納米蒙脫土對(duì)瀝青物理流變性能的影響研究

Sunil Kumar Mandal 程培峰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

瀝青是用于鋪路施工的粘彈性材料，由于其流變特性隨溫度及加載時(shí)間變化而變化[1,2]，這意味著在中高溫下，瀝青路面的強(qiáng)度不足，極易出現(xiàn)路面車轍，但隨著溫度的降低，瀝青開(kāi)始變脆，在此階段瀝青路面極易開(kāi)裂[1]。因此在工程中往往采用在瀝青混合料中摻入碳纖維聚合物、廢舊輪胎粉等改性劑的方式對(duì)瀝青進(jìn)行改性，以提高瀝青混合料的性能[4]。

采用聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行改性，可以提高瀝青的中高溫抗車轍性能、低溫抗熱裂性能和抗疲勞損傷性能[5-8]。在各種改性聚合物中，苯乙烯—丁二烯—苯乙烯(SBS)嵌段共聚物被認(rèn)為是最佳的改性劑之一。將SBS聚合物與基礎(chǔ)瀝青混合可以改善瀝青路面的流變性能，從而減緩瀝青路面車轍以及裂縫的產(chǎn)生[9-12]。但是由于不飽和鍵的存在，SBS改性瀝青中的SBS在高溫、空氣中耦合作用下開(kāi)始降解，間接導(dǎo)致了瀝青路面壽命的降低[13]。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)許多研究者在SBS改性劑中摻入納米復(fù)合材料，以延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命[4]。

近年來(lái)，納米材料因其粒徑小(1 nm～100 nm)，比表面積高以及同瀝青相容性好的物理特性而被廣泛用作瀝青改性劑[8,21]。納米黏土作為納米材料的一種，也被稱為層狀硅酸鹽，主要包括蒙脫石(MMT)、有機(jī)蒙脫石(OMMT)、蛭石(VMT)和高嶺石黏土(KC)，其粒徑范圍在200 nm～400 nm之間[12]。納米材料同瀝青混合料混合后主要可呈插層結(jié)構(gòu)或剝落結(jié)構(gòu)[15]。近年來(lái)許多研究表明使用納米蒙脫土可以提高瀝青粘合劑的抗車轍性、抗疲勞、抗老化及存儲(chǔ)穩(wěn)定性[16]。而相較于蒙脫土(MMT)，有機(jī)蒙脫土(OMMT)可以在瀝青中形成剝離結(jié)構(gòu)，其性能更為優(yōu)秀[4]。

本研究以納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)為改性劑，分別加入到基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青中，通過(guò)采用針入度、延度、軟化點(diǎn)、動(dòng)態(tài)剪切及彎曲蠕變等試驗(yàn)，對(duì)納米蒙脫土對(duì)瀝青物理流變性能的影響進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

選用納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)作為改性劑，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。選用瀝青為基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表2，表3所示。納米有機(jī)蒙脫土改性劑見(jiàn)圖1。

表1 納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)技術(shù)指標(biāo)

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青制備

采用低速機(jī)械攪拌機(jī)和高剪切攪拌機(jī)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。將摻量為2%，4%及6%的納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)添加到基質(zhì)瀝青中，在150 ℃下使用機(jī)械攪拌機(jī)以500 rpm的速度攪拌15 min。將并在相同溫度下以4 500 rpm的速度攪拌不同濃度OMMT納米蒙脫土的AH90瀝青45 min。

與基質(zhì)瀝青的制備方法相似，為了制備納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)/SBS復(fù)合改性瀝青，將摻量為2%，4%及6%的納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)添加到基質(zhì)瀝青中，在170 ℃下使用機(jī)械攪拌機(jī)以500 rpm的速度攪拌15 min。將并在相同溫度下以4 500 rpm的速度攪拌不同濃度OMMT的AH90瀝青45 min。制備的樣品如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 針入度試驗(yàn)

針入度試驗(yàn)是測(cè)定瀝青相對(duì)硬度的一種試驗(yàn)方法。將重量為100 g的標(biāo)準(zhǔn)針落入瀝青樣品后5 s內(nèi)在25 ℃下的穿透深度定義為針入度，單位為0.1 mm。

1.3.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)是瀝青從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)的溫度。本試驗(yàn)采用黃銅環(huán)填充瀝青后，采用環(huán)球法將鋼球放置于瀝青之上，以每分鐘5 ℃的速度加熱，球接觸金屬板的溫度被記錄為軟化點(diǎn)。

1.3.3 布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)

與流動(dòng)性相反，粘度是抵抗液體流動(dòng)的能力。采用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定瀝青在一定溫度下的粘度，以評(píng)價(jià)瀝青的流動(dòng)性[17]。在135 ℃下將10.5 g的試驗(yàn)粘合劑樣品置于可控制溫度的圓柱形室后將27號(hào)轉(zhuǎn)子插入樣品中，以20 rpm的速度旋轉(zhuǎn)。

1.3.4 延度試驗(yàn)

延展性是指材料在斷裂前的變性能力。瀝青的延度受多種因素影響，如瀝青型號(hào)、試驗(yàn)溫度以及拉伸速度，延度以瀝青在拉伸中伸長(zhǎng)的距離(cm)來(lái)表示。

1.3.5 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)

為了確定瀝青的流變性能，采用控制應(yīng)變的模式，以10 rad/s的加載頻率下，使用直徑為25 mm、間隙為1 mm的平行幾何板，測(cè)試了瀝青樣品老化后從52 ℃～88 ℃、溫度梯度為6 ℃的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相角(δ)和車轍因子(G*/sinδ)，以表征瀝青的高溫粘彈性能。

1.3.6 低溫小梁彎曲試驗(yàn)(BBR)

利用彎曲低溫流變?cè)囼?yàn)進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)指標(biāo)為s值和m值，分別表示為蠕變勁度和蠕變速率，將老化后的樣品加熱并倒入長(zhǎng)125 mm、寬6.25 mm、高12.5 mm的模梁中，然后在室溫下等待瀝青樣品冷卻后，將梁取出后將瀝青梁樣品置于水浴中約60 min，預(yù)加載程序完成后，向梁施加100 g荷載，總時(shí)間為240 s，測(cè)試溫度為-12 ℃，-18 ℃以及-24 ℃[19]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青針入度性能分析

瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。隨著基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中納米有機(jī)蒙脫土(OMMT)摻量的增加，針入度下降。OMMT摻量為6%時(shí)，基層瀝青的針入度值降低了25.99%，SBS改性瀝青的針入度值降低了21%?；|(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在加入OMMT后的瀝青的粘度均有較好的提高。盡管在OMMT摻量為2%時(shí)，SBS改性瀝青的針入度小于基質(zhì)瀝青，但在OMMT含量為4%和6%時(shí)，SBS改性瀝青的針入度值逐漸減小。綜上所述，OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度值小于OMMT改性瀝青。結(jié)果表明，添加OMMT可以提高基礎(chǔ)瀝青和SBS改性瀝青的粘度。

2.2 瀝青軟化點(diǎn)性能分析

瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。毫無(wú)疑問(wèn)，將OMMT作為改性劑摻入基礎(chǔ)瀝青和SBS改性瀝青后，瀝青的軟化點(diǎn)值均有所下降。對(duì)于基礎(chǔ)瀝青而言，加入OMMT后，瀝青的軟化點(diǎn)由47 ℃提高到51.05 ℃；而對(duì)于SBS改性瀝青而言，加入OMMT后，瀝青的軟化點(diǎn)由69.95 ℃提高到80 ℃，軟化點(diǎn)的變化較小。結(jié)果表明，OMMT的加入可以有效的提高瀝青的高溫抗車轍性能。

2.3 瀝青粘度性能分析

瀝青粘度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。在135 ℃下對(duì)基礎(chǔ)瀝青及SBS改性瀝青進(jìn)行粘度試驗(yàn)的結(jié)果表明，瀝青粘度值隨著OMMT摻量的增加而增加。根據(jù)Superpave規(guī)范，由于高粘度可能導(dǎo)致瀝青的和易性不佳，因此瀝青在135 ℃下瀝青的粘度值不得超過(guò)3.0 Pa·s[20]。在基質(zhì)瀝青中摻入OMMT后瀝青的粘度值略有提高，但不超過(guò)620 mPa·s。而在SBS改性瀝青中摻入OMMT后，瀝青的粘度值存在顯著提高，在OMMT摻量為4%和6%時(shí)，OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的粘度值均大于3.0 Pa·s，與Superpave規(guī)范不符，說(shuō)明隨著OMMT摻量的增加，瀝青的和易性會(huì)出現(xiàn)困難。

2.4 瀝青延度性能分析

瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。在10 ℃下OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的延度遠(yuǎn)大于OMMT改性瀝青。而在瀝青中摻加OMMT后瀝青的延度將會(huì)有所降低，在瀝青中摻加6%的OMMT后，10 ℃下OMMT改性瀝青的延度值由41.5 cm降至7.75 cm，10 ℃下OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的延度值由76.25 cm降至57.3 cm，這種延展性的顯著降低表明納米OMMT對(duì)瀝青的柔韌性影響較大。

2.5 瀝青針入度指數(shù)分析

針入度指數(shù)表征瀝青溫度敏感性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，路用瀝青的PI應(yīng)控制在+2和-2的范圍內(nèi)[21, 22]。其計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

其中，Pen25為瀝青在25 ℃下測(cè)得的針入度值；SP為測(cè)得的軟化點(diǎn)值。

瀝青的針入度指數(shù)見(jiàn)圖7。隨著在基質(zhì)瀝青中摻加OMMT的摻量的升高，瀝青的針入度指數(shù)PI值由-0.717提高到-0.686 9，-0.444，-0.423 3。針入度指數(shù)PI值的升高表明，隨著OMMT摻量的增加，瀝青對(duì)溫度的敏感性降低。而隨著在SBS改性瀝青中摻加OMMT的摻量的升高，瀝青的針入度指數(shù)PI值由3.888提高到4.121，4.378和4.697。結(jié)果表明SBS改性瀝青的溫度敏感性超出規(guī)范范圍，而OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青在低溫下具有較高的剛性和易開(kāi)裂性。

2.6 瀝青車轍因子分析

車轍因子G*/sinδ表征了瀝青樣品在中高溫下的抗車轍能力，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，瀝青應(yīng)具有足夠的剛度和柔性[18]。

隨著OMMT摻量的增加，瀝青的車轍因子也隨之增加。如圖8a)和圖8b)所示，SBS改性瀝青的抗車轍性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，同時(shí)老化后OMMT改性瀝青和OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子都有所增加。而OMMT摻量在4%～6%時(shí)，OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子在老化后相較于SBS改性瀝青的車轍因子有所減小，硬度降低，這可能是由于在SBS改性瀝青中OMMT開(kāi)始聚集。

2.7 瀝青復(fù)合剪切模量及相位角分析

對(duì)于改性瀝青而言，瀝青高溫粘彈性有兩個(gè)參數(shù)絕點(diǎn)：1)G*即復(fù)合剪切模量，表征瀝青在連續(xù)剪切荷載下的變形阻力；2)δ即相位角，表征施加剪應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)變之間的延遲。如果相角為0°，則認(rèn)為材料為完全彈性材料，相角為90°，則材料為純粘性材料[18,20]。

老化前后瀝青試樣的復(fù)合剪切模量和相位角如圖9所示，如圖9a)和圖9c)可見(jiàn)，隨著溫度的升高，瀝青的流動(dòng)性增加，隨著溫度的升高，G*值急劇下降，最終影響瀝青的抗車轍特性[20]。如圖9a)可知，隨著基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中OMMT摻量的提高，復(fù)合剪切模量的值將有所升高。因此，在重復(fù)荷載作用下，試驗(yàn)樣品的抗永久變形能力得到改善[20]。OMMT摻量為6%時(shí)，OMMT改性瀝青的G*值小于基礎(chǔ)瀝青，表明加入OMMT后瀝青的抗車轍能力未能有所提升。如圖9b)顯示，相位角隨樣品溫度的升高而升高，而在基礎(chǔ)瀝青和SBS改性瀝青中添加OMMT后，瀝青的相位角開(kāi)始降低[20]。結(jié)果表明加入OMMT后瀝青的彈性開(kāi)始增加。

圖9c)顯示了瀝青經(jīng)過(guò)RTOFT老化后，瀝青的G*值比老化前增加了2倍。如圖9d)可見(jiàn)，熱氧老化后基質(zhì)瀝青和OMMT改性瀝青的相位角略有降低。但老化后SBS改性瀝青和OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的相位角基本相同，變化不大。G*值的增長(zhǎng)表明，在基層瀝青和SBS改性瀝青中加入OMMT作為改性劑后，可以提高瀝青的剛度，最終提高瀝青的抗車轍性能；另一方面，相位角的減小提高了瀝青的彈性[18,20]。

2.8 瀝青不同溫度下老化指數(shù)分析

瀝青老化通常用老化指數(shù)(AI)來(lái)表示。AI定義為老化后瀝青的物理或流變參數(shù)與老化前瀝青的物理或流變參數(shù)之比。該比值的高值表明瀝青硬化程度相對(duì)較大[9,18,21]。計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

其中，G*/sinδunaged和G*/sinδaged分別為瀝青老化前后瀝青的車轍因子。

表4列出了瀝青在10 rad/s的荷載頻率作用下不同溫度的AI值。根據(jù)Superpave規(guī)范，未老化和老化后瀝青試樣的車轍因子分別為1.0 kPa和2.2 kPa。結(jié)果表明老化后瀝青在高溫下不易發(fā)生永久變形。表4顯示，加入OMMT后瀝青在所有溫度(52 ℃～70 ℃)下都大于1，這表明瀝青在老化過(guò)程中逐漸變硬。而SBS改性瀝青中OMMT摻量達(dá)到4%及以上時(shí)，OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的老化指數(shù)小于1，這可能是由于聚合物降解和瀝青氧化造成的[23]。

表4 不同溫度下瀝青的老化指數(shù)

2.9 瀝青失效溫度分析

評(píng)價(jià)瀝青抗車轍性能的另一個(gè)指標(biāo)是失效溫度。而車轍因子在老化前小于1.0 kPa和老化后小于2.2 kPa的臨界值時(shí)的溫度為試樣的破壞溫度。由圖10a)可見(jiàn)，在基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中添加OMMT后，瀝青的失效溫度開(kāi)始升高，對(duì)于基質(zhì)瀝青而言摻加OMMT后瀝青的失效溫度變化不顯著。而在SBS改性瀝青摻入OMMT后失效溫度可以從75.7 ℃上升到84.3 ℃，OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的失效溫度明顯高于其他瀝青樣品。從圖10b)可以看出，老化后瀝青的趨勢(shì)類似，均為老化后瀝青的失效溫度開(kāi)始升高。但在OMMT摻量為4%和6%時(shí)，老化后OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的失效溫度低于老化前OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青。

2.10 瀝青低溫流變性能分析

隨著環(huán)境溫度的降低，瀝青的剛度呈上升趨勢(shì)。而如果由于應(yīng)力引起的松弛時(shí)間非常短，則很可能出現(xiàn)裂紋。對(duì)于瀝青而言，較小的蠕變勁度S值和較大的蠕變速率m值的瀝青材料低溫性能較好[19, 23]。在三種不同的低溫(-12 ℃，-18 ℃，-24 ℃)下進(jìn)行的BBR試驗(yàn)及其相應(yīng)的蠕變勁度S值和蠕變速率m值分別如圖11,圖12所示。比較圖11a)和圖11b)中的蠕變勁度S值后，瀝青的蠕變勁度隨著溫度從-12 ℃降至-24 ℃而增加。比較圖12a)和圖12b)中的蠕變速率m值后，瀝青的蠕變速率隨著溫度從-12 ℃降至-24 ℃開(kāi)始有所下降。綜上所述，在基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中添加OMMT的效果不佳。因此，不建議使用OMMT作為改性劑來(lái)提高瀝青的低溫性能。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在瀝青中摻入納米蒙脫土(OMMT)，可使瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)升高，粘度增大，延度值降低。與摻有OMMT的SBS改性瀝青相比，在基層瀝青中摻入OMMT，軟化點(diǎn)略有提高。而在SBS改性瀝青中摻入4%以上的OMMT可能影響瀝青的和易性以及低溫性能，因此在制備改性瀝青時(shí)OMMT摻量不宜過(guò)高。

2)在瀝青中摻入OMMT后，瀝青的復(fù)合模量上升，相位角下降，失效溫度提高，說(shuō)明加入OMMT后瀝青的抗車轍性能及彈性有所提升。與SBS改性瀝青相比，摻入OMMT的基質(zhì)瀝青彈性略有提高，失效溫度變化不大。

3)在基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中添加OMMT，對(duì)瀝青的低溫性能均有負(fù)面影響。這說(shuō)明使用OMMT來(lái)提高低溫性能是不合適的。