王寧,何青云,蘇興賽,江曉曉,陳艷艷

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

瀝青路面是我國(guó)道路建設(shè)的主要形式,其擁有極好的高低溫抗車轍能力、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性。但通常情況下,普通瀝青路面在高溫環(huán)境下極易產(chǎn)生車轍等不利因素,給行車帶來諸多弊害[1]。因此,研發(fā)新一代路用性能良好的瀝青改性材料對(duì)于改善道路領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響。目前,改善瀝青路面性能最為常用的方法是填充聚合物,如SBS、SBR、PE等[2]。由于聚合物和瀝青在物理化學(xué)特性上有較大的差別,二者間的差別會(huì)使聚合物與瀝青間形成顯著的界面,從而影響改性效果。為解決這一問題,納米材料改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,即通過添加納米材料,增加改性劑在瀝青中的分散性、相容性和穩(wěn)定性,從而顯著提高瀝青路面的使用性能[3-4]。

納米材料在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展,并且也取得了一定成效[5]。碳酸鈣(CaCO3)、二氧化硅(SiO2)、碳納米管(CFN)等納米材料,不僅吸附能力強(qiáng)、比表面積大,而且具有優(yōu)異的物化性能,因此其在瀝青改性領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊[6]。然而,僅僅以物理混合的方式將納米材料添加到瀝青中,雖在一定程度上增強(qiáng)了某些性能,但是無法從根源解決高溫、低溫、抗疲勞以及抗老化等特性[7]。

因此,本文將制備納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青,并對(duì)復(fù)合改性瀝青的常規(guī)物理性能和流變性能進(jìn)行評(píng)價(jià),探討其在路面應(yīng)用中的可行性。

1 原材料與試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

選用70#基質(zhì)瀝青作為研究對(duì)象,根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[8]對(duì)其進(jìn)行常規(guī)性能指標(biāo)測(cè)試,技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 納米SiO2

納米SiO2由江蘇某公司生產(chǎn)的,呈白色粉狀,物理性質(zhì)見表2。

表2 納米SiO2物理性能

為成功制備納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青,基于相關(guān)研究成果,需要考慮到納米SiO2的特殊性質(zhì),如具有極大的比表面積和高表面活性能,容易團(tuán)聚且難以分散在瀝青中。因此,在將納米SiO2加入瀝青之前,需選擇適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑進(jìn)行活化處理[9]。本文選用KH-550硅烷偶聯(lián)劑作為改性劑,可以有效地提高納米SiO2的分散性,使其更好地融入瀝青中。

1.1.3 SBR

SBR為天津某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,呈米白色粉末狀,主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 SBR技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 SBR改性瀝青制備

把70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中,烘箱溫度設(shè)置為140 ℃,使其加熱至流動(dòng)狀態(tài);取一定質(zhì)量且加熱好的基質(zhì)瀝青倒入不銹鋼容器中,并將其放在電爐上加熱,使電爐的溫度保持在130～150 ℃左右;在加熱過程中用玻璃棒攪拌基質(zhì)瀝青。將提前準(zhǔn)備好的5%摻量的SBR加入上述瀝青容器中,使用高速剪切機(jī)攪拌混合物,攪拌速度為4 000 r/min,持續(xù)攪拌30 min左右,使SBR在瀝青中完全均勻分散,得到SBR改性瀝青。

1.2.2 納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青制備

把70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中,烘箱溫度設(shè)置為140 ℃,使其加熱至流動(dòng)狀態(tài);取一定質(zhì)量并加熱好的基質(zhì)瀝青倒入不銹鋼容器中,并將其放在電爐上加熱,使電爐的溫度保持在130～150 ℃左右;在加熱過程中用玻璃棒攪拌基質(zhì)瀝青。將提前準(zhǔn)備好的4%摻量的納米SiO2加入上述瀝青容器中,使用高速剪切機(jī)攪拌混合物,攪拌速度為4 000 r/min,持續(xù)攪拌20 min左右,接著向?yàn)r青中摻入5%摻量的SBR,攪拌速度仍然為4 000 r/min,繼續(xù)攪拌30 min,得到納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

由表4可以看出,將納米SiO2加入SBR改性瀝青中,復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)具體變化為:針入度較其他兩種瀝青下降,其下降幅度分別為4.6%,10.4%,說明納米材料的加入進(jìn)一步增大了瀝青的稠度;軟化點(diǎn)、延度其數(shù)值均變大,軟化點(diǎn)上升幅度分別為22.2%,14.2%,說明摻入納米SiO2能夠改善基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青的高溫性能;延度上升幅度分別為47.2%,18.1%,加入納米SiO2的瀝青延度變大,說明低溫性得到改善。綜上所述,向SBR改性瀝青中摻入納米SiO2,能夠使瀝青的整體性能變好。

表4 改性瀝青基本性能指標(biāo)

2.2 流變性能

2.2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變性能

采用DSR試驗(yàn)中的溫度掃描試驗(yàn),對(duì)3種不同瀝青進(jìn)行試驗(yàn),不同瀝青相位角、車轍因子分別如圖1所示。

圖1 不同瀝青的相位角和車轍因子圖

分析圖1可知,溫度越高,基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青以及納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的相位角δ越大,呈現(xiàn)正比例關(guān)系,其曲線呈現(xiàn)的趨勢(shì)較為一致。同一溫度下,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的相位角比在單一SBR改性瀝青、基質(zhì)瀝青要大。表明納米SiO2的加入,使得SBR改性瀝青接近于黏性體,這對(duì)路面的變形恢復(fù)有一定的幫助。

不同改性瀝青的車轍因子G*/sinδ變化趨勢(shì)幾乎一致,均與溫度呈反比(溫度從46 ℃升至82 ℃,車轍因子逐漸下降)。同一溫度下,納米SiO2的加入使得復(fù)合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ變大,在82 ℃時(shí),基質(zhì)瀝青以及兩種改性瀝青其車轍因子分別為0.54,0.94,1.16 kPa,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的車轍因子最大,較基質(zhì)瀝青上升0.62 kPa,較SBR改性瀝青上升0.22 kPa,且其值滿足規(guī)范要求(≥1.0 kPa),這表明同一高溫條件下,隨著納米SiO2的加入,SBR改性瀝青抗車轍能力得到一定改善。瀝青的車轍性能與其耐高溫性能之間存在著一定的關(guān)系,抗車轍性能愈高,則其耐高溫性能愈好。結(jié)果表明,將納米SiO2加入SBR改性瀝青中,可以改善其耐高溫性能。

2.2.2 彎曲梁流變性能

采用BBR試驗(yàn),不同溫度下(-12,-18和-24 ℃)對(duì)3種不同瀝青進(jìn)行低溫性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m圖

分析圖2得知,隨著溫度的持續(xù)升高,基質(zhì)瀝青以及兩種改性瀝青的蠕變勁度S隨之降低,呈現(xiàn)反比例關(guān)系,其變化趨勢(shì)十分接近。結(jié)果表明,同一溫度下,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S值較其他兩種瀝青較小,在-18 ℃時(shí),3種瀝青的蠕變勁度S分別為381.4,260.3,212.8 MPa,與基質(zhì)瀝青和SBR改性瀝青相比,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青分別下降幅度為44.2%,18.2%。蠕變勁度S數(shù)值越小,其低溫下的變形能力越好,故納米SiO2/SBR改性瀝青的低溫抗裂性更好。

隨著溫度的持續(xù)升高,基質(zhì)瀝青以及兩種改性瀝青的蠕變速率m逐漸上升,呈現(xiàn)正比例關(guān)系,其變化趨勢(shì)較為一致。同一溫度下,復(fù)合改性瀝青的蠕變速率最大,在-12 ℃時(shí),3種瀝青的蠕變速率m分別為0.398,0.417,0.424,納米SiO2的加入使得SBR改性瀝青的蠕變速率m增大,其增大比例較基質(zhì)瀝青為6.5%,較SBR改性瀝青為1.7%。在相同溫度條件下,m值越大,瀝青的低溫性能越好。因此納米SiO2/SBR改性瀝青的低溫抗裂性更好。

綜上所述,同一溫度下,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S最小,蠕變速率m最大,說明低溫抗裂性能是最好的,因此,納米SiO2可以提高改性瀝青的低溫抗裂性能。

3 結(jié)語

本文結(jié)合納米SiO2對(duì)SBR改性瀝青進(jìn)行性能優(yōu)化,分析研究制備得到的納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青結(jié)合料性能,其具體結(jié)論如下:

1)納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青較其他兩種瀝青,呈現(xiàn)針入度降低,軟化點(diǎn)、延度升高。針入度下降幅度分別為4.6%,10.4%;軟化點(diǎn)上升幅度分別為22.2%,14.2%;延度上升幅度分別為47.2%,18.1%。說明隨著納米SiO2的加入,瀝青黏稠度提高,其路用性能有了明顯的提高,并且低溫性能也得到了改善。

2)DSR試驗(yàn)中,在同一溫度下,納米SiO2/SBR復(fù)合改性瀝青的相位角δ最小,這表明隨著納米SiO2的摻入,使得瀝青中彈性物質(zhì)與黏性物質(zhì)的比例升高,有著更好的彈性恢復(fù)能力。在同樣的中高溫下,復(fù)合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ是最高的,這表明納米SiO2的加入使其高溫性能得到提高。

3)基于BBR試驗(yàn),在同一溫度下,隨著納米SiO2的加入,SBR改性瀝青的蠕變勁度S減小,蠕變速率m變大,說明納米SiO2可以使SBR改性瀝青的低溫性能得到改善。