UHMWPE/Nanoclay 對(duì)改性瀝青流變性能的影響

孫大勇，趙子雪，王亞平

（1.濟(jì)南市交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250001；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；3.湖南華城檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410017）

引言

瀝青作為瀝青混合料組分之一，其流變性和黏彈性影響著瀝青混合料的力學(xué)性能。流變學(xué)是研究材料由于應(yīng)力而產(chǎn)生的變形量以及時(shí)間對(duì)這種變形影響的學(xué)科。由于瀝青具有黏彈性行為，其流變參數(shù)隨時(shí)間和溫度的變化而變化，從而改變其物理性質(zhì)，如車轍和疲勞開(kāi)裂［1］。

李鑫和余紅杰［2］研究了納米二氧化硅對(duì)瀝青性能等級(jí)、車轍和疲勞的影響。納米二氧化硅對(duì)瀝青的低溫性能有負(fù)面影響。NEJAD 等［3］使用SiO2、TiO2和CaCO3等納米顆粒對(duì)瀝青膠黏劑改性，結(jié)果表明，納米粒子的加入提高了瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度和低溫剛度。在中溫條件下，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量增加，相位角降低。BARROS 等［4］在瀝青中加入了納米級(jí)氫氧化鈣（水合石灰）和氧化鈣（原生石灰），以提高路面的耐久性和減少永久變形損傷，改善其路用性能。楊騫［5］認(rèn)為碳納米管可以提高瀝青混合料的抗車轍和抗溫縮裂縫的能力。祝雯霞［6］研究了不同摻量的納米二氧化硅對(duì)瀝青的物理和流變性能的影響，納米二氧化硅摻量的增加使瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)增加。

1 試驗(yàn)材料

采用70#的瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［7］進(jìn)行不同UHMWPE/ Nanoclay 摻量的改性瀝青及基質(zhì)瀝青指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青和改性瀝青的基本性能

2 試驗(yàn)方法

采用高剪切混合器將瀝青與UHMWPE/ Nanoclay混合。選擇轉(zhuǎn)速為8 000 rpm，攪拌溫度為160 ℃，攪拌時(shí)間為40 min，將UHMWPE/ Nanoclay 與瀝青混合。利用掃描電子顯微鏡（SEM）研究了納米粒子在瀝青中的形貌及其混合方式。圖1 通過(guò)電子的集中載荷掃描樣品獲得，在30 kV 電壓下500 倍放大拍攝。納米顆粒的外觀接近球形，顯示了這些納米顆粒的尺寸和外觀。

圖1 UHMWPE/ Nanoclay 改性瀝青掃描電鏡

2.1 RTFO 老化

根據(jù)AASHTO T240（T240 2015），對(duì)含和不含UHMWPE/Nanoclay 的瀝青在163 ℃溫度下，利用RTFO 老化儀對(duì)一層薄薄的可滾動(dòng)瀝青進(jìn)行了短期老化測(cè)試，模擬瀝青在熱和空氣作用下的老化，老化時(shí)間為75 min。

2.2 PAV 老化

根據(jù)AASHTO R28（R28 2015），使用壓力老化箱（PAV）對(duì)RTFO 老化后的樣品進(jìn)行長(zhǎng)期老化。將試樣置于壓力為2 060 kPa，溫度為110 ℃的儀器中老化20 h。

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)研究了瀝青的黏彈性特性。瀝青的流變性能主要用于檢測(cè)基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料在未老化和短期老化下的車轍性能。利用車轍因子對(duì)瀝青混合料的流變性能進(jìn)行了研究。對(duì)短期老化的樣品采用直徑為25 mm、厚度為1 mm 的平行板，PAV 老化的樣品采用直徑為8 mm、厚度為2 mm 的平行板。此外，在58～76 ℃和16～22 ℃用RTFO 和PAV 老化的樣品也進(jìn)行了測(cè)試。

BBR 試驗(yàn)用來(lái)測(cè)量瀝青在極低溫下的剛度。采用工程梁理論，對(duì)瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的剛度進(jìn)行測(cè)量。用BBR 計(jì)算了兩個(gè)參數(shù)，蠕變?nèi)崃糠从沉藶r青抵抗恒定荷載的能力；m 值反映了瀝青剛度隨荷載作用變化的量。此外，利用BBR 對(duì)加入和不加入U(xiǎn)HMWPE/Nanoclay 的瀝青在低溫下的流變性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 DSR 測(cè)試結(jié)果

未老化和RTFO 的老化瀝青的車轍系數(shù)（G*/sinδ）應(yīng)至少為1 kPa 和2.2 kPa。見(jiàn)圖2、圖3，改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，車轍系數(shù)較大（58～76 ℃）。車轍系數(shù)較大，表明改性瀝青對(duì)永久變形的敏感性較小。

圖2 RTFO 未老化改性、未改性瀝青的車轍因子

圖3 RTFO 老化改性、未改性瀝青的車轍因子

當(dāng)對(duì)PAV 老化的瀝青試樣的DSR 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，引入疲勞因子G*sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性的指標(biāo)。從抗疲勞開(kāi)裂的角度，疲勞系數(shù)越低越好且疲勞因子應(yīng)≯5 000 kPa。測(cè)量在16 ℃、19 ℃和22 ℃的溫度下的改性瀝青和基質(zhì)瀝青疲勞因子值，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 PAV 老化改性、未改性瀝青的疲勞因子

由圖4 可知，與基質(zhì)瀝青相比，UHMWPE/Nanoclay改性瀝青具有更低的疲勞系數(shù)（2%、4%和6%摻量的改性瀝青）?？梢灶A(yù)測(cè)含有UHMWPE/Nanoclay 改性瀝青的瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料具有較長(zhǎng)的疲勞壽命。此外，在16 ℃的溫度下，4%和6%摻量的UHMWPE/Nanoclay 能夠使瀝青的使用等級(jí)提高一級(jí)。

3.2 BBR 測(cè)試結(jié)果

BBR 試驗(yàn)溫度為-6～ -18 ℃，見(jiàn)圖5、圖6。瀝青在低溫下的最大可接受蠕變?nèi)崃繛?00 MPa。

由圖5 可知，當(dāng)基質(zhì)瀝青測(cè)試溫度為-12 ℃時(shí)滿足蠕變?nèi)崃浚?00 MPa 的要求，因此基質(zhì)瀝青工作溫度在-22 ℃以上。然而，當(dāng)UHMWPE/Nanoclay 摻量為4%和6%時(shí)，改性瀝青在-18 ℃溫度下的蠕變?nèi)崃咳孕∮?00 MPa，表明瀝青的功能溫度提高到-28 ℃。此外，改性瀝青在所有溫度下的蠕變剛度因子均小于基質(zhì)瀝青。由圖6 可知，m 值表示蠕變剛度S（t）隨加載時(shí)間的變化率。在60 s 內(nèi)測(cè)量的m值應(yīng)≥0.3，否則蠕變剛度會(huì)隨著溫度的變化而迅速變化。這些蠕變剛度的快速變化會(huì)導(dǎo)致瀝青中應(yīng)力的積累。圖6 中改性后的瀝青與基質(zhì)瀝青相比，表現(xiàn)出更大的m 值。結(jié)果表明，UHMWPE/Nanoclay 能夠在較低溫度下改善瀝青的性能。

圖5 改性瀝青、未改性瀝青的蠕變?nèi)崃?/p>

圖6 改性瀝青、未改性瀝青的m 值

4 結(jié)語(yǔ)

研究UHMWPE/Nanoclay 改性劑對(duì)瀝青黏彈性能的影響，用DSR 評(píng)價(jià)其車轍和疲勞性能，并用BBR 評(píng)價(jià)其在低溫下的性能。與基質(zhì)瀝青相比，UHMWPE/Nanoclay 改性瀝青具有更高的軟化點(diǎn)、更好的延度和更低的針入度。UHMWPE/Nanoclay 增加了瀝青的車轍因子，可以降低改性瀝青混合料在高溫下的車轍；改善了改性瀝青的疲勞性能，可以延遲摻有改性瀝青的混合料出現(xiàn)疲勞裂紋的時(shí)間。同時(shí)，根據(jù)低溫流變參數(shù)蠕變?nèi)崃亢蚼 值，改性瀝青的低溫抗裂性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。