劉 軻，許寧乾

（1.山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

膨潤土是一種片層硅酸鹽的天然礦物，主要成分是蒙脫石，在國內(nèi)外的資源十分豐富，分布甚廣[1]。天然膨潤土以及經(jīng)過機(jī)械加工、無機(jī)化學(xué)處理后的天然膨潤土均屬于無機(jī)膨潤土，無機(jī)膨潤土具有較好的黏結(jié)性和吸附性[2]。但這種特性只能在極性較強(qiáng)的溶劑如水中才能體現(xiàn)，對于非極性或弱極性溶劑如溶劑油、苯和瀝青等則表現(xiàn)不出這種特性[3]。近些年，眾多研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)化改性后的膨潤土很容易與聚合物基體形成納米復(fù)合材料，且有機(jī)化膨潤土不會改變膨潤土的納米材料特性，從而達(dá)到納米材料所具備的優(yōu)異性能[4]。這相當(dāng)于有機(jī)化膨潤土充當(dāng)了中介作用，架起了膨潤土與聚合物形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的橋梁。同時膨潤土有機(jī)化過程簡單易行，有機(jī)插層劑廉價易獲取[5]。

因此，基于納米材料的優(yōu)勢，本文以膨潤土為試驗材料，制備了無機(jī)膨潤土和有機(jī)化膨潤土納米材料改性瀝青，展開了常規(guī)性能、儲存穩(wěn)定性能等系統(tǒng)的路用性能測試，正確地認(rèn)識膨潤土對瀝青的改性效果，為膨潤土改性瀝青在后續(xù)的研發(fā)中奠定理論基礎(chǔ)。對于膨潤土在瀝青路面的推廣應(yīng)用和我國公路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 原材料及改性瀝青的制備方法

1.1 原材料

膨潤土的微觀結(jié)構(gòu)及其參數(shù)見圖1及表1。

圖1 膨潤土微觀結(jié)構(gòu)

表1 膨潤土技術(shù)參數(shù)

1.2 改性瀝青制備方法

a）按照瀝青三大常規(guī)物理性能指標(biāo)、儲存穩(wěn)定性等試驗要求的瀝青用量大約計算每種摻量下的基質(zhì)瀝青用量為400 g左右。

b）根據(jù)a）中瀝青用量及膨潤土摻配比例（外摻），準(zhǔn)備膨潤土試驗樣品。

c）將稱好的基質(zhì)瀝青放入金屬容器中，并在電爐上加熱至140℃～150℃，稱取膨潤土并緩慢加入瀝青中（控制在5 min內(nèi)），添加結(jié)束后升溫至170℃～180℃，利用高速剪切乳化機(jī)攪拌，控制剪切速率5 000 r/min，剪切時間50 min。

d）高速剪切乳化機(jī)剪切結(jié)束后，人工攪拌60 min以確保良好的發(fā)育，即得膨潤土瀝青基納米復(fù)合材料（人工攪拌過程保持溫度170℃～180℃）。

2 試驗結(jié)果

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ E20—2011）[6]的試驗方法測試了不同摻量膨潤土改性瀝青的三大指標(biāo)的變化，以及膨潤土對不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青的適用性情況。其基本物理性能見表2、表3。

表2 不同摻量無機(jī)膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青的試驗指標(biāo)

表3 不同摻量有機(jī)膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青的試驗指標(biāo)

由表2和表3可以看出：a）針入度隨膨潤土摻量的增加呈降低趨勢，表明無機(jī)、有機(jī)膨潤土均可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能；b）對于同種基質(zhì)瀝青而言，相同摻量下有機(jī)膨潤土的針入度要低于無機(jī)膨潤土，表明有機(jī)膨潤土對瀝青高溫性能的改善作用要優(yōu)于無機(jī)膨潤土；c）有機(jī)膨潤土摻量增加到3%～4%以后，針入度降低程度不明顯，表明有機(jī)膨潤土的摻量不宜超過一定的范圍。

由表也可得到10℃延度隨膨潤土摻量的增加而降低，說明膨潤土對瀝青的低溫抗裂性能有負(fù)面影響。尤其是在摻量為3%～4%以后，延度下降幅度變大，這是瀝青稠度增加從而變得硬而脆的結(jié)果。膨潤土摻量在3%～4%時，10℃延度大約降低25%左右，在可控范圍內(nèi)，可通過復(fù)配橡膠類添加劑來改善。

3 膨潤土改性瀝青的儲存穩(wěn)定性

3.1 相容性

無論是無機(jī)膨潤土還是有機(jī)膨潤土，其與瀝青的相容性很大程度上和親水性、親油性有關(guān)[7]。瀝青是經(jīng)過石油加工提煉得到的有機(jī)材料，屬于油類[8]。無機(jī)膨潤土屬于天然無機(jī)礦物，具有親水性、疏油性[2]。而本文有機(jī)膨潤土是無機(jī)膨潤土經(jīng)過有機(jī)季銨鹽類加工處理得到。一般而言，親水性越差則親油性越好，和瀝青的相容性就越優(yōu)。為探究無機(jī)膨潤土和有機(jī)膨潤土與水、油的相容性狀況，對兩種膨潤土進(jìn)行了親水、親油性測試。具體步驟為：

a）取4支相同的試管并編號為1、2、3、4，使其放置在有載管臺的天平上。向試管1、2中分別加入相同質(zhì)量的蒸餾水，向試管3、4中分別加入相同質(zhì)量的煤油。使4支試管中的液體高度大約占試管高度的3/4。

b）向試管1、4中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的無機(jī)膨潤土，試管2、3中加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有機(jī)膨潤土。完成后將4支試管攪拌均勻，可用手指捂住試管口，使試管上下倒置、晃動，使溶液和溶劑完全接觸。經(jīng)過1 min、1 h后觀察其沉淀狀況，如圖2所示。

圖2 膨潤土親水性、親油性測試

由圖2a所示，短時間內(nèi)試管1、3中的溶液保持均勻狀態(tài)，試管2中的有機(jī)膨潤土迅速分層，試管4屬于部分分層，表明有機(jī)膨潤土與水的相容性較差，即有機(jī)膨潤土有較強(qiáng)的疏水性，無機(jī)膨潤土有較強(qiáng)的疏油性，但其疏油性要小于有機(jī)膨潤土的疏水性。由圖2b可看出，隨時間的延長，4支試管均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其中試管1、3仍保持均勻狀態(tài)，試管2、4有明顯的分層，充分說明了無機(jī)膨潤土具有親水性和疏油性，有機(jī)膨潤土具有較強(qiáng)的疏水性和親油性，該結(jié)論為有機(jī)膨潤土能與瀝青較好地相容奠定了基礎(chǔ)。

3.2 儲存穩(wěn)定性

對不同摻量的無機(jī)、有機(jī)膨潤土瀝青納米復(fù)合材料進(jìn)行離析試驗。通過軟化點差值來評價無機(jī)膨潤土、有機(jī)膨潤土對瀝青儲存穩(wěn)定性的影響。由測試得到的軟化點差值繪制成柱狀圖，如圖3。

圖3 膨潤土摻量及種類對瀝青儲存穩(wěn)定性的影響

隨著摻量的增加，兩種膨潤土瀝青基納米復(fù)合材料的軟化點差值均有提高；相同摻量下?lián)綗o機(jī)膨潤土要明顯高于摻有機(jī)膨潤土，表明無機(jī)膨潤土與瀝青的相容性較差。這是由于無機(jī)膨潤土的疏油性以及有機(jī)膨潤土經(jīng)過有機(jī)季銨鹽插層處理表現(xiàn)為親油性所致，摻有機(jī)膨潤土的軟化點差在4%摻量以后會有大幅度的上升。

4 結(jié)論

a）膨潤土降低了倫特70號、盤錦90號瀝青的針入度，提升了軟化點，表明膨潤土可以提高瀝青的高溫性能，但同摻量下有機(jī)膨潤土對高溫性能的提升要優(yōu)于無機(jī)膨潤土。

b）在有機(jī)膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青中，摻量分別達(dá)到4%、3%以后，針入度、軟化點的變化量逐漸變小，即有機(jī)膨潤土到一定摻量后，對瀝青高溫性能的提升不明顯。10℃延度隨膨潤土摻量的增加而降低，說明膨潤土對瀝青的低溫抗裂性能有負(fù)面影響。

c）無機(jī)膨潤土具有較好的親水性和疏油性，而有機(jī)膨潤土具有較強(qiáng)的疏水性和親油性。

d）膨潤土的加入影響了瀝青的儲存穩(wěn)定性，且摻量越大，儲存穩(wěn)定性越差。相同摻量下，有機(jī)膨潤土的軟化點差要遠(yuǎn)小于無機(jī)膨潤土，有機(jī)膨潤土與瀝青的相容性較好。