納米黏土與溫拌劑改性瀝青物理特性研究

尚勤超

（河南永明市政園林建設(shè)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453800）

引言

隨著瀝青路面使用范圍的擴(kuò)大，極端荷載及氣候條件對(duì)瀝青路面路用性能提出了更高的要求。如何提高瀝青產(chǎn)品品質(zhì)，針對(duì)性地提高其高溫抗變形性能、中溫疲勞性能或低溫抗裂性能具有重要意義。瀝青改性技術(shù)作為改變?yōu)r青品質(zhì)的直接方法，得到了廣泛應(yīng)用。已有研究表明，與未改性基質(zhì)瀝青相比，通過(guò)遴選合適的改性劑及摻量，加入改性劑會(huì)提高其物理性能和流變性能。

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”理念的提出，溫拌技術(shù)受到了更為持續(xù)的關(guān)注。溫拌劑的核心機(jī)理在于可有效降低瀝青黏度而不顯著降低瀝青或?yàn)r青混合料其它性能。據(jù)現(xiàn)有研究顯示，納米黏土可以有效改善瀝青的物理力學(xué)、老化等各項(xiàng)性能[5-7]，但目前研究采用的納米黏土種類繁雜，表面改性工藝不盡相同，對(duì)瀝青改性效果有待進(jìn)一步研究。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

瀝青采用70#基質(zhì)瀝青，其PG 分級(jí)為PG64-28。采用三種不同改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性：N1（納米黏土1）、N2（納米黏土2）、溫拌劑。兩種納米黏土采用原材料、改性方式及主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。（1）納米黏土N1：35%～45%二甲基二烷基銨（C14-C18）表面改性處理的蒙脫土。（2）納米黏土N2：35%～45%硬脂酰胺（即十八胺）與0.5%～5.0%氨基丙基三乙氧基硅烷表面改性蒙脫土。

表1 70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 改性劑主要成分

1.2 樣品制備

為了探究納米黏土作為瀝青溫拌劑使用的可行性，通過(guò)前期試驗(yàn)比選，遴選兩種表面改性納米黏土，擬將兩種納米黏土制備成改性瀝青，并與目前常用溫拌劑制備的改性瀝青進(jìn)行性能對(duì)比分析，其中溫拌瀝青的摻量為1%、2%、3%、4%，納米黏土改性瀝青N1 和N2 的摻量為3%、4%、5%。改性瀝青制備方法：將基質(zhì)瀝青加熱熔融至163℃±5℃?zhèn)溆?，將各改性劑少量多次加入瀝青中，并采用高速剪切機(jī)以2 000 r/min 進(jìn)行剪切混合5 ～10 min。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 物理性能

對(duì)基質(zhì)瀝青、各復(fù)配改性瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度等常規(guī)指標(biāo)測(cè)試，采用布魯克菲爾德黏度計(jì)測(cè)試瀝青高溫黏度，測(cè)試溫度范圍選取為120 ～180 ℃。

1.3.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

參照聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)方法進(jìn)行各瀝青試樣儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，將制備瀝青試樣澆灌至鋁質(zhì)試樣管中，然后連同固定架放置于163 ℃±5 ℃烘箱中48 h，加熱結(jié)束后取出置于冰箱≮4 h。最后，將試樣管切割成三段，取上、下兩端試樣進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，若二者軟化點(diǎn)差＜2.5 ℃，則認(rèn)為該試樣不會(huì)發(fā)生離析、儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好。

2 物理性能結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)指標(biāo)

采用針入度、軟化點(diǎn)、135 ℃黏度以及針入度指數(shù)PI、針入度- 黏度指數(shù)PVN對(duì)基質(zhì)瀝青及不同摻量改性瀝青物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可知，兩種納米黏土降低了瀝青針入度、增加了軟化點(diǎn)，而溫拌劑則提高了瀝青針入度，降低了軟化點(diǎn)，且當(dāng)溫拌劑摻量較低（≤2%）時(shí)影響較小。針入度指數(shù)PI及針入度-黏度指數(shù)PVN可表征瀝青溫度敏感性，二者值越大表明瀝青溫度敏感性越低，一般具有更好的抗變形性能。對(duì)比基質(zhì)瀝青感溫性能指標(biāo)，加入納米黏土后PI值增大，且納米黏土N1 影響更加明顯，而加入溫拌劑后PI值降低。加入納米黏土N1 后，PVN值也增大，加入納米黏土N2 后先增大后減小但影響幅度較小，加入溫拌劑后PVN減小。綜合分析，加入納米黏土后，瀝青溫度敏感性降低，對(duì)瀝青路用性能發(fā)揮具有有利影響。

2.2 旋轉(zhuǎn)黏度

不同摻量的改性瀝青高溫（120 ～180 ℃）黏度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 各試樣旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果

由圖1 可知，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，瀝青黏度與溫度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。相較基質(zhì)瀝青，納米黏土N1提高了瀝青黏度，且摻量越大黏度越大，但納米黏土N2 與溫拌劑降低了瀝青黏度。盡管兩種納米黏土均采用蒙脫土，但不同的表面改性方式使其影響效果截然相反，表明化學(xué)處理有助于提高納米黏土潤(rùn)滑效果，減少顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)墓に嚫男杂兄讷@得同溫拌劑一樣的瀝青降黏效果。而納米黏土N1 改性瀝青黏度增大，可能是由于納米材料比表面積大宜團(tuán)聚導(dǎo)致，團(tuán)聚導(dǎo)致高溫條件下瀝青之間流動(dòng)受阻，反映為旋轉(zhuǎn)黏度增大。

2.3 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)改性瀝青的工廠化加工，需要求其具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，以保證運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中瀝青性能的穩(wěn)定。各摻量改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 各試樣儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖2 可知，瀝青中摻加改性劑后增加了瀝青成分，發(fā)生離析現(xiàn)象概率變大。隨著各改性劑摻量的增大，離析軟化點(diǎn)差逐漸增大。但整體而言，各摻量改性瀝青離析軟化點(diǎn)差均在0.4 ℃以內(nèi)，低于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對(duì)于聚合物改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性要求（≤2.5℃），表明試樣具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，具備遠(yuǎn)距離或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸與儲(chǔ)存的潛力。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）兩種納米黏土降低了瀝青針入度、提高了軟化點(diǎn)，且納米黏土N2 影響效果更為明顯。溫拌瀝青影響效果相反，隨溫拌劑摻量增大，針入度增大、軟化點(diǎn)降低。儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，所有改性瀝青均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。（2）兩種納米黏土提高了瀝青針入度指數(shù)PI，溫拌劑則降低了PI，表明納米黏土可以改善瀝青溫度敏感性。納米黏土N2 與溫拌劑降低了瀝青黏度，納米黏土N1 顯著提高了瀝青黏度，表明納米黏土N2 改性劑與該溫拌劑具有相似的降黏特性。