納米ZnO對(duì)EPDM改性瀝青抗熱氧老化性能影響的研究

程培峰 田玉軍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

三元乙丙橡膠以其良好的耐天候、耐腐蝕、電絕緣性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于橡膠制品之中，近些年來(lái)，它也逐漸被應(yīng)用于瀝青改性。李志偉等[1]將EPDM添加于90號(hào)基質(zhì)瀝青，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)EPDM改性后瀝青的高低溫性能明顯提高。但是，EPDM瀝青作為一種橡膠瀝青，其抗老化性能較差[2],需要摻配另一種改性劑改善其抗老化性能。有研究表明[3]，納米ZnO的超大比表面積以及獨(dú)特的表面效應(yīng)能夠使瀝青具有良好的抗老化性能。因此納米ZnO是改善EPDM瀝青抗老化性能的一種較為理想的材料。該文通過(guò)摻入納米ZnO對(duì)EPDM瀝青進(jìn)行改性，研究其對(duì)EPDM改性瀝青抗老化性能的影響,可為提高橡膠類(lèi)改性瀝青抗老化性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與老化方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)基質(zhì)瀝青選用盤(pán)錦90號(hào)瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 盤(pán)錦90號(hào)基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

納米ZnO由北京某公司生產(chǎn)，一次粒徑為30 nm，產(chǎn)品外觀為白色粉末。

EPDM由美國(guó)某公司生產(chǎn)，細(xì)度為200目，產(chǎn)品外觀為白色粉末。

根據(jù)相關(guān)研究[4,5]，選取EPDM摻量為瀝青質(zhì)量的2%。納米ZnO摻量為瀝青質(zhì)量的1%，2%，3%，4%。

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

EPDM改性瀝青的制備：將500 g基質(zhì)瀝青在140 ℃的條件下加熱到熔融狀態(tài)，然后加入一定比例的EPDM粉末，在600 r/min的速度下低速攪拌10 min，然后利用高速剪切機(jī)在150 ℃,3 500 r/min的條件下剪切40 min，即可完成EPDM改性瀝青的制備。

EPDM/納米ZnO復(fù)合改性瀝青的制備：先將EPDM改性瀝青在140 ℃條件下加熱到熔融狀態(tài)，然后加入一定比例的納米ZnO，在600 r/min的速度下低速攪拌10 min，然后利用高速剪切機(jī)，在150 ℃,3 500 r/min的條件下剪切40 min，完成 EPDM/納米ZnO復(fù)合改性瀝青的制備。

1.3 老化方法

該文采用RTFOT老化方法，分別對(duì)瀝青進(jìn)行85 min，5 h的老化，模擬瀝青在拌合過(guò)程中以及在長(zhǎng)期使用過(guò)程中產(chǎn)生的老化現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米ZnO摻量與老化作用對(duì)改性瀝青常規(guī)性能的影響

對(duì)不同納米ZnO摻量下的原樣、RTFOT 85 min，RTFOT 5 h后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可得到以下結(jié)論：

1)隨著納米ZnO摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸減小，軟化點(diǎn)逐漸升高，這說(shuō)明納米ZnO的加入提高了復(fù)合改性瀝青的高溫性能。復(fù)合改性瀝青的延度隨著納米ZnO摻量的增加略有增加，說(shuō)明納米ZnO并不會(huì)給其低溫性能造成不利影響，反而在一定程度上改善了其低溫變形能力。當(dāng)納米ZnO的摻量為3%時(shí)，復(fù)合改性瀝青具有相對(duì)較好的常規(guī)性能。

2)老化后復(fù)合改性瀝青的針入度明顯降低，而軟化點(diǎn)明顯升高，這說(shuō)明老化作用使其稠度增大。老化后復(fù)合改性瀝青的延度有所減小，這說(shuō)明老化作用使得復(fù)合改性瀝青的低溫性能有所減弱。

針入度比與軟化點(diǎn)增量是評(píng)價(jià)瀝青抗老化性能的指標(biāo)，針入度比越大、軟化點(diǎn)增量越小，說(shuō)明瀝青抗老化性能越好。復(fù)合改性瀝青老化后的針入度比與軟化點(diǎn)增量如表2所示。

表2 復(fù)合改性瀝青老化后的針入度比與軟化點(diǎn)增量

由表2可以得到以下結(jié)論：

1)復(fù)合改性瀝青老化后的針入度比高于EPDM瀝青，且隨著納米ZnO摻量的增加而逐漸增加，這說(shuō)明納米ZnO的摻入改善了EPDM瀝青的抗老化性能，其中當(dāng)納米ZnO摻量為3%時(shí)的改善效果最為明顯,瀝青經(jīng)RTFOT 85 min與5 h后的針入度比分別提高了6%與11%。

2)復(fù)合改性瀝青老化后的軟化點(diǎn)增量低于EPDM瀝青。隨著納米ZnO摻量的增加，其軟化點(diǎn)增量呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)納米ZnO摻量為3%時(shí)，經(jīng)RTFOT 85 min 與5 h后的復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增量均最低。繼續(xù)提高納米ZnO的摻量，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增量略有增加。

2.2 納米ZnO摻量與老化作用對(duì)改性瀝青流變性能的影響

按JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[6]中的規(guī)定分別對(duì)原樣、RTFOT 85 min,RTFOT 5 h后的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行流變性質(zhì)試驗(yàn)，其中原樣瀝青的試驗(yàn)角頻率為10 rad/s，試驗(yàn)溫度為52 ℃～76 ℃，應(yīng)變控制目標(biāo)值為12%。瀝青老化殘留物的試驗(yàn)角頻率為10 rad/s，試驗(yàn)溫度為52 ℃～76 ℃，應(yīng)變控制目標(biāo)值為10%。試驗(yàn)結(jié)果如表3，表4所示。

表3 復(fù)合改性瀝青老化前后的G*/sinδ kPa

表4 復(fù)合改性瀝青老化前后的δ (°)

由表3，表4可以得到以下結(jié)論：

復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍因子均高于EPDM瀝青，相位角均低于EPDM瀝青。這表明納米ZnO的摻入提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性。5組瀝青經(jīng)老化后，抗車(chē)轍因子明顯增加，相位角明顯降低，這說(shuō)明老化作用使瀝青中的粘性成分逐漸減少，抗變形能力有所增強(qiáng)。

老化指數(shù)[7]是評(píng)價(jià)瀝青老化程度的一個(gè)指標(biāo)，它的公式如下：

老化指數(shù)=瀝青老化后的抗車(chē)轍因子/瀝青未老化時(shí)的抗車(chē)轍因子。

老化指數(shù)值越低，表明瀝青材料的抗老化性能越好，5組瀝青64 ℃時(shí)的老化指數(shù)如圖2所示。

由圖2可知：復(fù)合改性瀝青RTFOT 85 min后的老化指數(shù)略低于EPDM瀝青，這說(shuō)明納米ZnO的摻入在一定程度上提高了瀝青的抗短期老化能力。復(fù)合改性瀝青RTFOT 5 h后的老化指數(shù)明顯低于EPDM瀝青，表明納米ZnO對(duì)EPDM瀝青抗長(zhǎng)期老化性能有明顯改善作用。隨著納米ZnO摻量的增加，復(fù)合改性瀝青RTFOT 5 h后的老化指數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，當(dāng)納米ZnO摻量為2%時(shí)，其值最低。這說(shuō)明在該摻量下長(zhǎng)期老化作用對(duì)瀝青的流變性能影響最小。

3 結(jié)語(yǔ)

1)納米ZnO的加入會(huì)對(duì)EPDM改性瀝青的高低溫性能起一定改善作用，但其改善效果受到納米ZnO摻量的影響，當(dāng)納米ZnO摻量為3%時(shí)，瀝青具有較好的高低溫性能。

2)納米ZnO減弱了老化作用對(duì)復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能與流變性能的影響，當(dāng)納米ZnO摻量為2%和3%時(shí)，復(fù)合改性瀝青老化后的常規(guī)性能與流變性能變化較小，抗老化能力較強(qiáng)。

3)根據(jù)瀝青常規(guī)性能，流變性能，抗老化性能等多方面因素綜合考慮，推薦采用納米ZnO摻量為3%。