納米碳酸鈣改性瀝青及其混合料老化性能試驗(yàn)研究

孫岳,王同福,柴慶剛,趙磊,王光勇

(1.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250100;2.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

隨著交通荷載的增加,瀝青路面病害頻發(fā),其耐久性需求日益突出,為提高路面的耐久性,眾多學(xué)者已成功將納米材料用于路面工程中[1-2]。由于納米材料具有尺寸小、比表面積大、表面效應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用聚合物改性瀝青中。孟祥濤[3]發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加少量的納米黏土可顯著提高瀝青的軟化點(diǎn)、降低針入度和延展性、提高抗老化性能、改善瀝青的流變性能。李彥斌[4]的研究表明,采用摻量4%的納米二氧化硅改性瀝青可將路面的車(chē)轍深度降低到近50%。楊喜英等[5]將三異硬脂?；岙惐?TTS)作為偶聯(lián)劑,采取螺桿擠出造粒技術(shù)制得納米碳酸鈣/TTS共混體系改性劑及其改性瀝青,但其改性瀝青的高低溫性能改善并不顯著,這可能是由于不同材料間物理、化學(xué)協(xié)同作用導(dǎo)致其性能變化。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)納米碳酸鈣作為瀝青的改性材料進(jìn)行了一定的研究,但對(duì)無(wú)機(jī)納米材料與有機(jī)瀝青混合時(shí)存在分散能力差、無(wú)機(jī)材料容易結(jié)塊的問(wèn)題,一直未能得到很好的解決。

納米碳酸鈣具有強(qiáng)吸附性、比表面積大、穩(wěn)定性好和分散能力強(qiáng)等諸多有益特性[6-7],本文將其作為改性劑制備改性瀝青確定其最佳摻量及工藝參數(shù),并通過(guò)熱重分析法對(duì)其高溫穩(wěn)定性、抗老化性能進(jìn)行研究,對(duì)不同老化周期納米碳酸鈣改性瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn),進(jìn)一步評(píng)價(jià)瀝青混合料的整體路用性能。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本文采用70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,其基本性能見(jiàn)表1。

表1 70#道路石油瀝青基本性能

1.1.2 改性瀝青

采用納米碳酸鈣對(duì)70#道路石油瀝青進(jìn)行改性,設(shè)定納米碳酸鈣的摻量為瀝青質(zhì)量的0%,0.5%,1%,1.5%,2%,3%,4%,5%。

改性瀝青具體制備方法如下:首先將70#道路石油瀝青加熱至熔融狀態(tài),然后按設(shè)定好質(zhì)量的納米碳酸鈣摻入到基質(zhì)瀝青中,設(shè)置高速剪切機(jī)剪切速率為4 000 r/min,剪切攪拌1 h,制備過(guò)程中溫度控制在160 ℃左右。

將制備得到不同摻量的納米碳酸鈣改性瀝青進(jìn)行針入度(15,25,35 ℃)和運(yùn)動(dòng)黏度(135 ℃)試驗(yàn),從而確定納米碳酸鈣在瀝青中的最佳摻量。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 瀝青老化試驗(yàn)

采用瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)對(duì)納米碳酸鈣改性瀝青進(jìn)行短期老化模擬,具體試驗(yàn)步驟依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0610—2011規(guī)定進(jìn)行。

1.2.2 熱重差熱分析法

采用TG209F3熱重分析儀測(cè)試瀝青試樣的差熱分析(DTA)和熱重分析(TG)曲線(xiàn),測(cè)試儀器的氣體環(huán)境為氮?dú)?加熱速率為40 ℃/10.0 (K/min),溫度范圍為0～300 ℃。實(shí)驗(yàn)主要采用氮?dú)鉃樵嚇犹峁o(wú)氧環(huán)境,以避免氧氣與試樣的反應(yīng)。根據(jù)TG分析數(shù)據(jù),確定溫度與DTA的關(guān)系曲線(xiàn),測(cè)量瀝青在持續(xù)變化的溫度環(huán)境中的物理和化學(xué)變化。

1.2.3 瀝青混合料老化試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求,以短期老化后混合料表征攤鋪完成的瀝青路面老化現(xiàn)象,以長(zhǎng)期老化混合料模擬使用五至七年后瀝青路面的性能衰減影響程度。

在短期老化過(guò)程中,將松散的混合料均勻鋪入板中,放入135 ℃(強(qiáng)制通風(fēng))的烘箱中4 h,此過(guò)程中,需要每小時(shí)攪拌一次。

采用短期老化的混合料制備長(zhǎng)期老化混合料,將短期老化的混合料試件放入5 ℃(強(qiáng)制通風(fēng))的烘箱中85 d,試件在85 ℃ 烘箱中強(qiáng)制通風(fēng)連續(xù)加熱5 d后取出,冷卻后供試驗(yàn)使用。

1.2.4 瀝青混合料性能試驗(yàn)

1.2.4.1 車(chē)轍試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0719—2011的規(guī)定進(jìn)行納米碳酸鈣改性瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn),測(cè)定不同老化周期的混合料抗車(chē)轍能力,評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性。

1.2.4.2 半圓彎曲試驗(yàn)

試驗(yàn)室制備旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,試件直徑為100 mm、高度為75 mm,用高精度雙面鋸將同批單軸試件一分為二。采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(UTM)進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn),加載速度為50 mm/min,試驗(yàn)環(huán)境為-10 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 瀝青針入度指數(shù)

不同摻量納米碳酸鈣改性瀝青的針入度指數(shù)如圖1所示。圖1中,當(dāng)納米碳酸鈣的摻量為3%時(shí),針入度指數(shù)接近于零,納米碳酸鈣改性瀝青的敏感性最低,其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性也最優(yōu);當(dāng)摻量大于3%時(shí),針入度指數(shù)呈下降趨勢(shì),當(dāng)摻量大于5%時(shí),改性瀝青的流動(dòng)性會(huì)迅速變差。

圖1 改性瀝青的針入度指數(shù)

同時(shí)也可觀(guān)察到不同納米碳酸鈣摻量下,瀝青針入度指數(shù)呈不規(guī)律變化趨勢(shì),且針入度指數(shù)最大值為0.22,最小值為-1.13。因此,以針入度指數(shù)為判斷依據(jù),納米碳酸鈣的摻量為3%時(shí)是最優(yōu)摻量。

2.2 瀝青運(yùn)動(dòng)黏度

瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)用于評(píng)估瀝青的流動(dòng)性程度,本文對(duì)8種不同摻量的納米碳酸鈣改性瀝青進(jìn)行測(cè)試,其結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同納米碳酸鈣摻量下改性瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度

圖2中改性瀝青在135 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度隨納米碳酸鈣摻量的增加整體呈上升趨勢(shì),這是由于在改性過(guò)程中基質(zhì)瀝青與納米碳酸鈣充分反應(yīng),改性瀝青的組分由于納米碳酸鈣的加入而產(chǎn)生一定的變化,使瀝青質(zhì)含量增加所導(dǎo)致。

當(dāng)納米碳酸鈣摻量超過(guò)4%時(shí),黏度增加趨勢(shì)較為緩慢,這是由于瀝青中含有過(guò)量的納米碳酸鈣時(shí)無(wú)法充分反應(yīng),因此改性瀝青的黏度不宜過(guò)大。而規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于3 000 mPa·s,當(dāng)納米碳酸鈣含量小于3%時(shí),符合規(guī)范要求。因此,以運(yùn)動(dòng)黏度為判斷依據(jù),納米碳酸鈣的摻量為3%時(shí)也為最優(yōu)摻量。

此外,納米碳酸鈣改性瀝青的混合過(guò)程表明,上述化學(xué)反應(yīng)和物理填充會(huì)充分發(fā)生,并可能形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),填充瀝青間作用。

2.3 TG和DTA分析

以70#瀝青為對(duì)照組,對(duì)兩種改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、抗老化性能進(jìn)行對(duì)比分析,其結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 DTA分析結(jié)果

圖4 TG分析結(jié)果

對(duì)照組瀝青和納米碳酸鈣改性瀝青均100 ℃左右時(shí)觀(guān)察到放熱峰,且兩種瀝青吸熱、放熱峰之間的差異不大,但由于測(cè)試溫度僅為300 ℃,無(wú)法確定下一個(gè)吸熱和發(fā)熱峰的溫度。對(duì)照組的瀝青峰面積遠(yuǎn)大于改性瀝青,可判斷對(duì)照組瀝青的熱效應(yīng)更顯著,升溫過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)更嚴(yán)重。由此可見(jiàn),納米碳酸鈣改性瀝青的高溫穩(wěn)定性較好。

老化后對(duì)照組瀝青的第一個(gè)吸熱峰值遠(yuǎn)小于老化后納米碳酸鈣改性瀝青的第一吸熱峰值,且老化后納米碳酸鈣改性瀝青在溫度達(dá)到300 ℃時(shí)尚未達(dá)到放熱峰值,因此可知老化改性瀝青的性能遠(yuǎn)優(yōu)于老化對(duì)照組瀝青。這是由于納米碳酸鈣改性瀝青物理和化學(xué)反應(yīng)活性較慢,且從圖3中也可以明顯看出老化后的納米碳酸鈣改性瀝青的峰值面積遠(yuǎn)小于老化后70#瀝青的峰值面積。

由圖4可以看出,105 ℃時(shí)70#瀝青的損失量為0.6%,而納米碳酸鈣改性瀝青的損失量為0.5%。兩種瀝青的吸熱峰和放熱峰差別不大,而峰面積卻比對(duì)照組70#瀝青小得多,這是由于基質(zhì)瀝青的物理和化學(xué)反應(yīng)更加活躍,燃燒損失量更大。另外,70#瀝青在300 ℃時(shí)的損失為0.9%,而納米碳酸鈣改性瀝青在300 ℃時(shí)的燃燒損失僅為0.6%,可見(jiàn)改性瀝青的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于對(duì)照組瀝青。

通過(guò)對(duì)比老化后70#瀝青和老化納米碳酸鈣改性瀝青的燃燒損失,在125 ℃時(shí),老化后70#瀝青的損失量為1.6%,老化后納米碳酸鈣改性瀝青的損失量為1.4%;而在300 ℃時(shí),老化后70#瀝青的燃燒損失為2.1%,而老化后納米碳酸鈣改性瀝青的質(zhì)量損失僅為1.7%,其損失量與其在125 ℃時(shí)相差不大。因此,可以得出結(jié)論,老化后納米碳酸鈣改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和耐老化性改善效果顯著。

綜上所述,無(wú)論是未老化改性瀝青還是老化后改性瀝青,其化學(xué)成分和化學(xué)性能經(jīng)差熱分析后均優(yōu)于對(duì)照組瀝青。且TG試驗(yàn)表明,摻入納米碳酸鈣后,瀝青的性能如黏度、抗拉強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、抗老化性能等都有了明顯的改善。這是由于納米碳酸鈣不僅對(duì)瀝青具有耦合作用,而且納米碳酸鈣的活化和改性作用還可促進(jìn)瀝青與納米碳酸鈣之間的化學(xué)反應(yīng),同時(shí)也會(huì)提高納米碳酸鈣與瀝青的相容性,加強(qiáng)分子間的界面作用,提高瀝青的黏韌性。

2.4 路用性能分析

由瀝青運(yùn)動(dòng)黏度、針入度指數(shù)等指標(biāo),確定納米碳酸鈣的最優(yōu)摻量為3%,為進(jìn)一步驗(yàn)證納米碳酸鈣改性瀝青的長(zhǎng)期路用性能,以70#瀝青為對(duì)照組,對(duì)兩種混合料進(jìn)行長(zhǎng)期老化試驗(yàn),模擬瀝青路面的性能衰減程度,驗(yàn)證其路用性能。

2.4.1 車(chē)轍試驗(yàn)

圖5為不同老化條件下納米碳酸鈣改性瀝青混合料、對(duì)照組瀝青混合料的車(chē)轍深度。從圖中可以看出,對(duì)照組瀝青混合料的車(chē)轍深度隨著老化程度的增加而先上升后下降,最大的車(chē)轍深度出現(xiàn)在長(zhǎng)期老化5 d后。

圖5 不同老化條件下道路石油瀝青車(chē)轍深度

同時(shí)從圖中也可觀(guān)察到,老化對(duì)混合料的車(chē)轍深度有重要影響,在不同的老化階段,瀝青混合料的車(chē)轍深度可以相差幾倍。以納米碳酸鈣瀝青為例,從未老化階段到長(zhǎng)期老化階段(15 d),最大的車(chē)轍深度約為9.6 mm,而最小的車(chē)轍深度只有約2.5 mm。在長(zhǎng)期老化5 d時(shí),兩種瀝青混合料的車(chē)轍深度均達(dá)到最大值,納米碳酸鈣瀝青混合料較對(duì)照組瀝青最大車(chē)轍減少23.6%,表明納米碳酸鈣改性瀝青可有效提高道路石油瀝青抗車(chē)轍能力。

2.4.2 半圓彎曲試驗(yàn)

半圓彎曲試驗(yàn)是表征瀝青路面抗彎拉性能的指標(biāo),其測(cè)試結(jié)果如圖6所示.從圖中可看出,老化對(duì)改性瀝青抗彎拉性能的影響規(guī)律大致相同,隨老化程度的增加,彎曲強(qiáng)度逐漸下降。以70#瀝青混合料為例,與未老化階段的彎曲強(qiáng)度相比,短期老化階段和長(zhǎng)期老化(5,10,15 d)階段的彎曲強(qiáng)度分別下降16.9%,24.2%,29.9%和36.1%。因此,瀝青的老化程度越嚴(yán)重,其抗裂性能越差。

圖6 不同老化程度下瀝青混合料的彎曲強(qiáng)度

改性瀝青的老化過(guò)程中存在兩種現(xiàn)象:一種是改性劑添加劑的降解,另一種是純?yōu)r青的老化。這兩種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致瀝青硬化,使瀝青的抗彎拉性能下降。除此以外,還可以看到納米碳酸鈣改性瀝青能提高道路石油瀝青的抗裂性。在未老化階段,其彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到66 kPa,較對(duì)照組提高21.21%。而當(dāng)長(zhǎng)期老化為15 d時(shí),納米碳酸鈣改性瀝青彎曲強(qiáng)度為42 kPa,較對(duì)照組提高11.65%,進(jìn)一步表明納米碳酸鈣改性瀝青混合料的抗老化性能和抗彎拉性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

納米碳酸鈣的活化和改性作用還可促進(jìn)瀝青與納米碳酸鈣之間的化學(xué)反應(yīng),同時(shí)也會(huì)改善納米碳酸鈣與瀝青的相容性,加強(qiáng)分子間的界面作用,提高瀝青的黏韌性。本研究的目的是評(píng)價(jià)用納米碳酸鈣的改性效果和工藝,以提高瀝青混合料的整體路用性能。具體結(jié)論如下:

1)以針入度、針入度指數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度等試驗(yàn)指標(biāo),確定納米碳酸鈣的最優(yōu)摻量為3%,當(dāng)納米碳酸鈣含量超過(guò)5%時(shí),改性瀝青的流動(dòng)性會(huì)迅速變差。

2)通過(guò)TG、DTA分析表明,納米碳酸鈣的加入改善了瀝青的抗拉強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性及抗老化性能。

3)通過(guò)路用性能試驗(yàn)證明,不同老化周期的納米碳酸鈣改性瀝青混合料的抗車(chē)轍性能、抗彎拉性能均優(yōu)于對(duì)照組瀝青。