納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO對(duì)瀝青性能的影響研究

羅文歡

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

道路石油瀝青在我國(guó)公路瀝青鋪面中被廣泛應(yīng)用，但隨著公路建設(shè)場(chǎng)景的擴(kuò)大，在極端氣候環(huán)境下的路面鋪筑需要綜合考慮高溫、低溫條件及路面的抗疲勞性能等因素。一直以來(lái)，提升瀝青及瀝青混合料的耐久性、穩(wěn)定性及溫度敏感性是公路工程領(lǐng)域研究者關(guān)注的熱點(diǎn)［1-3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)添加不同的納米材料提升瀝青的耐久性，降低溫度敏感性，并取得一定的研究成果。彭天鶴等［4］對(duì)不同摻量的納米ZnO改性瀝青開(kāi)展研究，得出隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的各項(xiàng)性能先提升后降低的結(jié)論，并通過(guò)紅外光譜試驗(yàn)揭示了納米ZnO 與瀝青的作用機(jī)理。王瓊［5］對(duì)有機(jī)蒙脫土改性瀝青及瀝青混合料進(jìn)行全面研究，認(rèn)為有機(jī)蒙脫土改善了瀝青及瀝青混合料的路用性能。JIN 等［6］研究有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)不同瀝青性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加有機(jī)膨潤(rùn)土后的改性瀝青的軟化點(diǎn)和抗車轍能力略有提高，但疲勞因子和低溫抗裂性能有所降低。崔亞楠等［7］對(duì)納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青抗老化性能開(kāi)展研究，認(rèn)為納米有機(jī)蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)插入瀝青分子后，對(duì)納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青的抗老化性能有很大的改善作用。黃娟［8］對(duì)納米ZnO/SBS 復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究，得出納米ZnO改善了SBS改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，并提升了SBS 改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的結(jié)論。以往的研究發(fā)現(xiàn)納米有機(jī)土和納米ZnO 改性劑的加入可以改善瀝青及瀝青混合料性能，但低溫和疲勞性能可能有所下降。上述研究多對(duì)納米有機(jī)土和納米ZnO 用于改性基質(zhì)瀝青或與其他改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，但鮮有文獻(xiàn)研究對(duì)比2種改性劑在改性瀝青后的高、低溫性能和疲勞性能等。因此，本文選用納米蒙脫土和納米ZnO 2種改性劑，用于改性70#瀝青，并對(duì)改性后的瀝青性能進(jìn)行比較分析，確定瀝青流變性能方面改性更好的一者。本研究對(duì)納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 在瀝青改性劑領(lǐng)域獲得更好的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選用70#A 級(jí)瀝青作為基質(zhì)瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 70#A級(jí)瀝青技術(shù)指標(biāo)

納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 均購(gòu)自市場(chǎng)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2和表3。

表2 納米有機(jī)蒙脫土技術(shù)指標(biāo)

表3 納米ZnO技術(shù)指標(biāo)

參考現(xiàn)有文獻(xiàn)［9-10］的研究結(jié)果，將納米有機(jī)蒙脫土的摻量設(shè)置為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的8%、10%和12%，納米ZnO的摻量設(shè)置為瀝青質(zhì)量的1%、2%和3%。為方便繪制圖表，納米有機(jī)蒙脫土以M 表示，納米ZnO以Z表示。

1.2 改性瀝青制備方法

為制備納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青試樣，選擇高速剪切儀將基質(zhì)瀝青與2種改性劑分別按照相應(yīng)的重量混合。為確保所有樣品均勻混合，納米蒙脫土與基質(zhì)瀝青的混合時(shí)間設(shè)置為120 min，混合溫度為（150±5）℃，剪切速率為3 000 rpm。納米ZnO在（160±5）℃的混合溫度下和2 000 rpm 的剪切速度下與基質(zhì)瀝青攪拌20 min，然后在（170±5）℃混合溫度和4 500 rpm 剪切速率下，再次攪拌40 min，最后將2 種改性瀝青的所有試樣放入150 ℃烘箱中采用錫紙密封發(fā)育30 min，制得成品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

采用針入度、軟化點(diǎn)和布式旋轉(zhuǎn)黏度評(píng)價(jià)納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青常溫下的稠度、高溫性能及施工性能。相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程參考我國(guó)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［11］。

1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的黏彈特性，主要是通過(guò)測(cè)試復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ表征瀝青的高溫性能和中溫性能。使用TFOT 進(jìn)行短期老化，并測(cè)試原樣、TFOT短期老化后的瀝青試樣復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ。相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程參考規(guī)范JTG E20—2011。

1.3.3 彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)

按照我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011中的要求，“T0627”采用彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)測(cè)試瀝青混合料的低溫性能，采用彎曲蠕變勁度蠕變速率（S）和蠕變速率（m）評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫性能。S越小，m越大，表明瀝青的低溫性能越好。要求在規(guī)定試驗(yàn)溫度下，S＜300 MPa，m＞0.3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知：①隨著納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的軟化點(diǎn)均不斷增大，并且增大過(guò)程為線性提升，與改性劑摻量有顯著相關(guān)性。②納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 均提升了70#瀝青的軟化點(diǎn)，改善了70#瀝青的高溫性能。納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 均會(huì)增大70#瀝青的稠度，納米蒙脫土對(duì)70#瀝青軟化點(diǎn)的提升高于納米ZnO。

圖1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 針入度

25 ℃針入度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，當(dāng)在改性瀝青中添加更多的納米有機(jī)蒙脫土?xí)r，觀察到較低的針入度。當(dāng)納米有機(jī)蒙脫土從8%的摻量增加到12%時(shí)，針入度從62.3 下降到45.1，相比70#基質(zhì)瀝青，針入度下降幅度從9%變化到34%。此外，納米ZnO 和納米有機(jī)蒙脫土的變化趨勢(shì)相同，針入度隨著納米ZnO 摻量的增加而降低。隨著從1%納米ZnO 摻量提升至3%，針入度值由61.6下降至49.8。納米有機(jī)蒙脫土或納米ZnO 的所有針入度均低于70#基質(zhì)瀝青。隨著納米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，針入度呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榧{米有機(jī)蒙脫土和納米ZnO 加入瀝青后會(huì)分散，使瀝青變得更硬，從而提高了瀝青的常溫稠度。

圖2 針入度試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果及分析

布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，隨著納米有機(jī)蒙脫土摻量的增加，布式旋轉(zhuǎn)黏度增大，表明納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青在高溫下具有更低的流動(dòng)能力（更高的阻力）。納米ZnO 改性瀝青和納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青有相同的變化趨勢(shì)，二者的布式旋轉(zhuǎn)黏度均高于基質(zhì)瀝青，并且其流動(dòng)阻力隨著納米ZnO 或納米有機(jī)蒙脫土改性劑的摻入量增加而提升。然而，較高的布式黏度意味著較低的可施工性。納米有機(jī)蒙脫土改性瀝青軟化點(diǎn)和布式旋轉(zhuǎn)黏度的增大是由于納米有機(jī)蒙脫土在瀝青中形成層狀插入結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，瀝青分子通過(guò)層狀插入結(jié)構(gòu)后在高溫下的流動(dòng)能力被抑制。盡管納米有機(jī)蒙脫土試樣的布式旋轉(zhuǎn)黏度高于基質(zhì)瀝青，但是所有試樣均未超過(guò)我國(guó)規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF 40—2004）中對(duì)改性瀝青低于3 000 mPa·s（3 Pa·s）的要求。這意味著用2 種選定的改性劑中的任何一種改性70#瀝青，均不會(huì)對(duì)70#瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

圖3 布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 流變性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)短期老化的瀝青開(kāi)展高溫流變性能試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度范圍為58～82 ℃，間隔溫度為6 ℃。其中，復(fù)數(shù)模量G*試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，任何摻量的納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO，其G*值都會(huì)隨著測(cè)試溫度的升高而降低，表明溫度上升不利于改性瀝青的高溫性能。向70#瀝青中添加納米蒙脫土或納米ZnO，能小幅度提升G*，意味著添加納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 能提升70#瀝青的高溫性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)納米蒙脫土的含量為12%、納米ZnO 的含量為3%時(shí)，能夠更好地提升70#瀝青的高溫性能。

圖4 復(fù)數(shù)模量G＊試驗(yàn)結(jié)果

相位角δ試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 的摻量增加，改性瀝青相比70#瀝青的相位角δ逐漸減小，表明納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 的摻加提高了70#瀝青的彈性成分，使瀝青的高溫性能增強(qiáng)。

圖5 相位角δ試驗(yàn)結(jié)果

車轍因子G*/sinδ由復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ計(jì)算得出，車轍因子是評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料高溫性能的指標(biāo)，因此根據(jù)上文試驗(yàn)獲得的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ計(jì)算車轍因子，用于評(píng)價(jià)納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的高溫性能。計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。由圖6可知，納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO改性瀝青的車轍因子均隨著溫度升高而降低，隨著納米蒙脫土改性或納米ZnO 摻量的增加而提升，表明溫度不利于改性瀝青的高溫性能，并且隨著溫度升高呈快速下降的趨勢(shì)，而改性劑摻量的增加，使車轍因子呈線性增長(zhǎng)，這與上文的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果類似，進(jìn)一步反映出車轍因子與軟化點(diǎn)2 個(gè)指標(biāo)具有一定的內(nèi)在相關(guān)。

圖6 車轍因子G＊/sinδ的計(jì)算結(jié)果

2.2.2 中溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

長(zhǎng)期老化瀝青的溫流變性能試驗(yàn)采用3個(gè)試驗(yàn)溫度，分別為25 ℃、28 ℃、31 ℃。試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ反映，通過(guò)這2個(gè)指標(biāo)計(jì)算G*·sinδ，即疲勞因子，該指標(biāo)能反映瀝青在常溫下的抵抗疲勞荷載能力，疲勞因子越低，表明瀝青的抗疲勞性能越好。中溫條件下，復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ的試驗(yàn)結(jié)果如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 可知，隨著溫度上升，復(fù)數(shù)模量G*下降，相位角δ 上升；隨著納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，復(fù)數(shù)模量G*下降，相位角δ 降低。中溫條件下，復(fù)數(shù)模量G*較低有利于瀝青的抗疲勞性能，因此溫度升高會(huì)影響瀝青的疲勞性能，而納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的提升有利于提升瀝青的疲勞性能。為更好地對(duì)比不同摻量的納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的疲勞性能，采用疲勞因子G*·sinδ進(jìn)行分析，疲勞因子G*·sinδ計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可知，疲勞因子G*·sinδ隨著納米蒙脫土和納米ZnO 改性劑含量的增加而降低，反映了在所有試驗(yàn)溫度下，添加改性劑后瀝青的抗疲勞性能提高。所有G*·sinδ均小于5 000 kPa，符合JTG E20—2011 中規(guī)定的最大值。2 種改性瀝青的G*·sinδ的試驗(yàn)結(jié)果差距較小，表明在本文設(shè)定摻量下的2種改性瀝青對(duì)瀝青的抗疲勞性能的影響相似。

圖7 復(fù)數(shù)模量G＊試驗(yàn)結(jié)果

圖8 相位角δ試驗(yàn)結(jié)果

圖9 疲勞因子G＊·sinδ計(jì)算結(jié)果

2.2.3 低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

低溫流變性能試驗(yàn)溫度設(shè)定為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃，結(jié)果如圖10 和圖11 所示。分析圖10 和圖11可知：①在-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃溫度條件下，70#瀝青的m均未達(dá)到0.3，摻加納米蒙脫土和納米ZnO后，m均高于0.3，并且在摻加納米蒙脫土和納米ZnO 后，S均有所降低，表明納米蒙脫土和納米ZnO 均能改善70#瀝青的低溫性能。②納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的S和m隨改性劑的摻量增加而提升，其S和m呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即隨著改性劑摻量增加，S降低，m增加，表明納米蒙脫土和納米ZnO摻量越高，改性瀝青的低溫性能越好。③8%～12%摻量的納米蒙脫土8%～12%與1%～3%摻量的納米ZnO 的S與m相當(dāng)，表明這2種改性劑在上述摻量范圍內(nèi)對(duì)瀝青的低溫性能的影響相似。

圖10 m試驗(yàn)結(jié)果

圖11 S試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展常規(guī)性能試驗(yàn)和高、中、低溫流變性能試驗(yàn)，對(duì)8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能開(kāi)展研究，得出如下結(jié)論：納米蒙脫土和納米ZnO 改性70#瀝青后，改性瀝青的性能隨著納米蒙脫土和納米ZnO 的摻量而變化，其變化趨勢(shì)相同，并且8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能相當(dāng)。本文所選擇的納米蒙脫土和納米ZnO 摻量使納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的各項(xiàng)性能均有所提升，并且布式旋轉(zhuǎn)黏度均未超出相關(guān)規(guī)范的允許范圍，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中可在本文研究結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)靥嵘{米蒙脫土和納米ZnO 的摻量。本文僅對(duì)比研究納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能，未對(duì)其微觀特性和化學(xué)特性開(kāi)展研究，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步對(duì)納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的微觀特性和化學(xué)特性開(kāi)展研究，以期揭示納米蒙脫土、納米ZnO 改性瀝青的微觀機(jī)理和化學(xué)機(jī)理。