蒙脫土對(duì)SBS 改性瀝青老化性能的改善研究*

蘇 江，田榮燕，孫威宇

（西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

引言

SBS 改性瀝青是西藏最常見的道路瀝青材料，在西藏的各個(gè)城市和高速公路上都有使用[1-2]。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件，需對(duì)瀝青的各項(xiàng)性能進(jìn)行改良研究，關(guān)于瀝青性能改善的研究，選擇合適的摻合料進(jìn)行瀝青改性是目前常見的研究方向。學(xué)者關(guān)于摻合料的選擇與適用做了大量研究工作，李鄭[3]提出用多聚磷酸與橡膠粉改性西藏地區(qū)的路用瀝青，董大偉[4]提出廢輪胎橡膠粉改善高黏性瀝青的性能，張明祥[5]提出用納米氧化鋅進(jìn)行瀝青的抗老化改性。不同摻合料對(duì)瀝青的特定性能具有不同的影響，蒙脫土作為改善瀝青性能的常見材料，廣泛用于各種瀝青道路。蒙脫土是黏土礦物的一種，圍觀下表現(xiàn)為層狀的結(jié)構(gòu)，在瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以使瀝青中的瀝青質(zhì)分布更均勻，瀝青混合料中的氣孔減小[6]。肖新顏[7]用蒙脫土改善廢料瀝青的抗氧化和高溫穩(wěn)定性，李勝杰[8]用蒙脫土改善再生橡膠瀝青的熱穩(wěn)定性。邢利霞[9]提出了蒙脫土SBS 改性瀝青的制備方式及其性能研究。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)蒙脫土可以明顯改善瀝青的性能，尤其是抗氧化穩(wěn)定性。

SBS 改性瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性，但在強(qiáng)紫外線開裂上出現(xiàn)了性能瓶頸，強(qiáng)紫外線引起的道路瀝青開裂在西藏很常見，因此，改善SBS 瀝青的紫外線老化開裂問題顯得非常有必要。紫外線會(huì)促使瀝青膠體發(fā)生氧化聚合反應(yīng)生成瀝青質(zhì)，活性降低，流動(dòng)性變差，從而導(dǎo)致道路瀝青混合料發(fā)生脆性破壞[10]。時(shí)林軍[11]、何東坡[12]做了基于納米TiO2還原性改善瀝青的抗紫外線老化性能。

要解決瀝青的紫外線老化問題就必須使瀝青具備較強(qiáng)抗氧化性能。蒙脫土作為良好的抗氧化劑且價(jià)格便宜，因此將其用于改善SBS 瀝青的抗紫外線老化性能具有廣泛的前景。本文通過分析強(qiáng)紫外線下不同蒙脫土摻量的SBS 瀝青的三大指標(biāo)變化來評(píng)估強(qiáng)紫外線對(duì)其老化的影響，為蒙脫土在西藏瀝青道路上的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青采用的是西藏道路瀝青常用的中海油A-90#瀝青，SBS 采用的是西安石化4402，蒙脫土采用的是江蘇雨潤(rùn)公司PGN 型號(hào)。具體性能參數(shù)見表1-3。

1.2 試驗(yàn)材料制備

（1）材料配合比

將基質(zhì)瀝青，SBS，蒙脫土按照一定的比例進(jìn)行混合，得到混合后的瀝青如表4：

表1 基質(zhì)瀝青性能參數(shù)

表2 SBS 性能參數(shù)

表3 蒙脫土性能參數(shù)

表4 瀝青各材料的質(zhì)量

（2）混合瀝青制備

取 2500 基質(zhì)瀝青分成五份并對(duì)其按 A、B、C、D、E 進(jìn)行編號(hào)。將基質(zhì)瀝青放入烘箱加熱至180℃熔融狀態(tài)后迅速加入5%的SBS，用玻璃棒順時(shí)針攪拌15min，混合成SBS 瀝青。SBS 瀝青冷卻24h 后再進(jìn)行蒙脫土的摻量配合比。將冷卻完的SBS 瀝青放入烘箱中加熱至140℃熔融狀態(tài)，對(duì)B、C、D、E 四組瀝青分別加入1%、2%、3%、4%的蒙脫土，用玻璃棒攪拌15min，冷卻24 小時(shí)后進(jìn)行其他試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

瀝青三大指標(biāo)作為瀝青基本性能的主要參數(shù)，一直備受工程人員重視。在研究判斷老化程度上，常用瀝青三大指標(biāo)針入度、軟化點(diǎn)、延度進(jìn)行判別。本文也以三大指標(biāo)變化作為其老化的依據(jù)，具體試驗(yàn)步驟如下：（1）對(duì)初始的5 組瀝青材料進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)；（2）將5 組瀝青置于烘箱后，加熱至熔融狀態(tài)，然后攤平在30cm×30cm 的矩形槽內(nèi)；（3）選取500W 的高壓紫外線燈作為照明光源，將攤鋪好的瀝青冷卻后置于紫外線燈下；（4）分別在紫外線照射24h、48h、72h 時(shí)測(cè)試各組瀝青的三大指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始狀態(tài)

初始狀態(tài)的各組瀝青，進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)如表5：

表5 各組瀝青的三大指標(biāo)

由各組瀝青的初始三大指標(biāo)和增量變化可知，隨著蒙脫土摻量的增加軟化點(diǎn)上升，針入度減小，延度降低。加入1%的蒙脫土后，瀝青的三大指標(biāo)特性發(fā)生變化最大，繼續(xù)增加蒙脫土，三大指標(biāo)繼續(xù)變化但變化幅度開始減小?？梢?，蒙脫土可以增加瀝青的黏性，阻止瀝青內(nèi)部物質(zhì)的自由流動(dòng)，但隨著蒙脫土的增加，這種阻礙作用的增量慢慢減小。因此，適量的蒙脫土可以迅速提高瀝青的內(nèi)部穩(wěn)定性，繼續(xù)增加效果就會(huì)越來越不明顯。

圖1 初始狀態(tài)三大指標(biāo)變化量

2.2 紫外線下瀝青三大指標(biāo)變化

瀝青老化的影響因素很多，在紫外線下的老化是瀝青在光催化作用下發(fā)生的氧化聚合反應(yīng)，生成硬化后的聚合物，使得瀝青的脆性增加，抗裂性降低。隨著瀝青的老化程度增加，瀝青的三大指標(biāo)軟化點(diǎn)上升，針入度減小，延度降低。為了更好地說明蒙脫土對(duì)老化的影響，采用摻量后的三大指標(biāo)變化量作為分析指標(biāo)，變化量為各天指標(biāo)中B、C、D、E 四組與A 組的差值取絕對(duì)值為降低量，即可得到不同摻量蒙脫土瀝青與無蒙脫土瀝青的對(duì)比情況。具體數(shù)據(jù)處理如圖2-圖4。

圖2 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r軟化點(diǎn)變化的降低量。軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青老化的重要指標(biāo)，軟化點(diǎn)變化越小說明老化速度越慢，瀝青的抗老化性能越好。紫外線會(huì)促使瀝青發(fā)生老化，照射時(shí)間越長(zhǎng)，老化越明顯。由圖中軟化點(diǎn)降低量可知，各組的瀝青軟化點(diǎn)在紫外線照射下每天都在增加，但摻蒙脫土瀝青的降低量也在增加。其中摻量在2%以內(nèi)時(shí)，軟化點(diǎn)降低速度最快，超過2%后軟化點(diǎn)降低量開始減緩。由此可知，蒙脫土摻量2%以內(nèi)時(shí)，瀝青的抗老化效果增長(zhǎng)較快，超出這個(gè)值漸漸減小。從紫外線照射天數(shù)的軟化增量對(duì)比可以看出，照射時(shí)間越長(zhǎng)，老化越快，蒙脫土含量越高抗老化越明顯。

圖2 不同紫外線時(shí)長(zhǎng)下的軟化點(diǎn)降低量

圖3 不同紫外線時(shí)長(zhǎng)下的針入度降低量

圖3 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r針入度變化的降低量。針入度評(píng)價(jià)的是瀝青的軟硬程度，對(duì)其值影響最大的是瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)含量越高針入度越小。在紫外線照射下，瀝青中的瀝青質(zhì)會(huì)增加，從而使得針入度減小。由圖3 可知，蒙脫土含量越高，針入度降低越明顯，在摻量2%以內(nèi)時(shí)，針入度的降低量變化最快，再繼續(xù)增加蒙脫土，針入度降低量基本維持穩(wěn)定。在紫外線照射下，隨蒙脫土增加，針入度穩(wěn)定減小，針入度降幅差值比較穩(wěn)定。由此可知，蒙脫土越多瀝青抗氧化性能越好，摻量為1%～2%以內(nèi)時(shí)，瀝青的抗氧化性效果增長(zhǎng)最快，瀝青質(zhì)增長(zhǎng)最慢，隨著紫外線照射時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青中瀝青質(zhì)的數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定，而蒙脫土有助于瀝青質(zhì)的穩(wěn)定，摻量為2%時(shí)穩(wěn)定最好，超過3%以后，隨著摻量增加漸漸抗氧化效果趨于穩(wěn)定。

圖4 不同紫外線時(shí)長(zhǎng)下的延度降低量

圖4 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r延度變化的降低量。延度是評(píng)價(jià)瀝青延展性的指標(biāo)，對(duì)其值影響最大的是膠質(zhì)。膠質(zhì)可以提高瀝青的流變性能，也即增加塑性和粘附力。在紫外線下，膠質(zhì)會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)生成瀝青質(zhì)，從而使得其流動(dòng)性變差，延度變小。由圖4 可知，蒙脫土越多瀝青的延度變化的降低量越大。在蒙脫土摻量為2%時(shí)是蒙脫土的最適經(jīng)濟(jì)比，在不同紫外線照射天數(shù)下，不同蒙脫土摻量瀝青的延度變化降低量的變化幅度維持穩(wěn)定。由此可知，蒙脫土摻量為2%時(shí)，瀝青膠質(zhì)氧化增長(zhǎng)最慢，而紫外線照射時(shí)間不會(huì)引起膠質(zhì)的劇烈變化，因此蒙脫土可以使得瀝青膠質(zhì)在紫外線下穩(wěn)定減少，摻量2%時(shí)，膠質(zhì)減少速度最慢。

3 結(jié)束語

本文講述SBS 在不同摻量蒙脫土下，經(jīng)過紫外線照射的三大指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)，通過對(duì)各組瀝青三大指標(biāo)的變化量，從而評(píng)估蒙脫土對(duì)瀝青抗老化的作用。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

（1）蒙脫土通過減小瀝青內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，來提高瀝青的黏性。蒙脫土摻量越高，黏性越大。隨著蒙脫土摻量的增加，三大指標(biāo)值的增量在不斷減小。蒙脫土可以固定瀝青質(zhì)，防止膠質(zhì)氧化為瀝青質(zhì)，減緩老化。

（2）瀝青中加入適當(dāng)?shù)拿擅撏量梢越档蜑r青在紫外線下的老化速度，其中蒙脫土的摻量為2%時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)增量變化最小，抗老化性能最好。蒙脫土的增加可以減緩瀝青在紫外線下的硬化，蒙脫土摻量越高效果越好，在摻量為2%時(shí)，針入度和延度增量減緩最明顯，超過2%后也在減緩，但幅度小很多。

（3）不同紫外線照射時(shí)間對(duì)不同摻量蒙脫土三大指標(biāo)影響不同，對(duì)軟化點(diǎn)和針入度的影響較明顯，紫外線照射初期，兩者變化快，后期變化慢，而對(duì)延度，紫外線照射過程中，其值的變化比較穩(wěn)定沒有明顯波動(dòng)。因此，在西藏常見的SBS 瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以有效改善紫外線對(duì)其性能的影響，蒙脫土越多，效果越好，但超過2%后抗老化性能增量越不明顯。因此，在設(shè)計(jì)瀝青道路時(shí)，瀝青中的蒙脫土應(yīng)該高于2%，但高出的值不宜過大，以免浪費(fèi)材料。