有機坡縷石改性瀝青的高溫性能研究

高 昆

(新疆交建公路規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司 烏魯木齊市 830011)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，重載交通以及交通量不斷增大，給高等級公路的服役性能帶來更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的瀝青膠結(jié)料已經(jīng)難以滿足瀝青路面建設(shè)的需求，特別是高溫性能不足嚴重制約著道路使用性能[1]。高分子聚合物改性瀝青的出現(xiàn)暫時彌補了這一弊端，但是如何進一步提高聚合物改性瀝青的儲存穩(wěn)定性一直是業(yè)內(nèi)研究人員關(guān)注的重點。近幾年，層狀硅酸鹽材料的出現(xiàn)吸引了很多研究者的目光。坡縷石又被稱作凹凸棒土，是一種纖維鏈層狀富鋁鎂硅酸鹽粘土礦物，其資源存量在我國十分豐富[2]。坡縷石獨特的晶體結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的流變性、吸附性、火山灰活性、催化特性及填充性。用坡縷石來對瀝青進行改性，坡縷石自身優(yōu)異的物理性能可以使得改性瀝青具備較好的穩(wěn)定性，在改善瀝青技術(shù)性能的同時，具有較好的熱儲存穩(wěn)定性能[3]。坡縷石乳化改性瀝青可以有效解決乳化瀝青的耐候性差的問題，同時降低改性瀝青的經(jīng)濟成本[4-5]。將坡縷石與環(huán)氧樹脂復(fù)合對瀝青進行改性，可以彌補環(huán)氧樹脂質(zhì)脆、耐沖擊性能差的缺陷[6]。高曉紅等[7]將有機化處理的坡縷石與SBS、溶劑油等復(fù)合對基質(zhì)瀝青進行改性，研究認為加入坡縷石后瀝青的抗老化性能得以改善。王有朋等[8]對坡縷石進行有機處理后對基質(zhì)瀝青進行改性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理的坡縷石與瀝青具有良好的相容性，并能提高瀝青的高溫性能。坡縷石的經(jīng)濟成本相對較小，且具有良好的物理、化學(xué)性質(zhì)，其改性瀝青在道路工程中的應(yīng)用將會有巨大的前景。

為研究坡縷石改性瀝青的高溫性能，對比有機化處理對其高溫性能的影響，采用有機化試劑對坡縷石進行處理，使用處理前后的坡縷石進行改性瀝青制備，通過旋轉(zhuǎn)粘度試驗、動態(tài)剪切流變試驗對改性瀝青的高溫性能進行研究。

1 原材料及改性瀝青制備

1.1 試驗原材料

采用的基質(zhì)瀝青為SK70#瀝青，其技術(shù)指標如表1所示。坡縷石產(chǎn)地為江蘇，其基本技術(shù)指標如表2所示。作為一種無機物材料，理論上坡縷石與瀝青組分的相容性不會太好，因此選用十八烷基三甲基氯化銨(C21H46ClN，簡稱1831)對坡縷石進行有機化處理，該有機化試劑的基本性能指標如表3所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性能

表2 坡縷石基本指標

表3 有機化試劑基本指標

1.2 坡縷石有機化處理

稱取一定量的坡縷石干燥后研磨，倒入裝有去離子水的燒杯中，在磁力攪拌水浴鍋(HCJ-4D)內(nèi)攪拌1h，攪拌溫度為80℃，攪拌速度為1200rpm。攪拌完畢加入適量的1831后，維持攪拌溫度和速度繼續(xù)攪拌2h。完成后取出并冷卻，采用真空抽濾機將沉淀物反復(fù)清洗，直到無殘留試劑為止。將清洗過的沉淀物放入烘箱烘干，然后取出研磨經(jīng)300目篩過濾得到有機化凹凸棒土(OPAL)。

1.3 改性瀝青制備

在150℃條件下，將SK70#基質(zhì)瀝青加熱至熱融狀態(tài)，然后取一定量的凹凸棒土PAL或有機化凹凸棒土OPAL加入瀝青中，使用高速剪切機在3000r/min的條件下剪切40min，剪切完畢發(fā)育2h后可得到改性瀝青。

2 試驗方案

為研究坡縷石改性瀝青的高溫流變性能，首先采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計對不同摻量(1%～5%)的PAL、OPAL改性瀝青的粘度進行測量，測試溫度控制為135℃；采用動態(tài)剪切流變儀，對不同摻量的OPAL改性瀝青進行溫度掃描試驗，對固定摻量的OPAL和PAL改性瀝青的溫度掃描結(jié)果進行對比分析，基于抗車轍因子指標研究其高溫流變性能的影響因素，確定其PG分級溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 改性瀝青的粘溫特性

不同PAL、OPAL摻量的改性瀝青在135℃條件下的粘度變化如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著PAL、OPAL摻量的增加，改性瀝青的粘度逐漸增加，當摻量增加至3%時，粘度增加的趨勢逐漸變緩。此外，經(jīng)過有機化處理的坡縷石改性瀝青的粘度均大于普通坡縷石改性瀝青，隨著摻量增加，這種差異越發(fā)明顯。這表明，坡縷石經(jīng)過有機化處理后，能與瀝青組分進行較好地融合，瀝青的分子鏈結(jié)構(gòu)能更好地與有機化坡縷石的結(jié)構(gòu)進行互嵌，這就使得瀝青分子結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固，從而表現(xiàn)出更大的粘度。根據(jù)圖1所示的粘度變化趨勢，3%摻量是一個較為合適的改性摻量。

3.2 改性瀝青的抗車轍因子分析

瀝青作為混合料的膠結(jié)料，其高溫性能直接影響著路面的抗車轍性能，因此采用動態(tài)剪切流變儀對改性瀝青的高溫性能進行試驗。溫度掃描試驗的頻率為10rad/s，控制溫度為58℃、64℃、70℃、76℃。首先對3%摻量的PAL、OPAL改性瀝青進行溫度掃描試驗，并與基質(zhì)瀝青進行對比。經(jīng)過溫度掃描得到瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角，復(fù)數(shù)模量與相位角正弦值的比值為抗車轍因子。如圖2顯示了基質(zhì)瀝青、PAL以及OPAL改性瀝青在不同溫度下的抗車轍因子，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，抗車轍因子均呈現(xiàn)下降趨勢，表明溫度的升高導(dǎo)致瀝青的抗車轍性能下降。在相同的溫度下，OPAL改性瀝青的抗車轍因子均為最大，其次是PAL改性瀝青，這表明，PAL的加入能提高瀝青的高溫性能，而經(jīng)過有機化處理的坡縷石能進一步改善改性瀝青的高溫性能。這是由于坡縷石本身具有較好的吸附能力，這對于瀝青分子間的穩(wěn)定性具有積極作用，提升了瀝青分子間的熱運動閾值，從而改善了其高溫性能。經(jīng)過有機化處理，無機的坡縷石變?yōu)橛袡C材料從而能與瀝青進行更好地相容，坡縷石的空間結(jié)構(gòu)因為有機化處理而擴大，從而能使得瀝青分子鏈能夠更好地相嵌，加強了坡縷石與瀝青組分的吸附作用，因此表現(xiàn)為改性瀝青的性能進一步提升。

為了解OPAL摻量對改性瀝青高溫性能的影響，對1%～5%摻量的OPAL改性瀝青進行溫度掃描后計算其抗車轍因子，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，所有摻量改性瀝青的抗車轍因子均大于基質(zhì)瀝青的抗車轍因子，這說明OPAL的摻加明顯提升了瀝青的高溫性能。在同樣的溫度條件下，隨著OPAL摻量的增加，抗車轍因子逐漸增大，但也可以發(fā)現(xiàn)，摻量超過3%后，抗車轍因子進一步增大的幅度相對較小?？梢姡谶M行瀝青改性時，3%的OPAL摻量確為一個較為合適的摻量。

3.3 PG分級

根據(jù)瀝青的抗車轍因子看可以確定其PG分級，瀝青老化前對應(yīng)的抗車轍因子大于1kPa且老化后其抗車轍因子大于2.1kPa條件下的最高溫度即為瀝青PG分級的高溫等級。通過試驗，對3%OPAL、PAL摻量下的改性瀝青及SK70#瀝青進行PG高溫等級的確定，試驗結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，相較于SK70#瀝青的PG高溫等級，坡縷石加入后其高溫性能等級均提升一個PG等級，這也表明，OPAL和PAL的摻加可以顯著提高瀝青的高溫性能。

表4 瀝青的PG分級

4 結(jié)論

坡縷石的摻加能增大瀝青的粘度，提高瀝青的抗車轍因子，且與坡縷石摻量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；此外，坡縷石的加入可以顯著提升瀝青的PG等級。經(jīng)過有機化處理的坡縷石改性效果進一步提升，有機化坡縷石對瀝青高溫性能的改善效果顯著。經(jīng)過試驗，認為3%的有機化坡縷石是一個較為合適的改性摻量。