蒙脫土對SBS 改性瀝青老化性能的改善研究*

蘇 江，田榮燕，孫威宇

（西藏大學 工學院，西藏 拉薩 850000）

引言

SBS 改性瀝青是西藏最常見的道路瀝青材料，在西藏的各個城市和高速公路上都有使用[1-2]。為了適應不同的環境條件，需對瀝青的各項性能進行改良研究，關于瀝青性能改善的研究，選擇合適的摻合料進行瀝青改性是目前常見的研究方向。學者關于摻合料的選擇與適用做了大量研究工作，李鄭[3]提出用多聚磷酸與橡膠粉改性西藏地區的路用瀝青，董大偉[4]提出廢輪胎橡膠粉改善高黏性瀝青的性能，張明祥[5]提出用納米氧化鋅進行瀝青的抗老化改性。不同摻合料對瀝青的特定性能具有不同的影響，蒙脫土作為改善瀝青性能的常見材料，廣泛用于各種瀝青道路。蒙脫土是黏土礦物的一種，圍觀下表現為層狀的結構，在瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以使瀝青中的瀝青質分布更均勻，瀝青混合料中的氣孔減小[6]。肖新顏[7]用蒙脫土改善廢料瀝青的抗氧化和高溫穩定性，李勝杰[8]用蒙脫土改善再生橡膠瀝青的熱穩定性。邢利霞[9]提出了蒙脫土SBS 改性瀝青的制備方式及其性能研究。從上述研究可以發現蒙脫土可以明顯改善瀝青的性能，尤其是抗氧化穩定性。

SBS 改性瀝青具有良好的高溫穩定性，但在強紫外線開裂上出現了性能瓶頸，強紫外線引起的道路瀝青開裂在西藏很常見，因此，改善SBS 瀝青的紫外線老化開裂問題顯得非常有必要。紫外線會促使瀝青膠體發生氧化聚合反應生成瀝青質，活性降低，流動性變差，從而導致道路瀝青混合料發生脆性破壞[10]。時林軍[11]、何東坡[12]做了基于納米TiO2還原性改善瀝青的抗紫外線老化性能。

要解決瀝青的紫外線老化問題就必須使瀝青具備較強抗氧化性能。蒙脫土作為良好的抗氧化劑且價格便宜，因此將其用于改善SBS 瀝青的抗紫外線老化性能具有廣泛的前景。本文通過分析強紫外線下不同蒙脫土摻量的SBS 瀝青的三大指標變化來評估強紫外線對其老化的影響，為蒙脫土在西藏瀝青道路上的工程應用提供依據。

1 試驗過程

1.1 試驗原材料

基質瀝青采用的是西藏道路瀝青常用的中海油A-90#瀝青，SBS 采用的是西安石化4402，蒙脫土采用的是江蘇雨潤公司PGN 型號。具體性能參數見表1-3。

1.2 試驗材料制備

（1）材料配合比

將基質瀝青，SBS，蒙脫土按照一定的比例進行混合，得到混合后的瀝青如表4：

表1 基質瀝青性能參數

表2 SBS 性能參數

表3 蒙脫土性能參數

表4 瀝青各材料的質量

（2）混合瀝青制備

取 2500 基質瀝青分成五份并對其按 A、B、C、D、E 進行編號。將基質瀝青放入烘箱加熱至180℃熔融狀態后迅速加入5%的SBS，用玻璃棒順時針攪拌15min，混合成SBS 瀝青。SBS 瀝青冷卻24h 后再進行蒙脫土的摻量配合比。將冷卻完的SBS 瀝青放入烘箱中加熱至140℃熔融狀態，對B、C、D、E 四組瀝青分別加入1%、2%、3%、4%的蒙脫土，用玻璃棒攪拌15min，冷卻24 小時后進行其他試驗。

1.3 試驗步驟

瀝青三大指標作為瀝青基本性能的主要參數，一直備受工程人員重視。在研究判斷老化程度上，常用瀝青三大指標針入度、軟化點、延度進行判別。本文也以三大指標變化作為其老化的依據，具體試驗步驟如下：（1）對初始的5 組瀝青材料進行三大指標試驗；（2）將5 組瀝青置于烘箱后，加熱至熔融狀態，然后攤平在30cm×30cm 的矩形槽內；（3）選取500W 的高壓紫外線燈作為照明光源，將攤鋪好的瀝青冷卻后置于紫外線燈下；（4）分別在紫外線照射24h、48h、72h 時測試各組瀝青的三大指標。

2 試驗結果分析

2.1 初始狀態

初始狀態的各組瀝青，進行三大指標測試，測得數據如表5：

表5 各組瀝青的三大指標

由各組瀝青的初始三大指標和增量變化可知，隨著蒙脫土摻量的增加軟化點上升，針入度減小，延度降低。加入1%的蒙脫土后，瀝青的三大指標特性發生變化最大，繼續增加蒙脫土，三大指標繼續變化但變化幅度開始減小?？梢?，蒙脫土可以增加瀝青的黏性，阻止瀝青內部物質的自由流動，但隨著蒙脫土的增加，這種阻礙作用的增量慢慢減小。因此，適量的蒙脫土可以迅速提高瀝青的內部穩定性，繼續增加效果就會越來越不明顯。

圖1 初始狀態三大指標變化量

2.2 紫外線下瀝青三大指標變化

瀝青老化的影響因素很多，在紫外線下的老化是瀝青在光催化作用下發生的氧化聚合反應，生成硬化后的聚合物，使得瀝青的脆性增加，抗裂性降低。隨著瀝青的老化程度增加，瀝青的三大指標軟化點上升，針入度減小，延度降低。為了更好地說明蒙脫土對老化的影響，采用摻量后的三大指標變化量作為分析指標，變化量為各天指標中B、C、D、E 四組與A 組的差值取絕對值為降低量，即可得到不同摻量蒙脫土瀝青與無蒙脫土瀝青的對比情況。具體數據處理如圖2-圖4。

圖2 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土時軟化點變化的降低量。軟化點是評價瀝青老化的重要指標，軟化點變化越小說明老化速度越慢，瀝青的抗老化性能越好。紫外線會促使瀝青發生老化，照射時間越長，老化越明顯。由圖中軟化點降低量可知，各組的瀝青軟化點在紫外線照射下每天都在增加，但摻蒙脫土瀝青的降低量也在增加。其中摻量在2%以內時，軟化點降低速度最快，超過2%后軟化點降低量開始減緩。由此可知，蒙脫土摻量2%以內時，瀝青的抗老化效果增長較快，超出這個值漸漸減小。從紫外線照射天數的軟化增量對比可以看出，照射時間越長，老化越快，蒙脫土含量越高抗老化越明顯。

圖2 不同紫外線時長下的軟化點降低量

圖3 不同紫外線時長下的針入度降低量

圖3 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土時針入度變化的降低量。針入度評價的是瀝青的軟硬程度，對其值影響最大的是瀝青質，瀝青質含量越高針入度越小。在紫外線照射下，瀝青中的瀝青質會增加，從而使得針入度減小。由圖3 可知，蒙脫土含量越高，針入度降低越明顯，在摻量2%以內時，針入度的降低量變化最快，再繼續增加蒙脫土，針入度降低量基本維持穩定。在紫外線照射下，隨蒙脫土增加，針入度穩定減小，針入度降幅差值比較穩定。由此可知，蒙脫土越多瀝青抗氧化性能越好，摻量為1%～2%以內時，瀝青的抗氧化性效果增長最快，瀝青質增長最慢，隨著紫外線照射時間的延長，瀝青中瀝青質的數量逐漸趨于穩定，而蒙脫土有助于瀝青質的穩定，摻量為2%時穩定最好，超過3%以后，隨著摻量增加漸漸抗氧化效果趨于穩定。

圖4 不同紫外線時長下的延度降低量

圖4 為紫外線下1d、2d、3d 下不同蒙脫土摻量的各組瀝青與無蒙脫土時延度變化的降低量。延度是評價瀝青延展性的指標，對其值影響最大的是膠質。膠質可以提高瀝青的流變性能，也即增加塑性和粘附力。在紫外線下，膠質會發生聚合反應生成瀝青質，從而使得其流動性變差，延度變小。由圖4 可知，蒙脫土越多瀝青的延度變化的降低量越大。在蒙脫土摻量為2%時是蒙脫土的最適經濟比，在不同紫外線照射天數下，不同蒙脫土摻量瀝青的延度變化降低量的變化幅度維持穩定。由此可知，蒙脫土摻量為2%時，瀝青膠質氧化增長最慢，而紫外線照射時間不會引起膠質的劇烈變化，因此蒙脫土可以使得瀝青膠質在紫外線下穩定減少，摻量2%時，膠質減少速度最慢。

3 結束語

本文講述SBS 在不同摻量蒙脫土下，經過紫外線照射的三大指標測試試驗，通過對各組瀝青三大指標的變化量，從而評估蒙脫土對瀝青抗老化的作用。根據試驗數據可以得出如下結論：

（1）蒙脫土通過減小瀝青內部的擴散運動，來提高瀝青的黏性。蒙脫土摻量越高，黏性越大。隨著蒙脫土摻量的增加，三大指標值的增量在不斷減小。蒙脫土可以固定瀝青質，防止膠質氧化為瀝青質，減緩老化。

（2）瀝青中加入適當的蒙脫土可以降低瀝青在紫外線下的老化速度，其中蒙脫土的摻量為2%時，瀝青的軟化點增量變化最小，抗老化性能最好。蒙脫土的增加可以減緩瀝青在紫外線下的硬化，蒙脫土摻量越高效果越好，在摻量為2%時，針入度和延度增量減緩最明顯，超過2%后也在減緩，但幅度小很多。

（3）不同紫外線照射時間對不同摻量蒙脫土三大指標影響不同，對軟化點和針入度的影響較明顯，紫外線照射初期，兩者變化快，后期變化慢，而對延度，紫外線照射過程中，其值的變化比較穩定沒有明顯波動。因此，在西藏常見的SBS 瀝青中摻入一定量的蒙脫土可以有效改善紫外線對其性能的影響，蒙脫土越多，效果越好，但超過2%后抗老化性能增量越不明顯。因此，在設計瀝青道路時，瀝青中的蒙脫土應該高于2%，但高出的值不宜過大，以免浪費材料。