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        蒙脫土對SBS 改性瀝青老化性能的改善研究*

        2021-01-25 03:39:20田榮燕孫威宇
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年5期
        關(guān)鍵詞:蒙脫土延度針入度

        蘇 江,田榮燕,孫威宇

        (西藏大學(xué) 工學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

        引言

        SBS 改性瀝青是西藏最常見的道路瀝青材料,在西藏的各個城市和高速公路上都有使用[1-2]。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件,需對瀝青的各項性能進(jìn)行改良研究,關(guān)于瀝青性能改善的研究,選擇合適的摻合料進(jìn)行瀝青改性是目前常見的研究方向。學(xué)者關(guān)于摻合料的選擇與適用做了大量研究工作,李鄭[3]提出用多聚磷酸與橡膠粉改性西藏地區(qū)的路用瀝青,董大偉[4]提出廢輪胎橡膠粉改善高黏性瀝青的性能,張明祥[5]提出用納米氧化鋅進(jìn)行瀝青的抗老化改性。不同摻合料對瀝青的特定性能具有不同的影響,蒙脫土作為改善瀝青性能的常見材料,廣泛用于各種瀝青道路。蒙脫土是黏土礦物的一種,圍觀下表現(xiàn)為層狀的結(jié)構(gòu),在瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以使瀝青中的瀝青質(zhì)分布更均勻,瀝青混合料中的氣孔減小[6]。肖新顏[7]用蒙脫土改善廢料瀝青的抗氧化和高溫穩(wěn)定性,李勝杰[8]用蒙脫土改善再生橡膠瀝青的熱穩(wěn)定性。邢利霞[9]提出了蒙脫土SBS 改性瀝青的制備方式及其性能研究。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)蒙脫土可以明顯改善瀝青的性能,尤其是抗氧化穩(wěn)定性。

        SBS 改性瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性,但在強(qiáng)紫外線開裂上出現(xiàn)了性能瓶頸,強(qiáng)紫外線引起的道路瀝青開裂在西藏很常見,因此,改善SBS 瀝青的紫外線老化開裂問題顯得非常有必要。紫外線會促使瀝青膠體發(fā)生氧化聚合反應(yīng)生成瀝青質(zhì),活性降低,流動性變差,從而導(dǎo)致道路瀝青混合料發(fā)生脆性破壞[10]。時林軍[11]、何東坡[12]做了基于納米TiO2還原性改善瀝青的抗紫外線老化性能。

        要解決瀝青的紫外線老化問題就必須使瀝青具備較強(qiáng)抗氧化性能。蒙脫土作為良好的抗氧化劑且價格便宜,因此將其用于改善SBS 瀝青的抗紫外線老化性能具有廣泛的前景。本文通過分析強(qiáng)紫外線下不同蒙脫土摻量的SBS 瀝青的三大指標(biāo)變化來評估強(qiáng)紫外線對其老化的影響,為蒙脫土在西藏瀝青道路上的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 試驗(yàn)過程

        1.1 試驗(yàn)原材料

        基質(zhì)瀝青采用的是西藏道路瀝青常用的中海油A-90#瀝青,SBS 采用的是西安石化4402,蒙脫土采用的是江蘇雨潤公司PGN 型號。具體性能參數(shù)見表1-3。

        1.2 試驗(yàn)材料制備

        (1)材料配合比

        將基質(zhì)瀝青,SBS,蒙脫土按照一定的比例進(jìn)行混合,得到混合后的瀝青如表4:

        表1 基質(zhì)瀝青性能參數(shù)

        表2 SBS 性能參數(shù)

        表3 蒙脫土性能參數(shù)

        表4 瀝青各材料的質(zhì)量

        (2)混合瀝青制備

        取 2500 基質(zhì)瀝青分成五份并對其按 A、B、C、D、E 進(jìn)行編號。將基質(zhì)瀝青放入烘箱加熱至180℃熔融狀態(tài)后迅速加入5%的SBS,用玻璃棒順時針攪拌15min,混合成SBS 瀝青。SBS 瀝青冷卻24h 后再進(jìn)行蒙脫土的摻量配合比。將冷卻完的SBS 瀝青放入烘箱中加熱至140℃熔融狀態(tài),對B、C、D、E 四組瀝青分別加入1%、2%、3%、4%的蒙脫土,用玻璃棒攪拌15min,冷卻24 小時后進(jìn)行其他試驗(yàn)。

        1.3 試驗(yàn)步驟

        瀝青三大指標(biāo)作為瀝青基本性能的主要參數(shù),一直備受工程人員重視。在研究判斷老化程度上,常用瀝青三大指標(biāo)針入度、軟化點(diǎn)、延度進(jìn)行判別。本文也以三大指標(biāo)變化作為其老化的依據(jù),具體試驗(yàn)步驟如下:(1)對初始的5 組瀝青材料進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn);(2)將5 組瀝青置于烘箱后,加熱至熔融狀態(tài),然后攤平在30cm×30cm 的矩形槽內(nèi);(3)選取500W 的高壓紫外線燈作為照明光源,將攤鋪好的瀝青冷卻后置于紫外線燈下;(4)分別在紫外線照射24h、48h、72h 時測試各組瀝青的三大指標(biāo)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 初始狀態(tài)

        初始狀態(tài)的各組瀝青,進(jìn)行三大指標(biāo)測試,測得數(shù)據(jù)如表5:

        表5 各組瀝青的三大指標(biāo)

        由各組瀝青的初始三大指標(biāo)和增量變化可知,隨著蒙脫土摻量的增加軟化點(diǎn)上升,針入度減小,延度降低。加入1%的蒙脫土后,瀝青的三大指標(biāo)特性發(fā)生變化最大,繼續(xù)增加蒙脫土,三大指標(biāo)繼續(xù)變化但變化幅度開始減小??梢姡擅撏量梢栽黾訛r青的黏性,阻止瀝青內(nèi)部物質(zhì)的自由流動,但隨著蒙脫土的增加,這種阻礙作用的增量慢慢減小。因此,適量的蒙脫土可以迅速提高瀝青的內(nèi)部穩(wěn)定性,繼續(xù)增加效果就會越來越不明顯。

        圖1 初始狀態(tài)三大指標(biāo)變化量

        2.2 紫外線下瀝青三大指標(biāo)變化

        瀝青老化的影響因素很多,在紫外線下的老化是瀝青在光催化作用下發(fā)生的氧化聚合反應(yīng),生成硬化后的聚合物,使得瀝青的脆性增加,抗裂性降低。隨著瀝青的老化程度增加,瀝青的三大指標(biāo)軟化點(diǎn)上升,針入度減小,延度降低。為了更好地說明蒙脫土對老化的影響,采用摻量后的三大指標(biāo)變化量作為分析指標(biāo),變化量為各天指標(biāo)中B、C、D、E 四組與A 組的差值取絕對值為降低量,即可得到不同摻量蒙脫土瀝青與無蒙脫土瀝青的對比情況。具體數(shù)據(jù)處理如圖2-圖4。

        圖2 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r軟化點(diǎn)變化的降低量。軟化點(diǎn)是評價瀝青老化的重要指標(biāo),軟化點(diǎn)變化越小說明老化速度越慢,瀝青的抗老化性能越好。紫外線會促使瀝青發(fā)生老化,照射時間越長,老化越明顯。由圖中軟化點(diǎn)降低量可知,各組的瀝青軟化點(diǎn)在紫外線照射下每天都在增加,但摻蒙脫土瀝青的降低量也在增加。其中摻量在2%以內(nèi)時,軟化點(diǎn)降低速度最快,超過2%后軟化點(diǎn)降低量開始減緩。由此可知,蒙脫土摻量2%以內(nèi)時,瀝青的抗老化效果增長較快,超出這個值漸漸減小。從紫外線照射天數(shù)的軟化增量對比可以看出,照射時間越長,老化越快,蒙脫土含量越高抗老化越明顯。

        圖2 不同紫外線時長下的軟化點(diǎn)降低量

        圖3 不同紫外線時長下的針入度降低量

        圖3 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r針入度變化的降低量。針入度評價的是瀝青的軟硬程度,對其值影響最大的是瀝青質(zhì),瀝青質(zhì)含量越高針入度越小。在紫外線照射下,瀝青中的瀝青質(zhì)會增加,從而使得針入度減小。由圖3 可知,蒙脫土含量越高,針入度降低越明顯,在摻量2%以內(nèi)時,針入度的降低量變化最快,再繼續(xù)增加蒙脫土,針入度降低量基本維持穩(wěn)定。在紫外線照射下,隨蒙脫土增加,針入度穩(wěn)定減小,針入度降幅差值比較穩(wěn)定。由此可知,蒙脫土越多瀝青抗氧化性能越好,摻量為1%~2%以內(nèi)時,瀝青的抗氧化性效果增長最快,瀝青質(zhì)增長最慢,隨著紫外線照射時間的延長,瀝青中瀝青質(zhì)的數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定,而蒙脫土有助于瀝青質(zhì)的穩(wěn)定,摻量為2%時穩(wěn)定最好,超過3%以后,隨著摻量增加漸漸抗氧化效果趨于穩(wěn)定。

        圖4 不同紫外線時長下的延度降低量

        圖4 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土?xí)r延度變化的降低量。延度是評價瀝青延展性的指標(biāo),對其值影響最大的是膠質(zhì)。膠質(zhì)可以提高瀝青的流變性能,也即增加塑性和粘附力。在紫外線下,膠質(zhì)會發(fā)生聚合反應(yīng)生成瀝青質(zhì),從而使得其流動性變差,延度變小。由圖4 可知,蒙脫土越多瀝青的延度變化的降低量越大。在蒙脫土摻量為2%時是蒙脫土的最適經(jīng)濟(jì)比,在不同紫外線照射天數(shù)下,不同蒙脫土摻量瀝青的延度變化降低量的變化幅度維持穩(wěn)定。由此可知,蒙脫土摻量為2%時,瀝青膠質(zhì)氧化增長最慢,而紫外線照射時間不會引起膠質(zhì)的劇烈變化,因此蒙脫土可以使得瀝青膠質(zhì)在紫外線下穩(wěn)定減少,摻量2%時,膠質(zhì)減少速度最慢。

        3 結(jié)束語

        本文講述SBS 在不同摻量蒙脫土下,經(jīng)過紫外線照射的三大指標(biāo)測試試驗(yàn),通過對各組瀝青三大指標(biāo)的變化量,從而評估蒙脫土對瀝青抗老化的作用。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:

        (1)蒙脫土通過減小瀝青內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動,來提高瀝青的黏性。蒙脫土摻量越高,黏性越大。隨著蒙脫土摻量的增加,三大指標(biāo)值的增量在不斷減小。蒙脫土可以固定瀝青質(zhì),防止膠質(zhì)氧化為瀝青質(zhì),減緩老化。

        (2)瀝青中加入適當(dāng)?shù)拿擅撏量梢越档蜑r青在紫外線下的老化速度,其中蒙脫土的摻量為2%時,瀝青的軟化點(diǎn)增量變化最小,抗老化性能最好。蒙脫土的增加可以減緩瀝青在紫外線下的硬化,蒙脫土摻量越高效果越好,在摻量為2%時,針入度和延度增量減緩最明顯,超過2%后也在減緩,但幅度小很多。

        (3)不同紫外線照射時間對不同摻量蒙脫土三大指標(biāo)影響不同,對軟化點(diǎn)和針入度的影響較明顯,紫外線照射初期,兩者變化快,后期變化慢,而對延度,紫外線照射過程中,其值的變化比較穩(wěn)定沒有明顯波動。因此,在西藏常見的SBS 瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以有效改善紫外線對其性能的影響,蒙脫土越多,效果越好,但超過2%后抗老化性能增量越不明顯。因此,在設(shè)計瀝青道路時,瀝青中的蒙脫土應(yīng)該高于2%,但高出的值不宜過大,以免浪費(fèi)材料。

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