納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青性能試驗研究

趙 偉

(山西交通控股集團有限公司 太原高速公路分公司，山西 太原 030006)

0 引 言

道路的使用壽命和耐久性離不開道路材料的選擇，瀝青作為道路材料的重要組成部分直接影響道路性能，相關(guān)研究表明[1-6]：聚合物改性瀝青可以較大幅度提升瀝青混合料各項性能表現(xiàn)，但聚合物與瀝青的相容性是困擾聚合物改性瀝青關(guān)鍵，納米材料粒徑小，能與瀝青較好相容，成為新的聚合物改性瀝青研究方向。蒙脫石是具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，具有高強高韌和耐熱性等優(yōu)勢，將其作為聚合物用于瀝青改性可提升瀝青材料各項性能[7]。梁永勝等[8]研究認為蒙脫石可以用于制備阻燃改性瀝青，提高瀝青混合料抗氧老化能力；尹文軍等[9]對比研究了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、蒙脫石/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料各項性能，認為蒙脫石可以改善混合料的物理力學(xué)性能；朱書景等[10]對蒙脫石/SBS改性瀝青進行性能研究，認為蒙脫石可促進混合料抗老化性能和抗疲勞性能。目前，針對該領(lǐng)域的相關(guān)研究還不夠全面，尤其是納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的相關(guān)研究較少[11-12]。筆者針對納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青進行分析，采用軟化點、針入度、延度、旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變等試驗進行全方面綜合評價，通過靈敏度分析確定納米蒙脫石的最佳摻量，探究納米蒙脫石對改性瀝青的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用普通70#道路石油瀝青，主要技術(shù)指標如表1，各項指標均滿足JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標

選用河南聯(lián)成交通發(fā)展股份有限公司產(chǎn)的SBS改性劑，采用4%的固定摻量進行改性瀝青制備。硫粉平均粒徑為50 nm，純度>99%，密度2.1 g/cm3，顏色為淺黃色，呈球形晶型狀。

筆者選用河南信陽江三化工有限公司產(chǎn)的納米蒙脫石材料，表觀密度為0.45 g/cm3，平均切屑厚度<20 nm，含水量<3%，密度1.8 g/cm3。該納米蒙脫石呈高純度的細微顆粒狀態(tài)，蒙脫石中的水合硅鋁酸鹽成分層間結(jié)構(gòu)能夠促進改性瀝青的共混均勻性和穩(wěn)定性能，電鏡掃描結(jié)果如圖1。

圖1 納米蒙脫石電鏡掃描結(jié)果

1.2 試驗方案

研究選用納米蒙脫石(摻量分別為0，1%，2%，3%，4%，5%，6%)與SBS改性劑(4%固定摻量)進行復(fù)摻改性瀝青的制備，蒙脫石摻量和SBS改性劑摻量均為基質(zhì)瀝青用量的質(zhì)量百分數(shù)；采用軟化點、針入度(25 ℃)、延度、旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變等試驗進行改性瀝青的性能綜合評價，并與普通SBS改性瀝青進行對比分析，探究納米蒙脫石對復(fù)摻改性瀝青的影響規(guī)律。

2 改性瀝青制備

納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青是由基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、納米蒙脫石混合制備而成，研究采用改性瀝青制備過程為反應(yīng)性共混制備，主要包括SBS改性瀝青的制備及納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青制備。

SBS改性瀝青制備工藝如下：

1)將普通基質(zhì)瀝青在烘箱內(nèi)加熱至160～170 ℃，并倒入稱量好的SBS改性劑；

2)將含有SBS改性劑的基質(zhì)瀝青在190 ℃環(huán)境下進行高速剪切1小時，剪切速率為5 000 r/min；

3)加入穩(wěn)定劑(硫粉0.5 g)并機械攪拌1小時即得到SBS改性瀝青。

納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青制備工藝如下：

1)將納米蒙脫石經(jīng)100 ℃烘箱中烘干4 h，SBS改性瀝青在180 ℃烘箱中加熱待用；

2)稱取試驗質(zhì)量的納米蒙脫石倒入SBS改性瀝青中，采用高速剪切儀進行改性瀝青的剪切，剪切速率為5 000 r/min，剪切時間為0.5 h；

3)將改性瀝青在180 ℃環(huán)境下進行機械化攪拌15 min，轉(zhuǎn)速為800 r/min。

3 改性瀝青性能試驗

3.1 軟化點

研究按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，測試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青25 ℃環(huán)境下對應(yīng)的軟化點，其試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 軟化點性能檢測試驗結(jié)果

由表2可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青軟化點逐漸增大，增長速率較為穩(wěn)定，但摻量達到5%后，改性瀝青的軟化點提升速度降低。納米蒙脫石的有效成分是水合硅鋁酸鹽，具有較好的相容性，增強了瀝青的黏稠程度，一定程度上也使得改性瀝青的軟化點提升，可保障瀝青的高溫存儲穩(wěn)定性。

3.2 針入度

研究按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，測試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的針入度，試驗數(shù)據(jù)如表3。

表3 針入度性能檢測試驗結(jié)果

由表3可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的針入度逐漸降低，且降低的速率較為穩(wěn)定。針入度的下降表示改性瀝青的黏度增大，流動狀態(tài)趨勢減弱，有利于提升改性瀝青及其瀝青混合料的抗高溫變形和抗車轍能力。

3.3 延 度

研究按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，測試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的延度，試驗數(shù)據(jù)如表4。

表4 延度性能檢測試驗結(jié)果

由表4可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的延度逐漸降低，下降趨勢呈“緩—快—緩”表現(xiàn)，納米蒙脫石摻量在4%后，改性瀝青的延度達到200 mm以內(nèi)。納米蒙脫石的摻量增加的同時會削弱改性瀝青抵抗低溫抗開裂的能力，摻量在0%～4%之間變化時，抗低溫開裂的能力下降幅度較大。

3.4 旋轉(zhuǎn)黏度

黏度是瀝青黏稠程度的度量指標，研究選取測定改性瀝青135 ℃環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)黏度，測試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗數(shù)據(jù)如表5。

表5 旋轉(zhuǎn)黏度檢測試驗結(jié)果

由表5可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度(135 ℃)逐漸提升，納米蒙脫石摻量在3%和6%時改性瀝青的黏度較SBS改性瀝青提升了7.5%和15.0%。

3.5 動態(tài)剪切流變

將不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗，DSR試驗可獲取復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)等技術(shù)參數(shù)，用車轍因子(G*/sinδ)作為評價瀝青材料高溫性能的技術(shù)指標，采用疲勞因子G*sinδ作為評價瀝青材料的抗中低溫性技術(shù)指標。以車轍因子和疲勞因子來衡量改性瀝青的差異性試驗結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的車轍因子

圖3 納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的疲勞因子

由圖2和圖3可知隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的車轍因子也逐漸提升。其中，45 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的車轍因子大小為55 250 Pa，納米蒙脫石摻量為3%時，車轍因子大小為69 594 Pa，提升了1.26倍。疲勞因子是模擬了中低溫環(huán)境下瀝青抵抗疲勞的工作性能，隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的疲勞因子也逐漸降低。其中，12 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的疲勞因子大小為10 484 Pa，納米蒙脫石3%時，疲勞因子大小為7 113 Pa，下降了0.68倍，

4 靈敏度分析

為表征納米蒙脫石摻量對改性瀝青的影響程度，研究采用靈敏度分析方法進行評價，以納米蒙脫石摻量為橫坐標，以各性能指標的提升/下降變化率為縱坐標進行繪圖，如圖4。

圖4 改性瀝青的靈敏度分析

由圖4可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度呈上升趨勢，針入度和延度呈下降趨勢。其中，延度的變化幅度最大，軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度的變化幅度較為接近，延度的變化幅度最小，說明改性瀝青的延度受納米蒙脫石摻量的變化影響幅度較大，可以作為評價改性瀝青性能的關(guān)鍵性指標。此外，納米蒙脫石摻量由0變化到3%，軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度增加約8%，摻量超過3%增加幅度減??；針入度減小約5%，摻量超過3%減小幅度趨緩；延度變化幅度約40%，摻量超過3%變化幅度有所減緩。同時考慮到納米蒙脫石成本較高，筆者認為納米蒙脫石摻量在3%時對于實際工程應(yīng)用較為合適。

5 結(jié) 論

1)隨著納米蒙脫石摻量的增加，改性瀝青的軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度增大，針入度和延度逐漸下降，其中延度受納米蒙脫石摻量變化的影響最大，可作為評價改性瀝青的關(guān)鍵性指標。

2)隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的車轍因子也逐漸提升。45 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的車轍因子大小為55 250 Pa，納米蒙脫石摻量為3%時，車轍因子大小為69 594 Pa，提升了1.26倍。

3)隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的疲勞因子也逐漸降低。12 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的疲勞因子大小為10 484 Pa，納米蒙脫石3%時，疲勞因子大小為7 113 Pa，下降了0.68倍。

4)隨著納米蒙脫石摻量的提升，軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度呈上升趨勢，針入度和延度呈下降趨勢。其中，延度的變化幅度最大，軟化點和旋轉(zhuǎn)黏度的變化幅度較為接近，延度的變化幅度最小，說明改性瀝青的延度受納米蒙脫石摻量的變化影響幅度較大，可以作為評價改性瀝青性能的關(guān)鍵性指標，筆者認為納米蒙脫石摻量在3%摻量時適用于實際工程需求。