蘇興賽,江曉曉,陳艷艷,王寧,何青云

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450000)

隨著納米材料開發(fā)與應(yīng)用的快速發(fā)展,將其添加到路用瀝青中作為改性劑以改善其高低溫性能,成為路用瀝青材料研究者十分關(guān)注的問題[1]。納米材料因其特殊的性質(zhì)逐漸被加入到聚合物改性瀝青中,或者在基質(zhì)瀝青中通過加入多維度、多尺度的材料和納米材料進(jìn)行復(fù)配[2-3]。碳納米管(CNTs)因其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu),成為納米材料中備受關(guān)注的瀝青改性材料[4]。相關(guān)學(xué)者針對CNTs改性瀝青進(jìn)行了大量研究,研究結(jié)果表明:CNTs的摻加能夠較好地改善瀝青流變性能,且對瀝青的低溫抗裂性和疲勞特性亦有提升效果,還可以增強(qiáng)瀝青路面的抵抗水損害能力。丁苯橡膠(SBR)粉作為一種常見的道路瀝青改性劑,可以極大地改善瀝青的低溫性能[5],在我國寒冷地區(qū)頗受歡迎。綜上,SBR能有效改善瀝青路面低溫性能,CNTs在抵抗低溫開裂的同時(shí)對其高溫性能和抗水損害能力兩個(gè)方面的作用也較為突出。

為使瀝青路面發(fā)揮出其良好的路用性能,本文制備CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青,通過三大指標(biāo)基本試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)和彎曲蠕變(BBR)試驗(yàn),評價(jià)分析其高、低溫穩(wěn)定性。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)采用鄭州市鄭發(fā)市政有限公司提供的70#基質(zhì)瀝青,根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[6]要求測試瀝青的三大技術(shù)指標(biāo),如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 碳納米管

試驗(yàn)采用江蘇常州某公司生產(chǎn)的碳納米管(CNTs),其基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2 碳納米管基本性能指標(biāo)

1.3 SBR

表3 SBR性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 改性瀝青的制備

2.1.1 SBR單一改性瀝青的制備

采用高速剪切法制備SBR單一改性瀝青,將熔融狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青在剪切溫度為165 ℃、剪切速率為1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入摻量為4%的SBR,在剪切速率為3 000 r/min下,剪切1 h;最后將剪切后的試樣置于160 ℃的恒溫箱中30 min,即可制備得到SBR單一改性瀝青。

2.1.2 碳納米管/SBR復(fù)合改性瀝青的制備

采用高速剪切法首先將熔融狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青在剪切溫度為165 ℃、剪切速率為1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入摻量為4%的SBR,在剪切速率為3 000 r/min下,剪切1 h;隨后加入0.6%的CNTs,在剪切溫度為180 ℃、剪切速率為4 000 r/min下,繼續(xù)剪切1 h;最終將剪切后的試樣置于160 ℃的恒溫箱中30 min,即可制備得到CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)

采用DSR試驗(yàn),對三種瀝青進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能研究。試驗(yàn)采用直徑25 mm、厚度1 mm的試樣進(jìn)行溫度掃描,試驗(yàn)過程中溫度控制在34～70 ℃,依次間隔6 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 彎曲蠕變(BBR)試驗(yàn)

勁度模量S值越小、蠕變速率越大,瀝青在低溫環(huán)境下表現(xiàn)的性能越好,越不容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。本文采用BBR試驗(yàn),對三種瀝青進(jìn)行低溫抗裂性能研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)性能分析

將制備得到的SBR單一改性瀝青和CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青,按照試驗(yàn)規(guī)程[6]要求測試瀝青的三大技術(shù)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 基質(zhì)瀝青和改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表4可知,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的針入度分別為55.6(0.1 mm)、60.3(0.1 mm)、65.4(0.1 mm),CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的針入度較基質(zhì)瀝青減少了14.98%,SBR單一改性瀝青的針入度較基質(zhì)瀝青減少了7.80%。針入度作為評價(jià)瀝青稠度的一種指標(biāo),其值越小表示瀝青越硬,由此可知向基質(zhì)瀝青中摻加CNTs和SBR兩種改性劑可使瀝青稠度增大,進(jìn)而使路用性能得以改善。

為與左側(cè)溢流壩連接，在廠房左側(cè)布置一混凝土壩段，長11.5m。壩頂寬度5.0m?；炷翂紊嫌纹旅娲怪?，下游坡面1∶0.7，壩頂高程141.60m，建基面高程112.0m，壩高29.6m。

CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)分別為57.4,50.2,46.5 ℃,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)提高了23.44%,SBR單一改性瀝青的軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)提高了7.96%。軟化點(diǎn)表示瀝青高溫穩(wěn)定性的優(yōu)劣,由此可知當(dāng)單摻SBR改性劑時(shí),瀝青的高溫穩(wěn)定性改善作用不是太明顯,隨著CNTs的摻入,瀝青的高溫穩(wěn)定性得到顯著提升。

CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的延度分別為21.3,18.7,12.1 ℃,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的延度較基質(zhì)瀝青的延度提高了76.03%,SBR單一改性瀝青的延度較基質(zhì)瀝青的延度提高了54.55%。這是由于CNTs和SBR兩種材料在瀝青中均勻分布,延度提高,瀝青的低溫抗裂性得到改善。

綜上所述,向基質(zhì)瀝青中加入CNTs和SBR兩種改性劑,能夠使瀝青的整體路用性能得到提升。

3.2 高溫流變性能

采用DSR試驗(yàn)評價(jià)分析瀝青的高溫流變性能,研究溫度與相位角δ和車轍因子G*/sinδ之間的關(guān)系,分別如圖1和圖2所示。

圖1 溫度-相位角關(guān)系

圖2 溫度-車轍因子關(guān)系

由圖1可知,三種瀝青的相位角δ與溫度的變化成正比。δ的數(shù)值越小表示其在變形后恢復(fù)原狀的能力越強(qiáng),在相同溫度下,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小,SBR單一改性瀝青次之,基質(zhì)瀝青最大,可知CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青在變形后恢復(fù)原狀的能力最強(qiáng)。如在52 ℃時(shí),CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青和SBR單一改性瀝青的δ分別比基質(zhì)瀝青的δ小了12.87°和5.04°。這表示CNTs的摻加改變了瀝青的黏彈性,使瀝青中的黏彈性物質(zhì)比例增加,在路面受到車輛荷載產(chǎn)生的變形后,能夠更好地恢復(fù)原狀而不至于對瀝青路面造成破壞,使瀝青路面擁有更強(qiáng)的抵抗高溫變形能力。

由圖2可知,三種瀝青的車轍因子G*/sinδ與溫度的變化成反比。G*/sinδ的數(shù)值越大表示其在高溫環(huán)境下抵抗車轍的能力越強(qiáng),在相同溫度下,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ最大,SBR單一改性瀝青次之,基質(zhì)瀝青最小,可知CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青在高溫下抵抗車轍的能力最強(qiáng)。如在52 ℃時(shí),CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青和SBR單一改性瀝青的δGδ*/sinδ分別比基質(zhì)瀝青的G*/sinδ增大了6.81 kPa和2.7 kPa。這表示CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的抗車轍能力最強(qiáng),高溫穩(wěn)定性最好,CNTs的摻加使得SBR改性瀝青高溫流變性能得到顯著提升。

綜上所述,在同一溫度下CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小,G*/sinδ最大,因此CNTs的摻加能夠使改性瀝青的高溫流變性能得到改善。

3.3 低溫抗裂性能

采用BBR試驗(yàn)評價(jià)分析瀝青的低溫抗裂性能,研究溫度與勁度模量S和蠕變速率m之間的關(guān)系,分別如圖3和圖4所示。

圖3 溫度-勁度模量關(guān)系

圖4 溫度-蠕變速率關(guān)系

由圖3可知,三種瀝青的勁度模量S值與溫度的變化成反比。在溫度為-12,-18,-24 ℃下,SBR單一改性瀝青的S值比基質(zhì)瀝青S值分別下降了10.59%,11.47%,18.09%,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值比基質(zhì)瀝青S值分別下降了20.46%,22.60%,26.89%?？芍狢NTs和SBR兩種改性劑的復(fù)合摻加能夠很好地改善基質(zhì)瀝青在低溫條件下的松弛能力,進(jìn)而使瀝青的低溫抗裂性能得到改善。

由圖4可知,三種瀝青的蠕變速率m值與溫度的變化成正比。在溫度為-12,-18,-24 ℃下,SBR單一改性瀝青的m值比基質(zhì)瀝青分別提高了2.94%,3.48%,14.67%,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的m值比基質(zhì)瀝青分別提高了6.13%,6.96%,22.22%。說明CNTs和SBR兩種改性劑的復(fù)合摻加能夠改善瀝青的低溫抗裂性能。

綜上所述,在同一溫度下CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值最小,m值最大,因此CNTs的摻加能夠使改性瀝青的低溫抗裂性能得到改善。

4 結(jié)語

(1)基質(zhì)瀝青在加入CNTs和SBR改性劑后,針入度降低、延度增大、軟化點(diǎn)提高,說明改性劑的摻入提高了瀝青的黏稠度,有效改善了瀝青的高、低溫穩(wěn)定性,較好地提高了瀝青路面的路用性能。

(2)DSR試驗(yàn)中,在相同溫度下,三種瀝青相比,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小、G*/sinδ最大,這表明隨著CNTs的摻加改變了瀝青的黏彈性,使瀝青中的黏彈性物質(zhì)比例增加,擁有更好的彈性恢復(fù)能力而不至于對瀝青路面造成破壞。

(3)BBR試驗(yàn)中,在相同溫度下,三種瀝青相比,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值最小、m值最大,這表明CNTs的摻加能夠改善瀝青的低溫抗裂性能。