納米TiO2/CaCO3-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的路用性能

程永春,畢海鵬,馬桂榮,宮亞峰,田振宏,呂澤華,徐志樞

(吉林大學(xué) 交通學(xué)院,長春130022)

0 引 言

瀝青路面因其優(yōu)越的使用性能而在世界各國廣泛應(yīng)用。然而,隨著交通量和重載交通的不斷增多,越來越多的路面發(fā)生車轍、裂縫和坑槽等早期病害。為了防止瀝青路面早期病害的發(fā)生,提高瀝青混合料的路用性能,國內(nèi)外研究人員從瀝青單質(zhì)材料的改性方面進(jìn)行了大量的有益嘗試,并在此基礎(chǔ)上提出了許多新型改性材料,其中納米材料和纖維材料是目前常用的兩種無機(jī)改性材料[1,2]。有研究發(fā)現(xiàn),將納米SiO2、TiO2、Zn O等顆粒摻入瀝青中有助于提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性,但是對于低溫性能影響較小[3-8];而將玻璃纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維等纖維材料摻入到瀝青混合料中可提高其高溫性能,并能顯著提升低溫抗裂性能[9-12]。針對單獨(dú)采用納米材料或是纖維材料進(jìn)行瀝青改性的研究已經(jīng)開展了許多,但是對于采用兩種材料對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性的研究尚未見諸報道,并且通過復(fù)合改性的方式將有助于同時有效提升瀝青高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。因此,對復(fù)合改性瀝青性能進(jìn)行研究,確定合理摻量和工藝十分必要。

本文采用高速剪切儀制備了不同摻量的納米TiO2/CaCO3-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青,并對其常規(guī)性能和高低溫流變性能進(jìn)行了測試,對比分析了改性劑摻量對瀝青性能的影響[13]。

1 試驗材料及復(fù)合改性瀝青制備

1.1 原材料性能指標(biāo)

本文選用遼寧盤錦產(chǎn)AH90＃重交通石油瀝青進(jìn)行復(fù)合改性瀝青的試驗研究,瀝青的基本性能指標(biāo)如表1所示。納米TiO2/CaCO3由天成高新納米復(fù)合材料有限公司生產(chǎn),其基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示。玄武巖纖維為吉林省本地產(chǎn)短切纖維,其基本技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)Table 1 Basic properties of neat asphalt

表2 納米TiO2/CaCO3技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index ofnano TiO2/CaCO3

表3 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of basalt fiber

1.2 復(fù)合改性瀝青制備

本文采用高速剪切攪拌設(shè)備制備納米TiO2/CaCO3-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青,剪切攪拌時間為45 min,溫度為150℃,剪切速度為4000 r/min。本文選取納米TiO2/CaCO3摻量為瀝青質(zhì)量的1%、3%、5%和7%,玄武巖纖維摻量為瀝青質(zhì)量的2%、3%、4%和5%,進(jìn)行全面試驗得到16組不同摻量的復(fù)合改性瀝青。

2 復(fù)合改性瀝青基本性能分析

制備得到納米TiO2/CaCO3-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青后,對其錐入度、軟化點(diǎn)、延度和表觀黏度進(jìn)行測試,測試過程按照J(rèn)TG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料測試規(guī)程》進(jìn)行。

2.1 錐入度

由于在瀝青中摻入纖維后采用針入度試驗測試其黏稠性離散性較大,試驗結(jié)果不穩(wěn)定,因此采用錐入度試驗代替,測試復(fù)合改性瀝青的黏稠性及抗剪切強(qiáng)度[9,10]。錐針的錐角為30°,錐針的重量可以通過增減砝碼的方式進(jìn)行調(diào)節(jié),記錄錐針錐入5 s后的錐入深度,按照公式(1)可計算得到相應(yīng)的剪切強(qiáng)度。試驗溫度為30℃,得到16組納米TiO2/CaCO3-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的錐入度及剪切強(qiáng)度如圖1所示。

式中:τ為抗剪強(qiáng)度,k Pa;Q為錐針、連桿及砝碼總重,k N;h為錐入度,0.1 mm;α為錐針角度,α＝30°。

圖1 復(fù)合改性瀝青錐入度試驗結(jié)果Fig.1 Cone penetration of compound modified asphalt

由圖1(a)可以看出,當(dāng)玄武巖纖維摻量相同時,隨著納米TiO2/CaCO3摻量的增大,錐入度逐漸降低。當(dāng)納米TiO2/CaCO3摻量相同時,隨著纖維摻量的增大,錐入度也呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢。且當(dāng)纖維摻量超過4%后,錐入度降低幅度減小,納米TiO2/CaCO3摻量越高降低幅度越小。這是因為隨著纖維和納米TiO2/CaCO3的摻入,瀝青內(nèi)部逐漸形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),使得錐針錐入深度減小,并且因玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3對瀝青中輕質(zhì)組分的吸收作用,使得瀝青變得更加脆硬,導(dǎo)致錐入度降低。

圖1(b)顯示了復(fù)合改性瀝青剪切強(qiáng)度隨納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維摻量變化而變化的趨勢。由圖可知,摻入改性材料后有助于提高瀝青的抗剪切強(qiáng)度,利于改善其在高溫下的抗變形能力。納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維摻量從(1%,2%)增加到(7%,5%)后,剪切強(qiáng)度提高了112%,瀝青抗剪切強(qiáng)度明顯提高。采用兩種改性材料對瀝青剪切強(qiáng)度的提升具有疊加作用。

2.2 軟化點(diǎn)

對復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)進(jìn)行測試,得到試驗結(jié)果圖2所示。

圖2 復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)試驗結(jié)果Fig.2 Softening point results of compound modified asphalt

由圖2可以看出,摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維后瀝青軟化點(diǎn)升高。軟化點(diǎn)反映了瀝青在高溫時的穩(wěn)定性,軟化點(diǎn)越高,高溫穩(wěn)定性越好。由此可知,摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維有助于提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。并且復(fù)合改性瀝青可以綜合玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3的提升效果,使其比采用單一材料改性時對高溫穩(wěn)定性的提升效果要明顯。另外,由圖還可以看出當(dāng)玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3的摻量較高時,軟化點(diǎn)增量減小。這可能是由于改性劑摻量過高時,納米TiO2/CaCO3和纖維對瀝青中輕質(zhì)組分的吸持效果達(dá)到最優(yōu),使得軟化點(diǎn)隨摻量增大而產(chǎn)生的增量減小。

2.3 延度

對16組復(fù)合改性瀝青的5℃和10℃延度進(jìn)行測試,得到試驗結(jié)果圖3所示。

圖3 復(fù)合改性瀝青延度試驗結(jié)果Fig.3 Ductilities of compound modified asphalt

延度反映了瀝青在低溫條件下的變形性能,在一定程度上可以表征瀝青的低溫抗裂性能。延度越大,其低溫柔度越大,斷裂前變形范圍越廣,利于抵抗裂縫的產(chǎn)生。由圖3可知,摻入纖維和納米TiO2/CaCO3后瀝青延度均有所降低,且隨著摻量的增大,延度不斷減小。另外,隨著溫度由10℃降低到5℃,復(fù)合改性瀝青的延度明顯減小。表明隨著改性劑的摻入以及溫度的降低,瀝青低溫柔度減弱,變形能力降低。這是因為摻入玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3后有效吸收了瀝青中輕質(zhì)組分,使得瀝青更加脆硬,柔性減弱。但是摻入改性劑后,瀝青拉伸強(qiáng)度升高,拉伸破壞吸收的能量增多,瀝青路面發(fā)生裂縫所需能量也就越大。因此,在摻加玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3時應(yīng)綜合考慮改性劑對瀝青低溫柔度減弱和強(qiáng)度提升的作用,選取合理的改性劑摻量。

2.4 表觀黏度

采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀對復(fù)合改性瀝青的135℃表觀黏度進(jìn)行測試,得到試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合改性瀝青表觀黏度試驗結(jié)果Fig.4 Apparent viscosities of compound modified asphalt

由圖4可以看出,隨著納米TiO2/CaCO3摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的黏度不斷增大,但是當(dāng)納米TiO2/CaCO3的摻量足夠大時,黏度的增幅減小。當(dāng)玄武巖纖維摻量分別為2%、3%、4%和5%時,納米TiO2/CaCO3摻量為7%時比1%時復(fù)合改性瀝青黏度增量較大,增幅分別為19.5%、25.6%、25.8%和22.7%。表明摻入改性劑可有效增強(qiáng)瀝青的黏結(jié)力,提高瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度。這主要有兩方面原因:其一是因為瀝青黏度的提高主要是由于瀝青中輕質(zhì)組分被纖維和納米顆粒吸收,使得瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)增多,黏結(jié)力增強(qiáng);另外就是由于玄武巖纖維和納米顆粒在瀝青中分布形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了復(fù)合改性瀝青的黏結(jié)力,使得瀝青黏度升高。

3 復(fù)合改性瀝青流變性能分析

瀝青是一種典型的黏彈性材料,隨著溫度的變化而表現(xiàn)出明顯不同的力學(xué)性能。對其高低溫流變性能進(jìn)行分析有助于全面了解瀝青的性能特征,更好地評價玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3的改性效果。本文采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)和低溫彎曲梁流變儀(BBR)對復(fù)合改性瀝青的高低溫流變性能進(jìn)行測試,以評價改性材料的改性效果。

3.1 動態(tài)剪切流變性能

對復(fù)合改性瀝青的高溫動態(tài)剪切流變性能進(jìn)行測試,試驗溫度為64℃,測試頻率為10 rad/s,測試得到16組復(fù)合改性瀝青的復(fù)模量和相位角如圖5所示。

由圖5可以看出,摻入玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3后,復(fù)合改性瀝青的復(fù)模量均有所提高,且隨著摻量的增大而逐漸升高。但是當(dāng)玄武巖纖維摻量為4%和5%時,在納米TiO2/CaCO3摻量超過5%后復(fù)模量減小。復(fù)模量反映了瀝青的變形協(xié)調(diào)性能,復(fù)模量越大,抵抗變形能力越好。因此,摻入改性材料有助于提升瀝青的抗永久變形能力。但是當(dāng)纖維和納米TiO2/CaCO3摻量過高時,瀝青中纖維束容易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,導(dǎo)致瀝青中產(chǎn)生薄弱點(diǎn),使得復(fù)模量降低。

圖5 復(fù)合改性瀝青動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果Fig.5 DSR results of compound modified asphalt

另外由圖5(b)可知,摻入玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3后瀝青相位角有所降低,但是降低幅度并不明顯。玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3摻量為(2%,1%)時相位角比二者摻量為(5%,7%)時相位角僅高0.5°。相位角表征了瀝青中彈性成分和黏性成分的比例大小,相位角越大,瀝青中黏性成分越多。由此可知,摻入改性材料能夠增大瀝青中彈性成分比例,但是增大效果并不明顯。

3.2 低溫彎曲梁蠕變性能

采用彎曲梁流變儀對復(fù)合改性瀝青的低溫彎曲梁蠕變性能進(jìn)行測試,試驗溫度為－18℃,測試得到16組復(fù)合改性瀝青的60 s勁度模量S值和蠕變速率m值如圖6所示。

圖6 復(fù)合改性瀝青低溫彎曲蠕變試驗結(jié)果Fig.6 BBR results of compound modified asphalt

由圖6(a)可以看出,摻入玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3后,瀝青低溫彎曲勁度模量升高,且呈現(xiàn)隨著摻量增大先升高后減小的趨勢。這主要是因為摻入改性材料后,瀝青中輕質(zhì)組分被玄武巖纖維和納米顆粒吸收,使得重質(zhì)組分相對比例升高,瀝青更加脆硬。另外納米顆粒分散于瀝青中具有增黏作用,玄武巖纖維能夠形成橋接交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),在二者的綜合作用下使得瀝青的低溫勁度模量明顯提高。而當(dāng)改性材料的復(fù)合摻量過高時,納米顆粒和玄武巖纖維對瀝青中輕質(zhì)組分的吸收達(dá)到飽和,使得多余出來的纖維容易發(fā)生結(jié)團(tuán),形成受力薄弱區(qū)域,反而使得勁度模量降低。

蠕變速率反映了瀝青的應(yīng)力松弛能力,蠕變速率m值越大,瀝青內(nèi)部應(yīng)力松弛的越快,也就越不容易產(chǎn)生裂縫。由圖6(b)可知,摻入玄武巖纖維和納米TiO2/CaCO3后瀝青蠕變速率有所上升,但是當(dāng)二者復(fù)合摻量較高時,蠕變速率隨摻量增大而下降。表明同時摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維有助于提升瀝青的低溫應(yīng)力松弛能力,但是應(yīng)將復(fù)合改性材料的摻量控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維可有效提升瀝青的高溫穩(wěn)定性,增強(qiáng)其黏結(jié)力與抗剪切強(qiáng)度,利于提高瀝青的抗永久變形能力。

(2)摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維降低了瀝青的拉伸延展性,低溫柔度下降;提高了瀝青低溫彎曲勁度模量與蠕變速率,摻入合理摻量的復(fù)合改性材料有助于提高瀝青的低溫應(yīng)力松弛能力,增強(qiáng)低溫抗裂性能。

(3)同時摻入納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維可綜合發(fā)揮二者的性質(zhì)特征,對瀝青高低溫性能的影響具有疊加效應(yīng)。

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