OMMT/SEPS復(fù)合改性瀝青的性能研究

鄒桂花

(長沙理工大公路工程試驗檢測中心， 湖南 長沙 410076)

0 前言

高溫條件下，瀝青路面的主要破壞原因之一是車轍。車轍可定義為反復(fù)荷載下柔性路面不可恢復(fù)的變形量。為了防止或減輕這些破壞，許多研究者通過加入改性劑改善瀝青性能，進(jìn)而提高瀝青路面性能。

近年來最常見和最成功的方法之一是利用聚合物對瀝青粘結(jié)劑進(jìn)行改性。Khodaii等[1]采用動態(tài)蠕變試驗評價了不同含量SBS對瀝青混合料的車轍影響，研究發(fā)現(xiàn)SBS改善了瀝青混合料的車轍性能，并且5%SBS為最佳摻量。Ameri等[2]研究了EVA對瀝青粘合劑和其混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)4%EVA改性的瀝青性能最佳。馬峰等[3]研究發(fā)現(xiàn)，SEBS聚合物加入瀝青中可以顯著改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，推薦的最佳摻量為5%。劉寬河等[4]將SEPS作為一種瀝青改性劑，研究其對瀝青抗永久變形能力的效果，發(fā)現(xiàn)SEPS聚合物可有效地改善瀝青粘結(jié)劑的抗車轍潛力。

本文研究了SEPS納米復(fù)合材料對瀝青粘結(jié)劑常規(guī)性能及流變性能的影響。選擇了0%、2%、4%和6%這4種SEPS摻量，加入質(zhì)量比為25%(mSEPS∶mOMMT=100∶25)的OMMT，以此制備SEPS納米復(fù)合改性瀝青。采用常規(guī)試驗(針入度、軟化點、儲存穩(wěn)定性)和高低溫流變試驗(DSR和BBR)評價SEPS納米復(fù)合改性瀝青的性能變化，以及SEPS納米復(fù)合材料摻量對瀝青路用性能的影響，為指導(dǎo)SEPS納米復(fù)合改性瀝青應(yīng)用提供了實際方案。

1 原材料和試驗方案

1.1 原材料

采用的瀝青粘結(jié)劑為70#道路石油瀝青，其基本性質(zhì)見表1。使用的SEPS型號為Kraton G1780M。SEPS外觀為無色粉末，是一種以苯乙烯和乙烯/丙烯為原料的雜化聚合物，其中聚苯乙烯含量為7%，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。納米蒙脫土由靈壽縣奧太礦產(chǎn)提供，相關(guān)物理性質(zhì)如表3所示。

表1 70#道路石油瀝青基本性質(zhì)試驗項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點/℃延度(5 cm/min,25 ℃)/cm測試結(jié)果6453>100

表2 SEPS力學(xué)性能指標(biāo)試驗項目邵氏A硬度密度/(g·cm-3)拉伸斷裂強(qiáng)度/MPa拉斷延長率/%脆化溫度/℃測試結(jié)果350.893.7>65051

表3 納米蒙脫土性能指標(biāo)試驗項目蒙脫土含量/%密度/(g·cm-3)徑厚比含濕量/%測試結(jié)果97.01.66200≤3

1.2 試驗方案

采用高速剪切儀制備SEPS納米復(fù)合改性瀝青，SEPS摻量分別為瀝青質(zhì)量的2%、4%和6%。將70#道路石油瀝青加熱至(180±5)℃，然后向瀝青中逐漸添加SEPS改性劑。高剪切攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，高速剪切2 h后，將質(zhì)量比為25%的OMMT緩慢地加入到SEPS改性瀝青中，在180 ℃條件下以4 000 r/min的剪切速率剪切45 min。此外，將基質(zhì)瀝青在相同試驗條件下剪切，以達(dá)到與改性瀝青類似的老化效果。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20—2011)對SEPS納米復(fù)合改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點、離析、DSR溫度掃描和BBR等多項試驗,對比分析高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、儲存穩(wěn)定性等。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

通過針入度和軟化點指標(biāo)初步反映不同摻量SEPS納米復(fù)合材料對瀝青高溫性能的影響，見圖1～2。由圖可知，與基質(zhì)瀝青相比，加入SEPS能降低瀝青的針入度、升高軟化點，即能提高瀝青的高溫性能，這是由于納米材料具有高表面能，可增加吸收瀝青組分的能力，SEPS還具有較高的聚合物剛度。與常規(guī)70#道路石油瀝青相比，改性瀝青針入度和軟化點的變化說明了SEPS納米復(fù)合材料能增強(qiáng)瀝青粘結(jié)劑的永久變形抵抗力。

圖1 針入度隨SEPS摻量的變化圖

圖2 軟化點隨SEPS摻量的變化圖

而隨著SEPS摻量增加，瀝青的高溫性能逐漸提升。同時在相同SEPS摻量下，加入納米蒙脫土能進(jìn)一步提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。由于單位體積瀝青粘結(jié)劑的顆粒數(shù)增加，層間摩擦增加，改性瀝青粘結(jié)劑的針入度比基質(zhì)瀝青降低了40%左右。然而，僅僅通過針入度不能表征瀝青的力學(xué)性能和溫度敏感性。為此，使用針入指數(shù)(PI)評價改性瀝青的溫度敏感性，見圖3。PI值在-3～7之間，數(shù)值越接近極限越則越合適。由圖3可知，使用SEPS納米復(fù)合材料增加了改性瀝青的PI值，降低了瀝青的溫度敏感性。同時，加入6%SEPS納米復(fù)合材料的改性瀝青PI值最高，該值反映了膠態(tài)體系變化，瀝青中懸浮顆粒趨于融合，形成凝膠型瀝青粘結(jié)劑。

圖3 PI值隨SEPS摻量的變化圖

采用DSR試驗進(jìn)一步評價短期老化后改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，如圖4所示。車轍因子越大，表明瀝青在高溫下抗永久變形能力越大。由圖4可知，不同摻量納米復(fù)合材料改性后瀝青的車轍因子均較高，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青，同時改性劑摻量增加對瀝青車轍因子的影響也比較顯著。通過對比基質(zhì)瀝青和改性瀝青的車轍因子，發(fā)現(xiàn)加入納米蒙脫土可以進(jìn)一步提高改性瀝青的剛度，使其車轍因子進(jìn)一步增大，這主要因為納米材料促進(jìn)了改性瀝青中聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。車轍因子反映了瀝青粘結(jié)劑對剪切載荷引起變形的抵抗能力，因此，經(jīng)過SEPS納米復(fù)合材料改性的瀝青粘結(jié)劑在更寬溫度范圍內(nèi)具有較好抗車轍能力。根據(jù)美國SHRP計劃規(guī)定，通過RTFO老化后的瀝青車轍因子必須大于2.2 kPa才能抵抗路面發(fā)生車轍。由圖4所示結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青在64 ℃以下的車轍因子值大于2.2 kPa，同時摻量2%、4%、6%SEPS納米復(fù)合材料改性的瀝青分別在70 ℃、76 ℃、76 ℃條件下車轍因子均大于2.2 kPa。這說明加入SEPS納米復(fù)合材料顯著提高了瀝青的高溫破壞溫度，提高了其抗車轍能力。

圖4 不同SEPS摻量下車轍因子隨溫度的變化圖

2.2 儲存穩(wěn)定性

采用聚合物改性瀝青離析試驗來評價SEPS納米復(fù)合改性瀝青粘結(jié)劑的儲存穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表4。

表4 軟化點差試驗結(jié)果℃試樣上部軟化點下部軟化點軟化點差值2%SEPS6147.213.82%SEPS+OMMT6463.30.74%SEPS7047.222.84%SEPS+OMMT73.972.11.86%SEPS87.653.933.76%SEPS+OMMT8986.42.6

由表4可知，SEPS改性瀝青的上、下兩部分軟化點差較大，且隨SEPS摻量增加，軟化點差越大，聚合物與瀝青之間離析越嚴(yán)重。這是由于SEPS與基質(zhì)瀝青相容性較差，盡管SEPS能顯著提高瀝青高溫穩(wěn)定性，然而在儲存過程中容易與瀝青發(fā)生相分離，聚合物離析問題限制了SEPS進(jìn)一步發(fā)展。加入納米蒙脫土后能顯著降低SEPS改性瀝青的軟化點差，說明納米蒙脫土能提高SEPS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。因為納米蒙脫土能降低SEPS與瀝青之間的性質(zhì)差異性，改善二者儲存穩(wěn)定性問題，使SEPS在瀝青中不易分層。同時，納米蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)可以阻止SEPS和瀝青組成的分子鏈運(yùn)動，以此改善聚合物與瀝青之間的離析問題。聚合物改性瀝青通常被認(rèn)為是一種懸浮劑，其中改性劑的懸浮顆粒暴露在浮力、拉力和重力作用下，其下落速度根據(jù)Stocks定律并使用公式(1)進(jìn)行評價。

走出野象谷，我的心里有很多感慨：大象是人類的好朋友，它們不僅溫順友善，而且還擁有聰明的大腦。我們不但不能傷害它們，而且還要好好地保護(hù)它們！

(1)

式中：v為懸浮粒子的下落速度；ρ0為瀝青密度；ρ1為SEPS密度；g為萬有引力常數(shù)；r為SEPS粒子半徑平均值；η為改性瀝青黏度。

根據(jù)式(1)，當(dāng)聚合物與瀝青之間密度相差較大時，懸浮顆粒沉降速度和厚度會增大。SEPS和瀝青的密度分別為0.89、1.02 g/cm3，因此在室溫下，二者密度之間的差異性顯著。材料密度差一般隨溫度升高而增大，這是因為在瀝青粘結(jié)劑中，SEPS懸浮體積會增大。同時，材料密度取決于溫度，如公式(2)所示：

(2)

由式(2)可知，材料密度與熱膨脹系數(shù)呈反比例關(guān)系。液體的熱膨脹系數(shù)通常比固體高，因此，如果改變恒溫條件，SEPS和瀝青的密度變化率會有所不同。但是，當(dāng)SEPS與納米蒙脫土結(jié)合時，由于納米蒙脫土密度較大，添加后產(chǎn)生的納米復(fù)合材料密度也隨之增大。因此，納米復(fù)合材料密度會更接近瀝青密度，從而降低改性顆粒的沉積速率。添加納米材料能解決聚合物改性瀝青的主要問題，即聚合物改性瀝青的高溫儲存不穩(wěn)定。

2.3 低溫抗裂性

采用BBR試驗研究了SEPS納米復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。經(jīng)過PAV老化后的瀝青樣品在溫度-12 ℃條件下測試，得到瀝青的勁度模量(S)和蠕變速率(m)。美國SHRP規(guī)定瀝青在固定溫度下S值應(yīng)小于300 MPa，m值應(yīng)大于0.30。較低S值和較高m值的瀝青樣品具有較高低溫抗裂能力，其中BBR結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 勁度模量隨SEPS摻量的變化圖

圖6 蠕變速率隨SEPS摻量的變化圖

由圖5、圖6可知，所有瀝青在-12 ℃的溫度條件下S值均小于300 MPa，m值大于0.30。與基質(zhì)瀝青相比，SEPS改性瀝青具有更低的S值和更高的m值，說明加入SEPS聚合物能增強(qiáng)粘結(jié)劑的韌性，提高低溫抗開裂能力。同時，隨SEPS摻量增加，S值不斷減少,而m值不斷增大，說明SEPS摻量對瀝青低溫抗裂性有著明顯影響。加入OMMT后，改性瀝青的S值增大，而m值減少，說明添加OMMT會對瀝青低溫性能有著不利影響。這是因為OMMT會提高瀝青剛度，使瀝青變得更硬，從而減少了瀝青柔韌性，降低了低溫性能。

3 結(jié)論

本研究評價了納米蒙脫土對SEPS改性瀝青粘結(jié)劑的性能影響。分別通過針入度、DSR、儲存穩(wěn)定性和BBR試驗對瀝青的常規(guī)和流變性能進(jìn)行了測試，得到如下結(jié)果：

1) 使用納米復(fù)合材料增加了瀝青粘結(jié)劑的剛度和軟化點，同時提高了針入度指數(shù)，從而降低了改性瀝青粘結(jié)劑的溫度敏感性。

2)由于SEPS納米復(fù)合材料的密度高于聚合物，且更接近基質(zhì)瀝青粘結(jié)劑，因此其在瀝青粘結(jié)劑中的沉積速度會較低。聚合物改性瀝青離析試驗結(jié)果表明，經(jīng)SEPS納米復(fù)合材料改性的瀝青粘結(jié)劑具有良好的儲存穩(wěn)定性。

3)DSR測試結(jié)果表明，在瀝青粘結(jié)劑中加入SEPS納米復(fù)合材料。使復(fù)合模量增加、相位角降低，從而提高車轍參數(shù)和抗永久變形能力。

4)BBR試驗結(jié)果表明，在瀝青粘結(jié)劑中加入SEPS納米復(fù)合材料使勁度模量減少和蠕變速率提高，從而提高瀝青路面抗低溫開裂性能。