有機坡縷石改性瀝青的高溫性能研究

高 昆

(新疆交建公路規劃勘察設計有限公司 烏魯木齊市 830011)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，重載交通以及交通量不斷增大，給高等級公路的服役性能帶來更大的挑戰，傳統的瀝青膠結料已經難以滿足瀝青路面建設的需求，特別是高溫性能不足嚴重制約著道路使用性能[1]。高分子聚合物改性瀝青的出現暫時彌補了這一弊端，但是如何進一步提高聚合物改性瀝青的儲存穩定性一直是業內研究人員關注的重點。近幾年，層狀硅酸鹽材料的出現吸引了很多研究者的目光。坡縷石又被稱作凹凸棒土，是一種纖維鏈層狀富鋁鎂硅酸鹽粘土礦物，其資源存量在我國十分豐富[2]。坡縷石獨特的晶體結構賦予其優異的流變性、吸附性、火山灰活性、催化特性及填充性。用坡縷石來對瀝青進行改性，坡縷石自身優異的物理性能可以使得改性瀝青具備較好的穩定性，在改善瀝青技術性能的同時，具有較好的熱儲存穩定性能[3]。坡縷石乳化改性瀝青可以有效解決乳化瀝青的耐候性差的問題，同時降低改性瀝青的經濟成本[4-5]。將坡縷石與環氧樹脂復合對瀝青進行改性，可以彌補環氧樹脂質脆、耐沖擊性能差的缺陷[6]。高曉紅等[7]將有機化處理的坡縷石與SBS、溶劑油等復合對基質瀝青進行改性，研究認為加入坡縷石后瀝青的抗老化性能得以改善。王有朋等[8]對坡縷石進行有機處理后對基質瀝青進行改性，發現經過處理的坡縷石與瀝青具有良好的相容性，并能提高瀝青的高溫性能。坡縷石的經濟成本相對較小，且具有良好的物理、化學性質，其改性瀝青在道路工程中的應用將會有巨大的前景。

為研究坡縷石改性瀝青的高溫性能，對比有機化處理對其高溫性能的影響，采用有機化試劑對坡縷石進行處理，使用處理前后的坡縷石進行改性瀝青制備，通過旋轉粘度試驗、動態剪切流變試驗對改性瀝青的高溫性能進行研究。

1 原材料及改性瀝青制備

1.1 試驗原材料

采用的基質瀝青為SK70#瀝青，其技術指標如表1所示。坡縷石產地為江蘇，其基本技術指標如表2所示。作為一種無機物材料，理論上坡縷石與瀝青組分的相容性不會太好，因此選用十八烷基三甲基氯化銨(C21H46ClN，簡稱1831)對坡縷石進行有機化處理，該有機化試劑的基本性能指標如表3所示。

表1 基質瀝青基本性能

表2 坡縷石基本指標

表3 有機化試劑基本指標

1.2 坡縷石有機化處理

稱取一定量的坡縷石干燥后研磨，倒入裝有去離子水的燒杯中，在磁力攪拌水浴鍋(HCJ-4D)內攪拌1h，攪拌溫度為80℃，攪拌速度為1200rpm。攪拌完畢加入適量的1831后，維持攪拌溫度和速度繼續攪拌2h。完成后取出并冷卻，采用真空抽濾機將沉淀物反復清洗，直到無殘留試劑為止。將清洗過的沉淀物放入烘箱烘干，然后取出研磨經300目篩過濾得到有機化凹凸棒土(OPAL)。

1.3 改性瀝青制備

在150℃條件下，將SK70#基質瀝青加熱至熱融狀態，然后取一定量的凹凸棒土PAL或有機化凹凸棒土OPAL加入瀝青中，使用高速剪切機在3000r/min的條件下剪切40min，剪切完畢發育2h后可得到改性瀝青。

2 試驗方案

為研究坡縷石改性瀝青的高溫流變性能，首先采用布氏旋轉粘度計對不同摻量(1%～5%)的PAL、OPAL改性瀝青的粘度進行測量，測試溫度控制為135℃；采用動態剪切流變儀，對不同摻量的OPAL改性瀝青進行溫度掃描試驗，對固定摻量的OPAL和PAL改性瀝青的溫度掃描結果進行對比分析，基于抗車轍因子指標研究其高溫流變性能的影響因素，確定其PG分級溫度。

3 結果與討論

3.1 改性瀝青的粘溫特性

不同PAL、OPAL摻量的改性瀝青在135℃條件下的粘度變化如圖1所示。可以發現，隨著PAL、OPAL摻量的增加，改性瀝青的粘度逐漸增加，當摻量增加至3%時，粘度增加的趨勢逐漸變緩。此外，經過有機化處理的坡縷石改性瀝青的粘度均大于普通坡縷石改性瀝青，隨著摻量增加，這種差異越發明顯。這表明，坡縷石經過有機化處理后，能與瀝青組分進行較好地融合，瀝青的分子鏈結構能更好地與有機化坡縷石的結構進行互嵌，這就使得瀝青分子結構更為穩固，從而表現出更大的粘度。根據圖1所示的粘度變化趨勢，3%摻量是一個較為合適的改性摻量。

3.2 改性瀝青的抗車轍因子分析

瀝青作為混合料的膠結料，其高溫性能直接影響著路面的抗車轍性能，因此采用動態剪切流變儀對改性瀝青的高溫性能進行試驗。溫度掃描試驗的頻率為10rad/s，控制溫度為58℃、64℃、70℃、76℃。首先對3%摻量的PAL、OPAL改性瀝青進行溫度掃描試驗，并與基質瀝青進行對比。經過溫度掃描得到瀝青的復數模量和相位角，復數模量與相位角正弦值的比值為抗車轍因子。如圖2顯示了基質瀝青、PAL以及OPAL改性瀝青在不同溫度下的抗車轍因子，可以發現，隨著溫度的升高，抗車轍因子均呈現下降趨勢，表明溫度的升高導致瀝青的抗車轍性能下降。在相同的溫度下，OPAL改性瀝青的抗車轍因子均為最大，其次是PAL改性瀝青，這表明，PAL的加入能提高瀝青的高溫性能，而經過有機化處理的坡縷石能進一步改善改性瀝青的高溫性能。這是由于坡縷石本身具有較好的吸附能力，這對于瀝青分子間的穩定性具有積極作用，提升了瀝青分子間的熱運動閾值，從而改善了其高溫性能。經過有機化處理，無機的坡縷石變為有機材料從而能與瀝青進行更好地相容，坡縷石的空間結構因為有機化處理而擴大，從而能使得瀝青分子鏈能夠更好地相嵌，加強了坡縷石與瀝青組分的吸附作用，因此表現為改性瀝青的性能進一步提升。

為了解OPAL摻量對改性瀝青高溫性能的影響，對1%～5%摻量的OPAL改性瀝青進行溫度掃描后計算其抗車轍因子，結果如圖3所示。可以看出，所有摻量改性瀝青的抗車轍因子均大于基質瀝青的抗車轍因子，這說明OPAL的摻加明顯提升了瀝青的高溫性能。在同樣的溫度條件下，隨著OPAL摻量的增加，抗車轍因子逐漸增大，但也可以發現，摻量超過3%后，抗車轍因子進一步增大的幅度相對較小。可見，在進行瀝青改性時，3%的OPAL摻量確為一個較為合適的摻量。

3.3 PG分級

根據瀝青的抗車轍因子看可以確定其PG分級，瀝青老化前對應的抗車轍因子大于1kPa且老化后其抗車轍因子大于2.1kPa條件下的最高溫度即為瀝青PG分級的高溫等級。通過試驗，對3%OPAL、PAL摻量下的改性瀝青及SK70#瀝青進行PG高溫等級的確定，試驗結果如表4所示。可以看出，相較于SK70#瀝青的PG高溫等級，坡縷石加入后其高溫性能等級均提升一個PG等級，這也表明，OPAL和PAL的摻加可以顯著提高瀝青的高溫性能。

表4 瀝青的PG分級

4 結論

坡縷石的摻加能增大瀝青的粘度，提高瀝青的抗車轍因子，且與坡縷石摻量呈現正相關關系；此外，坡縷石的加入可以顯著提升瀝青的PG等級。經過有機化處理的坡縷石改性效果進一步提升，有機化坡縷石對瀝青高溫性能的改善效果顯著。經過試驗，認為3%的有機化坡縷石是一個較為合適的改性摻量。