膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究

謝興華， 苑顯鵬， 王 杰

(1.中交第一航務(wù)工程局有限公司， 天津 300461; 2.現(xiàn)代投資股份有限公司長(zhǎng)沙分公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000;3. 現(xiàn)代投資股份有限公司懷化分公司， 湖南 懷化 418000)

0 引言

現(xiàn)有研究大多采用復(fù)合改性劑對(duì)聚合物改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，以改善聚合物改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，旨在通過(guò)綜合各改性劑的優(yōu)點(diǎn)，使得改性瀝青各方面的性能滿足實(shí)際需求[3]。在諸多復(fù)合改性劑中，納米材料因其特有的微觀尺寸效應(yīng)能夠有效地改善基質(zhì)瀝青性能，得到眾多研究者的青睞。研究表明納米材料能夠有效提高改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性[4]。膨潤(rùn)土本質(zhì)是一種層狀的硅酸鹽納米黏土類材料，也是目前聚合物改性中的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向[5]。

熔融共混法是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行膨潤(rùn)土-聚合物復(fù)合改性瀝青的常用方法，通過(guò)不同顯微鏡觀測(cè)方法以及X射線衍射儀(XRD)等手段進(jìn)行改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示聚合物與膨潤(rùn)土能夠構(gòu)成插層型的均質(zhì)復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。對(duì)瀝青常規(guī)三大指標(biāo)與物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青的延度雖然呈現(xiàn)一定程度偏小，但軟化點(diǎn)提高較大，針入度有一定程度減小，最為重要的是抗老化性能與熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性能均顯著提高[6]。Zhang等[7]通過(guò)研究認(rèn)為應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)性能指標(biāo)確定最佳的膨潤(rùn)土摻量；Liu等[8]研究了SBS改性瀝青與有機(jī)膨潤(rùn)土復(fù)合改性后的微觀結(jié)構(gòu)、抗老化性能與流變性能，認(rèn)為鈣基膨潤(rùn)土在瀝青中主要呈顆粒狀分布，而有機(jī)膨潤(rùn)土主要呈插層狀分布，后者與SBS改性瀝青的相容性更好；通過(guò)采用不同有機(jī)表面活性劑制備有機(jī)膨潤(rùn)土，對(duì)不同有機(jī)膨潤(rùn)土聚合物復(fù)合改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為有機(jī)膨潤(rùn)土呈插層型或剝離型分布在瀝青中，有效地改善了瀝青的物理指標(biāo)和抗老化性能，其中相容性最為理想的是剝離型復(fù)合改性瀝青[9]。

由上述研究可知，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性劑的研究多集中于對(duì)改性瀝青的分析，而對(duì)改性瀝青混合料的路用性能探究相對(duì)較少。本文首先對(duì)膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青開(kāi)展了48 h熱存儲(chǔ)性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)了膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性；然后對(duì)0%、2%、4%、6%等4種不同膨潤(rùn)土摻量的瀝青混合料開(kāi)展高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)，研究了膨潤(rùn)土摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等路用性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

選用的SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)滿足要求，測(cè)試結(jié)果如表1所示。采用的鈉基膨潤(rùn)土，最大粒徑為120 nm，顯微鏡觀測(cè)的平均粒徑為70～80 nm，激光離子分布儀測(cè)試的超大比表面積為750 m2/g、徑厚比大于200。按照規(guī)范，采用高速剪切儀在4000 rad/min的轉(zhuǎn)速下制備膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青，其三大指標(biāo)如表2所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(diǎn)(TR&B)/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm布氏旋轉(zhuǎn)粘度(135 ℃)/Pa·s檢測(cè)結(jié)果51.966.224.61.032技術(shù)要求40～60≥60≥20≤3

表2 不同膨潤(rùn)土摻量復(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果膨潤(rùn)土摻量針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm0%51.966.224.62%48.364.823.74%47.663.422.16%45.461.720.4

1.2 瀝青混合料及試驗(yàn)試件成型

集料為玄武巖，礦粉與粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。研究對(duì)象為AC-13C瀝青混合料，級(jí)配采用現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范推薦的級(jí)配范圍中值，具體如圖1所示。采用馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳油石比，SBS改性AC-13C瀝青混合料和不同摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖1 礦料級(jí)配曲線

表3 不同膨潤(rùn)土摻量的AC-13C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果混合料類型油石比/%毛體積相對(duì)密度/(g·cm-3)空隙率/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN流值/mm瀝青飽和度/%SBS改性AC-13C4.82.4544.311.93.8682%摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性AC-13C4.92.4724.113.23.2714%摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性AC-13C4.92.4994.013.63.0716%摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性AC-13C5.02.5024.013.32.972

根據(jù)所選定的礦料級(jí)配曲線與最佳油石比，采用氣動(dòng)型壓實(shí)機(jī)振動(dòng)成型300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件，用于車轍試驗(yàn)，同時(shí)將車轍板切割成250 mm×50 mm×50 mm的小梁試件作為彎曲試驗(yàn)；通過(guò)鉆心，獲取直徑為(100±2)mm的瀝青混合料圓柱體試件，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)。每種試驗(yàn)至少進(jìn)行5個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)分析

2.1 不同摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青48 h熱存儲(chǔ)性能試驗(yàn)

將不同膨潤(rùn)土摻量的復(fù)合改性瀝青存儲(chǔ)管放入163 ℃烘箱，保溫48 h，進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)與DSR試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 48 h熱存儲(chǔ)軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 48 h儲(chǔ)存下車轍因子

由圖2、圖3可知：

根據(jù)用途分類，腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)制劑有普通型和疾病特異型兩類。普通型成分全面，由均衡的氮源、糖類和脂肪組成。疾病特異型針對(duì)各種疾病的特點(diǎn)，如腫瘤特異型為低脂制劑，因?yàn)槟[瘤患者體內(nèi)缺乏關(guān)鍵酶降解脂肪，難以通過(guò)脂肪供能，能量的獲得依賴于葡萄糖；糖尿病特異型腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)制劑可提高胰島素的敏感性，降低糖化血紅蛋白水平，從而減少胰島素用量；肺病特異型為糖類能占比較低的制劑；膿毒血病、大型手術(shù)、燒傷等高代謝疾病特異型為高氮源制劑，該類型制劑可使患者迅速達(dá)到正氮平衡。

1)隨著膨潤(rùn)土摻量增加，儲(chǔ)存管下部瀝青軟化點(diǎn)顯著增大。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為2%時(shí)，相比SBS改性瀝青，軟化點(diǎn)增大了8.1%；當(dāng)摻量為2%～4%時(shí)，軟化點(diǎn)增大趨勢(shì)稍稍變緩，相比2%摻量，4%摻量時(shí)僅增大了3.5%；當(dāng)摻量為4%～6%時(shí)，下部瀝青軟化點(diǎn)增長(zhǎng)趨勢(shì)又變明顯，但緩于0%～2%時(shí)增長(zhǎng)狀態(tài)，相對(duì)于膨潤(rùn)土摻量4%，6%摻量時(shí)增大了5.3%。儲(chǔ)存管上部瀝青軟化點(diǎn)整體呈微微降低趨勢(shì)，僅當(dāng)摻量為0%～2%時(shí)，頂部瀝青軟化點(diǎn)有略微明顯降低，之后隨著膨潤(rùn)土摻量增加趨于穩(wěn)定。而在兩個(gè)試驗(yàn)溫度下，儲(chǔ)存管下部瀝青的車轍因子呈略微降低趨勢(shì)，當(dāng)摻量超過(guò)4%時(shí)，降低幅度明顯增大；儲(chǔ)存管上部瀝青車轍因子隨膨潤(rùn)土摻量增加整體上呈單峰變化趨勢(shì)，且皆在摻量為4%左右達(dá)到峰值。

2)隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，儲(chǔ)存管上部瀝青與下部瀝青軟化點(diǎn)、車轍因子曲線都逐漸靠近，這表明隨著膨潤(rùn)土的摻入，改性瀝青的離析程度逐步減小，瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性逐步提高。

上述研究結(jié)果表明，膨潤(rùn)土作為復(fù)合改性劑能夠有效解決SBS改性瀝青儲(chǔ)存性差的問(wèn)題，但膨潤(rùn)土的摻入是否影響SBS改性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，需通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行探究。故進(jìn)一步對(duì)0%、2%、4%、6%等4種不同膨潤(rùn)土摻量的瀝青混合料開(kāi)展高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)，研究膨潤(rùn)土摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等路用性能的影響。

2.2 膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

依據(jù)規(guī)范要求,進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度及60 min變形量綜合評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能。不同膨潤(rùn)土摻量膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同膨潤(rùn)土摻量瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，隨著膨潤(rùn)土摻量增加，復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度顯著增大，當(dāng)摻量為0%～4%時(shí)，增幅尤為明顯，4%摻量的動(dòng)穩(wěn)定度相比SBS改性瀝青增加了140.3%；當(dāng)摻量超過(guò)4%，動(dòng)穩(wěn)定度的增幅逐漸平緩，60 min變形量逐漸減小。當(dāng)摻量為0%～4%時(shí)，減幅尤為明顯，4%摻量的60 min變形量相比SBS改性瀝青降低了37.9%；當(dāng)摻量超過(guò)4%，60 min變形量的減幅逐漸平緩。說(shuō)明膨潤(rùn)土的摻入對(duì)高溫穩(wěn)定性能提升較大，且摻量在4%以內(nèi)效果最為明顯。

隨著膨潤(rùn)土摻入，車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度與60min變形量走勢(shì)均逐漸緩和，這是因?yàn)楦邷胤€(wěn)定性能主要由粗骨料間的骨架作用與瀝青膠漿的粘結(jié)力組成，將膨潤(rùn)土摻入SBS改性瀝青中能夠增大瀝青的粘稠度，也就阻礙了瀝青分子與SBS聚合物高分子鏈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能夠有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能；但隨著膨潤(rùn)土摻量增加，過(guò)多的膨潤(rùn)土并不能與瀝青分子、SBS聚合物高分子鏈構(gòu)成有效的橋接作用，剩余的膨潤(rùn)土聚集后分散性有所下降，從而影響聚合物的改性效果。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量大于4%時(shí)，膨潤(rùn)土對(duì)改性瀝青高溫穩(wěn)定性的改善效果逐漸穩(wěn)定，故建議采用膨潤(rùn)土對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性時(shí)，摻量不宜超過(guò)4%。

2.3 膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料低溫抗裂性

依據(jù)規(guī)范要求，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，通過(guò)試件的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度及彎曲勁度模量綜合評(píng)價(jià)不同膨潤(rùn)土摻量的瀝青混合料低溫性能，低溫彎曲測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 膨潤(rùn)土摻量與瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度間關(guān)系

圖6 膨潤(rùn)土摻量與瀝青混合料彎曲勁度模量的關(guān)系

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著膨潤(rùn)土摻量增大，瀝青混合料的變形能力逐步下降，當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為0%～2%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變及強(qiáng)度皆產(chǎn)生輕微下降；摻量增大到4%時(shí)，下降幅度顯著增大，較2%摻量時(shí)分別減少12.2%與11.7%；當(dāng)摻量超過(guò)4%時(shí)，其變化趨勢(shì)又逐漸平緩。

由圖6可知，隨著膨潤(rùn)土摻量增大，復(fù)合改性瀝青的彎拉勁度模量逐步增大。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為0%～3%時(shí)，彎拉勁度模量緩慢增大，增幅不超過(guò)20 MPa， 當(dāng)摻量超過(guò)3%，彎拉勁度模量顯著增大，與3%相比，6%摻量的彎拉勁度模量增大了近5.2%，增幅約為225 MPa。

綜上可知，膨潤(rùn)土的摻入導(dǎo)致SBS改性瀝青低溫抗裂性能下降，主要是因SBS高分子鏈、瀝青分子以及膨潤(rùn)土片層三者之間的橋接作用導(dǎo)致，膨潤(rùn)土限制了SBS高分子鏈與瀝青分子之間的自由運(yùn)動(dòng)，使延展性受到了一定程度抑制，從而導(dǎo)致瀝青混合料極限抗彎拉應(yīng)變能力與極限抗彎拉強(qiáng)度均有一定程度的減小。此外，在高溫剪切作用下，膨潤(rùn)土片層部分以顆粒狀分布在瀝青中，增大了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生幾率，更易產(chǎn)生裂縫。

2.4 膨潤(rùn)土摻量對(duì)水穩(wěn)定性能影響分析

根據(jù)規(guī)范，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)的強(qiáng)度比，綜合評(píng)價(jià)不同膨潤(rùn)土摻量的膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同膨潤(rùn)土摻量瀝青混合料水穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

由圖7可知，膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的強(qiáng)度比(TSR)與殘留穩(wěn)定度(MS0)均隨膨潤(rùn)土摻量增大而呈單峰變化趨勢(shì)。殘留穩(wěn)定度在摻量為4%左右達(dá)到峰值，即摻量為4%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的水穩(wěn)定性最好;且膨潤(rùn)土摻量為2%～4%時(shí)，殘留穩(wěn)定度的增幅最為明顯，此摻量范圍的膨潤(rùn)土對(duì)SBS改性瀝青水穩(wěn)定性改善效果最為顯著；強(qiáng)度比在2.2%左右達(dá)到峰值，表示在膨潤(rùn)土摻量為2.2%左右時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好；而摻量大于3%時(shí)，強(qiáng)度比的減幅尤為明顯，即摻量大于3%時(shí)復(fù)合改性瀝青的水穩(wěn)定性會(huì)受到明顯的不利影響。綜合來(lái)說(shuō)對(duì)于復(fù)合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性而言，存在一個(gè)最佳的膨潤(rùn)土摻量，綜合這兩指標(biāo)，膨潤(rùn)土最佳摻量在2%～3%之間。

2.5 機(jī)理分析

對(duì)基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、納米CaCO3改性瀝青和納米CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青分別進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，納米CaCO3特征峰508、3 700 cm-1處的吸收峰減弱了;這些特征峰的消失或減弱，表明在熔融共混過(guò)程中羥基與經(jīng)過(guò)表面活化的納米粒子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。SBR改性瀝青的吸收峰與基質(zhì)瀝青的吸收峰應(yīng)該有差距，但紅外光譜中二者的圖譜較為相似，其原因可能是基質(zhì)瀝青中的基團(tuán)將聚合物特征峰覆蓋的緣故。而其他吸收峰所處位置基本保持一致，并沒(méi)有新的吸收峰出現(xiàn)。聚合物特征峰并未消失，表明聚合物與瀝青改性時(shí)以物理改性為主；納米材料特征峰的減弱或消失，表明納米粒子在瀝青改性中以化學(xué)改性為主。利用經(jīng)表面活化的納米粒子對(duì)聚合物改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，既產(chǎn)生物理變化，也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。SBR與瀝青主要產(chǎn)生物理變化，而納米CaCO3與瀝青主要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖8 紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié)論

為改善聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，采用膨潤(rùn)土對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，并進(jìn)一步對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

1)采用膨潤(rùn)土作為復(fù)合改性劑，能明顯改善SBS改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性能，但摻量不宜超過(guò)4%。

2)采用適宜的膨潤(rùn)土摻量可以提高膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能，但隨著摻量增加，其高溫穩(wěn)定性能提升幅度有限，水穩(wěn)定性能卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3)采用膨潤(rùn)土作為改性瀝青的改性劑會(huì)對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響，綜合各路用性能指標(biāo)，推薦膨潤(rùn)土最佳摻量范圍為2%～3%。