趙曉亮 ，謝春磊 ，楊雅萍

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.內(nèi)蒙古城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

近年來(lái)，由于交通軸載和交通量的急劇增加，傳統(tǒng)的路面材料難以滿足當(dāng)前和未來(lái)公路路面的實(shí)際需求，因此，迫切需要更高質(zhì)量、更可靠、更環(huán)保的路面材料。研究表明，SBS、SBR、纖維和硫磺等各種改性劑加入到基質(zhì)瀝青中，可以顯著提高瀝青材料某方面性能，滿足復(fù)雜的環(huán)境要求和荷載要求[1，2]。由于納米技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員專注于引入納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性[3]。

納米材料是一種至少有一維處于納米尺寸（1nm～100nm）或由它們作為基本單位構(gòu)成的材料[4]。納米材料具有高溫敏感性、高延展性、大比表面積等特性，由于這些特性，納米顆粒被引入作為瀝青路面改性劑。膨潤(rùn)土是一種以層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石為主要成分的粘土，用其制備的納米材料價(jià)格低廉，性能優(yōu)越。冉龍飛等對(duì)納米膨潤(rùn)土改性瀝青進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)制備納米膨潤(rùn)土的工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，并且納米膨潤(rùn)土在瀝青中能夠均勻分散[5，6]。對(duì)比未改性瀝青，納米膨潤(rùn)土可以提高瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和瀝青的車轍因子，提高瀝青的高溫性能。這是因?yàn)榧{米膨潤(rùn)土中的納米蒙脫土加入到瀝青中，瀝青與納米蒙脫土形成了插層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料。作為均勻的復(fù)合體系，納米蒙脫土可以增強(qiáng)瀝青分子抗位錯(cuò)的能力，因而使瀝青的模量和強(qiáng)度得到提高[7]。并且，由于納米膨潤(rùn)土的片層結(jié)構(gòu)及與瀝青形成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，也減緩了瀝青的老化，提高了瀝青的抗老化性能[8]。

本文基于瀝青PG 分級(jí)溫度變化，對(duì)納米膨潤(rùn)土改性瀝青和原樣瀝青采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）和兩輪壓力加熱老化試驗(yàn)（PAV）進(jìn)行老化模擬，制備老化瀝青。通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）和彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算得到瀝青的高溫、中溫和低溫連續(xù)分級(jí)溫度，探究了納米膨潤(rùn)土對(duì)瀝青流變性能的影響。并對(duì)不同老化階段的瀝青進(jìn)行FTIR 試驗(yàn)，探究亞砜基和羰基與復(fù)數(shù)剪切模量和相位角的關(guān)系。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

PG 分級(jí)是美國(guó)戰(zhàn)略性公路計(jì)劃（SHRP）的一項(xiàng)重要成果，它不同于傳統(tǒng)瀝青25℃針入度分級(jí)，而是建立在瀝青材料各項(xiàng)路用性能基礎(chǔ)上提出的指標(biāo)[9]。本研究采用PG67-22的改性瀝青，依據(jù)AASHTO M320 規(guī)范可知，在67℃時(shí)，未老化瀝青車轍因子不小于1kPa，老化后瀝青的車轍因子不小于2.2kPa；并且在-12℃時(shí)，瀝青的蠕變模量S 不大于300MPa，蠕變速率m 不小于0.3。選擇由膨潤(rùn)土制備的納米膨潤(rùn)土，其價(jià)格低廉，與瀝青的相容性較好。制備納米改性瀝青時(shí)，將瀝青加熱至160℃±5℃，然后將3%納米膨潤(rùn)土逐漸加入瀝青中，最后用高剪切攪拌機(jī)以4000 r/min 的速度攪拌45min，攪拌好后得到納米膨潤(rùn)土改性瀝青。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 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 E20-2019）[10]，先對(duì)納米膨潤(rùn)土改性瀝青和未改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）以模擬瀝青的短期老化，之后采用壓力加熱老化試驗(yàn)（PAV）模擬瀝青路面服役過(guò)程中的長(zhǎng)期老化。研究表明，瀝青經(jīng)歷一次PAV，其老化程度與服役8 年的瀝青路面中瀝青的老化程度大致相當(dāng)[11]，故進(jìn)行了兩輪PAV試驗(yàn)以模擬路面整個(gè)服役過(guò)程中瀝青老化。

2.2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

DSR 是一種溫控試驗(yàn)，可以在路面使用時(shí)所經(jīng)歷的溫度下對(duì)瀝青進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而用來(lái)確定瀝青的PG高溫分級(jí)和中溫分級(jí)[12]。每次老化后，針對(duì)不同的老化程度，采用相應(yīng)的兩種溫度對(duì)改性瀝青和未改性瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn)，以獲得瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，通過(guò)計(jì)算可以獲得瀝青的車轍因子PS=G*/sinδ，之后采用公式（1）計(jì)算瀝青的高溫中溫連續(xù)分級(jí)溫度（Tc）。對(duì)各老化階段的瀝青進(jìn)行25℃和30℃下DSR 試驗(yàn)，計(jì)算疲勞因子PS=G*·sinδ，并采用公式（1）計(jì)算瀝青的中溫連續(xù)分級(jí)溫度（Tc）：

式中，T1、T2為DSR試驗(yàn)時(shí)的兩種溫度，℃；

當(dāng)計(jì)算高溫連續(xù)分級(jí)溫度時(shí)，PS為疲勞因子，未老化瀝青PS=1kPa，老化瀝青PS=2.2kPa；當(dāng)計(jì)算中溫連續(xù)分級(jí)溫度時(shí)，PS為疲勞因子，PS=5000kPa；

G1*、G2*和δ1、δ2分別為兩種溫度下測(cè)得的瀝青復(fù)數(shù)剪切模量和相位角；

Tc為瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度，℃。

2.2.3 BBR彎曲梁試驗(yàn)

彎曲梁流變儀是應(yīng)用工程中梁的理論來(lái)測(cè)量瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度，用蠕變荷載模擬溫度下降時(shí)路面中所產(chǎn)生的應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)獲得兩個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，一個(gè)是蠕變勁度S，即瀝青抵抗永久變形的能力；另一個(gè)是m，蠕變速率的變化率[13]。通過(guò)BBR 試驗(yàn)測(cè)量瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m值，可以用來(lái)表征瀝青的低溫抗裂性能。對(duì)1-PAV和2-PAV下兩種瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)，測(cè)得瀝青S和m值，根據(jù)公式（2）和公式（3），將兩種不同低溫下的BBR 結(jié)果外推，可以計(jì)算出各瀝青的PG低溫分級(jí)。

式中，T1、T2為BBR試驗(yàn)的兩種測(cè)試溫度，℃；

S1、S2分別為T1、T2兩種溫度下得到的瀝青蠕變勁度模量；

m1、m2分別為T1、T2兩種溫度下得到的瀝青的蠕變速率。

2.2.4 FITR

瀝青在使用過(guò)程中與環(huán)境中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，瀝青會(huì)變硬變脆，瀝青路面性能下降。這是因?yàn)?，瀝青與氧反應(yīng)后，會(huì)生成羰基和亞砜的官能團(tuán)。為研究瀝青中官能團(tuán)隨著老化進(jìn)行而產(chǎn)生的變化，采用FTIR對(duì)不同老化階段的瀝青進(jìn)行檢測(cè)，波數(shù)在1800cm-1～1650cm-1附近的特征峰一般對(duì)應(yīng)羰基，波數(shù)在1030cm-1的特征峰一般代表亞砜基[14]。

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫性能

通過(guò)兩種不同高溫下的DSR試驗(yàn)得到了不同老化程度下瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，結(jié)果見(jiàn)表1。圖1 為不同老化程度下瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度。由表1 可知，不同老化階段下，同一溫度納米膨潤(rùn)土改性瀝青的G*和G*/sinδ 都大于未改性瀝青的兩個(gè)指標(biāo)。表明改性瀝青的抗變形能力和抗車轍性能得到增強(qiáng)。這是因?yàn)闉r青與納米膨潤(rùn)土中的納米蒙脫土形成了插層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，限制了瀝青的變形能力[7]。隨著瀝青老化程度加深，兩種瀝青的G*增加，δ減小，車轍因子G*/sinδ 增大。表明隨著老化進(jìn)行，瀝青的抗車轍變形能力增加。從圖1 可以看出，在不同的老化階段，改性瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度都大于未改性瀝青。改性瀝青的高溫性能隨著老化進(jìn)行，先接近未改性瀝青，但是隨著老化進(jìn)行，高溫性能又逐漸遠(yuǎn)超于未改性瀝青。未老化和短期老化后，改性瀝青的TC都比未改性瀝青高，表明路面剛鋪筑后，改性瀝青路面的高溫性能較好。到達(dá)1-PAV 時(shí)，兩者的TC幾乎相同，而2-PAV 時(shí)，改性瀝青的TC又遠(yuǎn)大于未改性瀝青。表明經(jīng)歷一次長(zhǎng)期老化后，改性瀝青和未改性瀝青的抗車轍能力大致相同，但是隨著老化繼續(xù)進(jìn)行，改性瀝青的抗車轍能力漸漸強(qiáng)于未改性瀝青。

表1 不同老化階段的改性瀝青和未改性瀝青高溫PG分級(jí)

圖1 不同老化程度的瀝青高溫連續(xù)分級(jí)溫度

3.2 中溫性能

測(cè)試不同老化階段兩種溫度下瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)公式（1）計(jì)算得到連續(xù)分級(jí)溫度，如圖2 所示。由表2 可知，隨著老化程度加深，G*逐漸增加，δ 逐漸減小，疲勞因子G*·sinδ 逐漸變大。表明隨著老化程度增加，雖然瀝青的抗變形能力得到增強(qiáng)，但是瀝青的抗疲勞開(kāi)裂能力變差。由圖2可知，納米膨潤(rùn)土改性瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度小于未改性瀝青，表明納米膨潤(rùn)土改性瀝青的抗疲勞性能較好。兩種瀝青未老化時(shí)，改性瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度小于未改性瀝青，經(jīng)過(guò)短期老化后，兩者的TC差值變小，隨后經(jīng)歷兩次PAV后，兩者的差值基本未變化。這表明，經(jīng)過(guò)RTFOT 后，納米膨潤(rùn)土對(duì)瀝青的抗疲勞性能改善效果有所降低，小于未老化階段對(duì)瀝青抗疲勞性能改性效果。之后的兩次PAV 老化，納米膨潤(rùn)土對(duì)瀝青的抗疲勞性能貢獻(xiàn)未發(fā)生變化。

圖2 不同老化階段下瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度

表2 不同老化階段下瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角

3.3 低溫性能

對(duì)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能進(jìn)行了測(cè)量，得到不同老化階段下瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m，并根據(jù)公式（2）和公式（3）進(jìn)行了低溫臨界溫度的計(jì)算，得到了分別根據(jù)S和m確定的低溫連續(xù)分級(jí)溫度Ts和Tm，結(jié)果見(jiàn)表3。綜合考慮兩種低溫臨界溫度，確定最終低溫連續(xù)分級(jí)溫度，如圖3 所示。由表3 可知，隨著溫度的升高，結(jié)合料的蠕變勁度S 增加，蠕變速率m 值減小。表明隨著溫度升高，瀝青的抗變形能力增強(qiáng)，應(yīng)力松弛能力減弱。從圖3 可知，兩種老化情況下，納米膨潤(rùn)土改性瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)指標(biāo)都小于未改性瀝青，表明納米膨潤(rùn)土增強(qiáng)了瀝青的低溫性能。兩個(gè)老化階段下，兩者的連續(xù)分級(jí)溫度差值大致相同，表明隨著老化進(jìn)行，納米膨潤(rùn)土對(duì)瀝青的低溫性能改善效果未發(fā)生變化。

表3 兩種瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)溫度Tc

圖3 兩種老化階段下瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)溫度

3.4 FTIR試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為納米膨潤(rùn)土改性瀝青和未改性瀝青中亞砜基和羰基隨老化階段的變化情況。如圖4所示，亞砜基和羰基指數(shù)隨著瀝青老化程度的加深而增加。在未老化階段，改性瀝青中亞砜基和羰基濃度高于未改性瀝青，可能是由于瀝青與納米膨潤(rùn)土剪切拌和過(guò)程中溫度較高，瀝青發(fā)生了一定程度的老化。但是在之后的老化階段中，改性瀝青的亞砜基和羰基都小于未改性瀝青，表明納米膨潤(rùn)土具有抗老化性能，可以減緩瀝青老化的進(jìn)行。在1-PAV，改性瀝青中亞砜基增長(zhǎng)速率和未改性瀝青中增長(zhǎng)速率大致相同，但在2-PAV時(shí)，改性瀝青的亞砜基的斜率小于未改性瀝青。表明隨著老化進(jìn)行，納米膨潤(rùn)土延緩瀝青老化的能力越來(lái)越強(qiáng)。

圖4 不同老化階段瀝青中的亞砜基和羰基

測(cè)得74℃和30℃下log（G*）和δ與吸光度（亞砜基+羰基）的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看到，兩種溫度下，未改性瀝青與改性瀝青的log（G*）和δ與吸光度（亞砜基+羰基）的決定系數(shù)都大于90%，表明log（G*）和δ與吸光度（亞砜基+羰基）在兩種溫度下具有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系。log（G*）與吸光度之間是正相關(guān)關(guān)系。隨著老化程度的加深，瀝青中羰基和亞砜基增多，瀝青力學(xué)性能表現(xiàn)為復(fù)數(shù)剪切模量變大，抗變形能力得到增強(qiáng)。δ與吸光度呈負(fù)相關(guān)。隨著老化進(jìn)行，亞砜基和羰基增多，δ變小，意味著瀝青中粘性組分減少，彈性組分增多，瀝青抗變形能力得到增強(qiáng)。

圖5 log（G＊）和δ在30℃和70℃時(shí)與吸光度（亞砜基+羰基）的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

①作為瀝青改性劑，納米膨潤(rùn)土可改善瀝青高溫抗車轍性能、中溫疲勞性能和低溫抗開(kāi)裂性能。

②瀝青流變學(xué)指標(biāo)與羰基和亞砜基具有很強(qiáng)的相關(guān)性。log（G*）與吸光度（亞砜基和羰基）具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，δ與吸光度（亞砜基和羰基）具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。