趙 偉

(山西交通控股集團(tuán)有限公司 太原高速公路分公司，山西 太原 030006)

0 引 言

道路的使用壽命和耐久性離不開道路材料的選擇，瀝青作為道路材料的重要組成部分直接影響道路性能，相關(guān)研究表明[1-6]：聚合物改性瀝青可以較大幅度提升瀝青混合料各項(xiàng)性能表現(xiàn)，但聚合物與瀝青的相容性是困擾聚合物改性瀝青關(guān)鍵，納米材料粒徑小，能與瀝青較好相容，成為新的聚合物改性瀝青研究方向。蒙脫石是具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，具有高強(qiáng)高韌和耐熱性等優(yōu)勢(shì)，將其作為聚合物用于瀝青改性可提升瀝青材料各項(xiàng)性能[7]。梁永勝等[8]研究認(rèn)為蒙脫石可以用于制備阻燃改性瀝青，提高瀝青混合料抗氧老化能力；尹文軍等[9]對(duì)比研究了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、蒙脫石/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料各項(xiàng)性能，認(rèn)為蒙脫石可以改善混合料的物理力學(xué)性能；朱書景等[10]對(duì)蒙脫石/SBS改性瀝青進(jìn)行性能研究，認(rèn)為蒙脫石可促進(jìn)混合料抗老化性能和抗疲勞性能。目前，針對(duì)該領(lǐng)域的相關(guān)研究還不夠全面，尤其是納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的相關(guān)研究較少[11-12]。筆者針對(duì)納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青進(jìn)行分析，采用軟化點(diǎn)、針入度、延度、旋轉(zhuǎn)黏度、動(dòng)態(tài)剪切流變等試驗(yàn)進(jìn)行全方面綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)靈敏度分析確定納米蒙脫石的最佳摻量，探究納米蒙脫石對(duì)改性瀝青的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用普通70#道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

選用河南聯(lián)成交通發(fā)展股份有限公司產(chǎn)的SBS改性劑，采用4%的固定摻量進(jìn)行改性瀝青制備。硫粉平均粒徑為50 nm，純度>99%，密度2.1 g/cm3，顏色為淺黃色，呈球形晶型狀。

筆者選用河南信陽(yáng)江三化工有限公司產(chǎn)的納米蒙脫石材料，表觀密度為0.45 g/cm3，平均切屑厚度<20 nm，含水量<3%，密度1.8 g/cm3。該納米蒙脫石呈高純度的細(xì)微顆粒狀態(tài)，蒙脫石中的水合硅鋁酸鹽成分層間結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)改性瀝青的共混均勻性和穩(wěn)定性能，電鏡掃描結(jié)果如圖1。

圖1 納米蒙脫石電鏡掃描結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案

研究選用納米蒙脫石(摻量分別為0，1%，2%，3%，4%，5%，6%)與SBS改性劑(4%固定摻量)進(jìn)行復(fù)摻改性瀝青的制備，蒙脫石摻量和SBS改性劑摻量均為基質(zhì)瀝青用量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；采用軟化點(diǎn)、針入度(25 ℃)、延度、旋轉(zhuǎn)黏度、動(dòng)態(tài)剪切流變等試驗(yàn)進(jìn)行改性瀝青的性能綜合評(píng)價(jià)，并與普通SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，探究納米蒙脫石對(duì)復(fù)摻改性瀝青的影響規(guī)律。

2 改性瀝青制備

納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青是由基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、納米蒙脫石混合制備而成，研究采用改性瀝青制備過(guò)程為反應(yīng)性共混制備，主要包括SBS改性瀝青的制備及納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青制備。

SBS改性瀝青制備工藝如下：

1)將普通基質(zhì)瀝青在烘箱內(nèi)加熱至160～170 ℃，并倒入稱量好的SBS改性劑；

2)將含有SBS改性劑的基質(zhì)瀝青在190 ℃環(huán)境下進(jìn)行高速剪切1小時(shí)，剪切速率為5 000 r/min；

3)加入穩(wěn)定劑(硫粉0.5 g)并機(jī)械攪拌1小時(shí)即得到SBS改性瀝青。

納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青制備工藝如下：

1)將納米蒙脫石經(jīng)100 ℃烘箱中烘干4 h，SBS改性瀝青在180 ℃烘箱中加熱待用；

2)稱取試驗(yàn)質(zhì)量的納米蒙脫石倒入SBS改性瀝青中，采用高速剪切儀進(jìn)行改性瀝青的剪切，剪切速率為5 000 r/min，剪切時(shí)間為0.5 h；

3)將改性瀝青在180 ℃環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械化攪拌15 min，轉(zhuǎn)速為800 r/min。

3 改性瀝青性能試驗(yàn)

3.1 軟化點(diǎn)

研究按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青25 ℃環(huán)境下對(duì)應(yīng)的軟化點(diǎn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 軟化點(diǎn)性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸增大，增長(zhǎng)速率較為穩(wěn)定，但摻量達(dá)到5%后，改性瀝青的軟化點(diǎn)提升速度降低。納米蒙脫石的有效成分是水合硅鋁酸鹽，具有較好的相容性，增強(qiáng)了瀝青的黏稠程度，一定程度上也使得改性瀝青的軟化點(diǎn)提升，可保障瀝青的高溫存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

3.2 針入度

研究按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的針入度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 針入度性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的針入度逐漸降低，且降低的速率較為穩(wěn)定。針入度的下降表示改性瀝青的黏度增大，流動(dòng)狀態(tài)趨勢(shì)減弱，有利于提升改性瀝青及其瀝青混合料的抗高溫變形和抗車轍能力。

3.3 延 度

研究按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的延度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 延度性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的延度逐漸降低，下降趨勢(shì)呈“緩—快—緩”表現(xiàn)，納米蒙脫石摻量在4%后，改性瀝青的延度達(dá)到200 mm以內(nèi)。納米蒙脫石的摻量增加的同時(shí)會(huì)削弱改性瀝青抵抗低溫抗開裂的能力，摻量在0%～4%之間變化時(shí)，抗低溫開裂的能力下降幅度較大。

3.4 旋轉(zhuǎn)黏度

黏度是瀝青黏稠程度的度量指標(biāo)，研究選取測(cè)定改性瀝青135 ℃環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)黏度，測(cè)試不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。

表5 旋轉(zhuǎn)黏度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度(135 ℃)逐漸提升，納米蒙脫石摻量在3%和6%時(shí)改性瀝青的黏度較SBS改性瀝青提升了7.5%和15.0%。

3.5 動(dòng)態(tài)剪切流變

將不同摻量下納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，DSR試驗(yàn)可獲取復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)等技術(shù)參數(shù)，用車轍因子(G*/sinδ)作為評(píng)價(jià)瀝青材料高溫性能的技術(shù)指標(biāo)，采用疲勞因子G*sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青材料的抗中低溫性技術(shù)指標(biāo)。以車轍因子和疲勞因子來(lái)衡量改性瀝青的差異性試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的車轍因子

圖3 納米蒙脫石/SBS復(fù)摻改性瀝青的疲勞因子

由圖2和圖3可知隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的車轍因子也逐漸提升。其中，45 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的車轍因子大小為55 250 Pa，納米蒙脫石摻量為3%時(shí)，車轍因子大小為69 594 Pa，提升了1.26倍。疲勞因子是模擬了中低溫環(huán)境下瀝青抵抗疲勞的工作性能，隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的疲勞因子也逐漸降低。其中，12 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的疲勞因子大小為10 484 Pa，納米蒙脫石3%時(shí)，疲勞因子大小為7 113 Pa，下降了0.68倍，

4 靈敏度分析

為表征納米蒙脫石摻量對(duì)改性瀝青的影響程度，研究采用靈敏度分析方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，以納米蒙脫石摻量為橫坐標(biāo)，以各性能指標(biāo)的提升/下降變化率為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，如圖4。

圖4 改性瀝青的靈敏度分析

由圖4可知，隨著納米蒙脫石摻量的提升，軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度呈上升趨勢(shì)，針入度和延度呈下降趨勢(shì)。其中，延度的變化幅度最大，軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度的變化幅度較為接近，延度的變化幅度最小，說(shuō)明改性瀝青的延度受納米蒙脫石摻量的變化影響幅度較大，可以作為評(píng)價(jià)改性瀝青性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。此外，納米蒙脫石摻量由0變化到3%，軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度增加約8%，摻量超過(guò)3%增加幅度減?。会樔攵葴p小約5%，摻量超過(guò)3%減小幅度趨緩；延度變化幅度約40%，摻量超過(guò)3%變化幅度有所減緩。同時(shí)考慮到納米蒙脫石成本較高，筆者認(rèn)為納米蒙脫石摻量在3%時(shí)對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用較為合適。

5 結(jié) 論

1)隨著納米蒙脫石摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度增大，針入度和延度逐漸下降，其中延度受納米蒙脫石摻量變化的影響最大，可作為評(píng)價(jià)改性瀝青的關(guān)鍵性指標(biāo)。

2)隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的車轍因子也逐漸提升。45 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的車轍因子大小為55 250 Pa，納米蒙脫石摻量為3%時(shí)，車轍因子大小為69 594 Pa，提升了1.26倍。

3)隨著納米蒙脫石摻量的提升，改性瀝青的疲勞因子也逐漸降低。12 ℃溫度下，普通SBS改性瀝青的疲勞因子大小為10 484 Pa，納米蒙脫石3%時(shí)，疲勞因子大小為7 113 Pa，下降了0.68倍。

4)隨著納米蒙脫石摻量的提升，軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度呈上升趨勢(shì)，針入度和延度呈下降趨勢(shì)。其中，延度的變化幅度最大，軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度的變化幅度較為接近，延度的變化幅度最小，說(shuō)明改性瀝青的延度受納米蒙脫石摻量的變化影響幅度較大，可以作為評(píng)價(jià)改性瀝青性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，筆者認(rèn)為納米蒙脫石摻量在3%摻量時(shí)適用于實(shí)際工程需求。