯著改善瀝青混合料性能。

圖6 不同瀝青混合料回彈模量測(cè)試結(jié)果

(3) 不同瀝青混合料的高溫性能分析

圖7為不同改性瀝青混合料試件的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 不同瀝青混合料車轍深度測(cè)試結(jié)果

從圖7可以看出：隨著納米黏土、SBS以及兩者復(fù)合改性劑的加入，可明顯改善瀝青混合料的高溫性能，所測(cè)的車轍深度顯著降低，與基質(zhì)瀝青相比，NMA、PMA和NCMA瀝青混合料車轍深度的降低率分別為26%、50%和64%，PMA瀝青混合料的高溫性能明顯優(yōu)于CA和NMA瀝青混合料，但較NCMA瀝青混合料差，這與前述瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1) 納米黏土改性劑可顯著改善瀝青的物理力學(xué)性能，通過流變學(xué)測(cè)試表明，納米黏土可增強(qiáng)瀝青的彈性和黏彈性性能。

(2) 通過對(duì)不同瀝青混合料的性能測(cè)試結(jié)果表明，各瀝青混合料性能表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，納米黏土和SBS改性劑改善了瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性，提高了瀝青混合料的回彈模量，且溫度越高，其改善效果越明顯。

(3) 相對(duì)于普通瀝青混合料，納米黏土和SBS復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出更好的抗水損害性能、抗高溫車轍性能。