王云

(云南建投路面工程有限公司, 云南 昆明 650032)

隨著交通量的迅猛增加,對瀝青路面質(zhì)量的要求提高,普通乳化瀝青已無法滿足需求,亟待優(yōu)化升級。目前SBR改性乳化瀝青應(yīng)用較普遍,其路用性能雖然優(yōu)于普通乳化瀝青和普通瀝青,但高溫性能不太理想,軟化點(diǎn)一般低于60 ℃,易造成路面大面積早期損壞,已不能滿足現(xiàn)代交通的要求[1-3]。劉悅、馬秀良、CHEN Z. Q.、欒軼博等利用Pickering乳液形成機(jī)制,經(jīng)過多次嘗試,借助經(jīng)縮聚物改性后的納米SiO2微粒,創(chuàng)造性地制備出新型Pickering乳化瀝青[4-7],該瀝青具有良好的儲存穩(wěn)定性。他們主要研究了Pickering乳化瀝青的制備效果和穩(wěn)定性,未分析其高溫性能。本文研究納米SiO2乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

原材料:平均粒徑28 nm的納米SiO2;縮聚物;十六烷基三甲基溴化銨;鹽酸;蒸餾水。

試驗(yàn)設(shè)備:恒溫磁力攪拌器;掃描電子顯微鏡;光學(xué)顯微鏡;Thermofisher Nicolet 6700紅外光譜儀;JJO-2接觸角測定儀;Malvern ZS90;立式膠體磨;烘箱;1.18 mm細(xì)篩;三口燒瓶;溫度計(jì);儲存穩(wěn)定度試驗(yàn)管;試管;電子分析天平;滴管;燒杯。

1.2 試樣制備

1.2.1 乳化劑制備

按照5%、10%、15%、20%、25%的比例稱取縮聚物和十六烷基三甲基溴化銨,分別添加納米SiO2進(jìn)行表面改性;取200 g水(去離子水),摻入12.5%質(zhì)量比例的硅溶膠配制溶液;取10 g改性后納米SiO2添加至上述溶液中,攪拌30 min,并調(diào)節(jié)其pH值為3,制得納米SiO2乳化劑。

1.2.2 納米SiO2乳化瀝青制備

室溫下啟動(dòng)膠體磨(JM-L50),加入沸水循環(huán)預(yù)熱不低于5 min,將上述溶液水浴加熱至85 ℃。加熱基質(zhì)瀝青至熔流狀態(tài)(70#基質(zhì)瀝青建議加熱至145 ℃)。稱取相同質(zhì)量的瀝青和納米SiO2水溶液,將其緩緩倒入膠體磨中。膠體磨高速剪切,完成對瀝青的乳化,制得納米SiO2乳化瀝青。

2 納米SiO2乳化瀝青高溫性能分析

由于納米SiO2添加過多會(huì)對蒸發(fā)殘留物的延度產(chǎn)生一定影響,參考文獻(xiàn)[8],選擇5%納米SiO2摻量,在不同縮聚物摻量下制備乳化瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)和針入度試驗(yàn)、蒸發(fā)殘留物試驗(yàn)。以普通SBR乳化瀝青和基質(zhì)瀝青作為對照。

2.1 軟化點(diǎn)和針入度試驗(yàn)

對普通SBR乳化瀝青、不同縮聚物摻量的5%納米SiO2乳化瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)和針入度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知:相較于普通改性乳化瀝青,納米SiO2乳化瀝青的軟化點(diǎn)有所提高,說明納米SiO2顆粒有助于提高瀝青的高溫性能;縮聚物摻量對納米SiO2乳化瀝青軟化點(diǎn)的影響較小;與普通改性乳化瀝青相比,納米SiO2乳化瀝青的針入度有所減小,說明納米SiO2顆粒會(huì)使瀝青變硬。

表1 不同乳化瀝青軟化點(diǎn)和針入度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 差熱分析

瀝青在溫度升高的過程中從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),其物理性質(zhì)發(fā)生變化。該過程伴隨著熱量變化,能反映瀝青對溫度變化的敏感性,這是差熱分析的測試原理。

由于瀝青在試驗(yàn)溫度變化過程中存在相態(tài)變化,溫度從低到高分別為玻璃態(tài)、黏彈態(tài)、黏流態(tài),而參比物沒有相態(tài)變化,吸收熱量的變化表現(xiàn)在蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€上就是曲線峰即吸熱峰。吸熱峰的大小和位置能反映瀝青微觀性質(zhì)的變化,微觀性質(zhì)的變化可以反映瀝青熱性能的變化。吸熱峰大,說明瀝青加熱后物理性質(zhì)變化大,瀝青的熱穩(wěn)定性差;吸熱峰小,瀝青的熱穩(wěn)定性好。

分析基質(zhì)瀝青和5%納米SiO2改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物,試驗(yàn)溫度為20～80 ℃,升溫速率為10 ℃/min,試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。從圖1、圖2可以看出:溫度升高至50 ℃左右時(shí),兩種瀝青的蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€出現(xiàn)波動(dòng)即產(chǎn)生吸熱峰,說明在該溫度范圍內(nèi)瀝青發(fā)生相態(tài)變化,從黏彈體變?yōu)轲ち黧w。特定溫度下,瀝青不同組分會(huì)有不同相態(tài)變化,不同組分的吸熱峰會(huì)耦合成吸熱峰。穩(wěn)定的瀝青在溫度變化過程中受到的影響小,其蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€平坦、光滑,吸熱峰很少出現(xiàn)或很小。納米SiO2乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€比基質(zhì)瀝青更平坦,且沒有多余的吸熱峰產(chǎn)生,說明納米SiO2顆粒能均勻地分散在瀝青各組分中。與基質(zhì)瀝青相比,5%納米SiO2乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的吸熱峰面積減小70%左右,說明納米SiO2的加入改善了瀝青組分發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的數(shù)量,吸熱量降低,瀝青的熱穩(wěn)定性得到提高。

對瀝青蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€上信息(包括吸熱峰面積、吸熱峰溫度范圍等)進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。從表2可以看出:與基質(zhì)瀝青相比,5%納米SiO2乳化瀝青的比熱容、發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間、吸熱量均減小,主要表現(xiàn)為溫度區(qū)間右端值減小。吸熱峰由多種組分吸熱峰疊加而成,各組分的吸熱峰有大有小,轉(zhuǎn)變溫度有高有低,從蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€來看,50 ℃左右發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的組分吸熱峰較大,轉(zhuǎn)變溫度靠近溫度區(qū)間兩端的組分吸熱峰較小,納米SiO2的加入降低了吸熱峰,轉(zhuǎn)變溫度低的組分的吸熱峰峰值減小,部分轉(zhuǎn)變溫度較高的組分的吸熱峰更平坦,因而吸熱峰減小的同時(shí)溫度區(qū)間也減小,瀝青的感溫性和熱穩(wěn)定性得到提高。

圖1 基質(zhì)瀝青的蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€

圖2 納米SiO2乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芮€

表2 不同瀝青蒸發(fā)殘留物高溫?zé)嵝阅芊治?/p>

2.3 蒸發(fā)殘留物高溫流變性能分析

采用Superpave體系中動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測定瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ,分析高溫條件下瀝青的流變性能。以車轍因子G*/sinδ表征高溫下瀝青抵抗永久變形的能力,在最高路面設(shè)計(jì)溫度下,其值越大瀝青的抗車轍能力越強(qiáng)。

試驗(yàn)采用Advanced Rheometer-2000ex流變儀,應(yīng)變值為12%,試驗(yàn)頻率為1.592 Hz。試驗(yàn)溫度為64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。采用直徑為25 mm的平板夾具,厚度為1 mm。分別對普通SBR乳化瀝青和納米SiO2乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn),結(jié)果見表3。

表3 不同乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的車轍因子

從表3可以看出:5%納米SiO2乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物原樣滿足車轍因子G*/sinδ>1.0 kPa的要求,老化后滿足車轍因子G*/sinδ>2.0 kPa的要求,納米SiO2乳化瀝青達(dá)到76 ℃PG高溫等級,高溫性能改善明顯。

3 結(jié)語

根據(jù)基質(zhì)瀝青、普通SBR乳化瀝青、納米SiO2乳化改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度常規(guī)高溫指標(biāo)試驗(yàn)及熱性能和流變性能分析結(jié)果,納米SiO2乳化改性瀝青的高溫性能提高較大,能解決普通改性乳化瀝青高溫性能不足的問題,在道路工程領(lǐng)域具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值,特別適于用作不黏輪乳化瀝青。