SBS/納米Al2O3 復(fù)合改性瀝青性能研究

李增杰，張 奐，侯小路

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.青島市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 青島 266000）

引言

目前，為了提高路面的使用性能，大量研究表明聚合物對(duì)瀝青的高溫性能提升最顯著［1］，如SBS、SBR、橡膠等［2］。聚合物與瀝青的相容性較差，在高溫下聚合物容易與瀝青產(chǎn)生離析，使瀝青性能降低。納米材料作為新興材料受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，它可以改善聚合物與瀝青相容性不足的缺陷，并開(kāi)始利用納米材料與聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性［3］。納米Al2O3廣泛應(yīng)用于各種塑料、橡膠、耐火材料的產(chǎn)品增強(qiáng)增韌，特別是對(duì)材料的耐磨性與韌性有極大的提升，但將納米Al2O3作為瀝青改性劑的研究較少。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS 改性瀝青

選用的SBS 改性瀝青，聚合物摻量為4%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的試驗(yàn)方法，測(cè)試各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，試驗(yàn)測(cè)得的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。

表1 SBS 改性瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 納米Al2O3

選取的納米Al2O3具有耐高溫、硬度高、良好的絕緣性能等特點(diǎn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 納米Al2O3 性能指標(biāo)

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

（1）將SBS 改性瀝青放入160 ℃的烘箱中預(yù)熱3 h，保證其具有良好的流動(dòng)性。（2）使用高速剪切儀制備SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青，納米Al2O3的摻量為SBS 改性瀝青質(zhì)量的1%、2%、3%、4%、5%，剪切速率為3 000 r/min，剪切時(shí)間1 h。為了保證試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，對(duì)SBS 改性瀝青進(jìn)行相同條件的高速剪切處理。將制備的SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青進(jìn)行RTFOT 短期老化和PAV 長(zhǎng)期老化，并分別用于DSR、BBR 流變?cè)囼?yàn)。

1.3 試驗(yàn)流程

對(duì)制備的五種SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，包括針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、5 ℃延度試驗(yàn)。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）進(jìn)行溫度掃描、多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)。對(duì)于老化后的瀝青制作瀝青小梁，通過(guò)彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)測(cè)得的勁度模量和蠕變速率來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能。以上試驗(yàn)平行試驗(yàn)均為三組，取其平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 針入度試驗(yàn)

對(duì)制備的5 種SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青和SBS 改性瀝青在25 ℃的水浴中保溫3 h 后，進(jìn)行針入度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 針入度試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)Al2O3摻量由0%提高到4%時(shí)，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸降低；對(duì)于Al2O3摻量為5%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的針入度有所增加。當(dāng)Al2O3摻量為1%、2%、3%、4%、5% 時(shí)，與SBS 改性瀝青相比針入度變化幅度分別為-8%、-10.94%、-17.19%、-23.24%、-19.73%。試驗(yàn)結(jié)果表明，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青有較低的針入度值，說(shuō)明納米Al2O3對(duì)SBS 改性瀝青有顯著的硬化作用，納米材料使SBS 改性瀝青的剛度增加，使其在荷載作用下更不容易受到破壞。

2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

隨著納米Al2O3摻量的增加，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸增加。當(dāng)Al2O3摻量為1%、2%、3%、4%、5%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)分別為67.4 ℃、72.6 ℃、76.3 ℃、81.7 ℃、82.5 ℃，與SBS 改性瀝青相比增加幅度為8.7%、17.1%、23.06%、31.77%、33.1%。當(dāng)Al2O3的摻量＞4%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)提升不明顯。納米Al2O3的硬化作用也使SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)有所提升，主要是由于納米材料具有高表面能，能增加吸收瀝青組分的能力。軟化點(diǎn)的提高表明瀝青結(jié)合料的溫度敏感性降低、高溫性能有所提升。針入度與軟化點(diǎn)的變化，共同說(shuō)明納米Al2O3可以增強(qiáng)瀝青混合料的抗永久變形能力。

2.3 延度試驗(yàn)

對(duì)制備的五種SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青和SBS 改性瀝青在5 ℃的水浴中進(jìn)行延度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，隨著納米Al2O3摻量的增加，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的延度逐漸降低。當(dāng)Al2O3摻量為1%、2%、3%、4%、5%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的延度分別為26.5 cm、25.7 cm、24.2 cm、23.4 cm、21.3 cm，與SBS 改性瀝青相比變化幅度為-5.36%、-8.21%、-13.57%、-16.43%、-23.93%。通過(guò)將SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的延度與Al2O3摻量進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)，Al2O3摻量與延度之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。延度的降低可能是由于納米材料的表面能較強(qiáng)，使瀝青的塑性降低。

圖3 延度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 溫度掃描試驗(yàn)

通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)，以車(chē)轍因子（G*/sinδ）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。通常來(lái)說(shuō)，瀝青的車(chē)轍因子越大，表明瀝青的抗變形能力越好。

圖4 車(chē)轍因子

由圖4 可知，隨著溫度的升高，瀝青的車(chē)轍因子逐漸降低。在SBS 改性瀝青中摻加納米Al2O3后，復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子顯著增強(qiáng)，表明其具有較強(qiáng)的抗永久變形能力。當(dāng)Al2O3摻量為1%、2%、3%、4%、5%時(shí)，復(fù)合改性瀝青在64 ℃時(shí)車(chē)轍因子分別為5.26 kPa、5.67 kPa、6.05 kPa、6.7 kPa、6.98 kPa；與SBS 改性瀝青相比，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子增加幅度為13.12%、21.94%、30.1%、44.09%、50.1%。隨著納米Al2O3摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子逐漸增強(qiáng)。納米材料使SBS 聚合物形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，納米無(wú)機(jī)顆粒導(dǎo)致聚合物的孔隙相互連接，并導(dǎo)致聚合物膨脹，從而使復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子顯著增強(qiáng)。

2.5 多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)

相關(guān)研究表明，較高的蠕變恢復(fù)率和較低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值使瀝青有更加優(yōu)異的高溫抗車(chē)轍能力［4］，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 Al2O3 改性瀝青的Jnr 值、蠕變恢復(fù)率

在相同應(yīng)力水平下，Jnr值隨著納米Al2O3摻量的增加逐漸減小，而蠕變恢復(fù)率逐漸增加。其中，Jnr值表征瀝青塑性變形強(qiáng)度，值越大表征變形越顯著；而蠕變恢復(fù)率的增加表征瀝青的高溫抗變形和變形恢復(fù)能力增強(qiáng)。在0.1 kPa 與3.2 kPa 下，Al2O3摻量為5% 時(shí)，Jnr值分別為1.34 kPa-1、1.52 kPa-1，與SBS 改性瀝青相比降低了35.58%、35.04%；蠕變恢復(fù)率分別為38.51%、25.64%，與SBS 改性瀝青相比增幅為45.92%、62.54%。試驗(yàn)結(jié)果表明納米Al2O3的加入使瀝青的高溫性能有顯著提升，納米材料與瀝青分子之間可以形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以改變?yōu)r青內(nèi)部的應(yīng)力分布，從而改善高溫性能［5］。

2.6 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

按照PG 分級(jí)要求，勁度模量需滿足＜300 MPa、蠕變速率需滿足＞0.3。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 BBR 測(cè)試結(jié)果

BBR 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的降低勁度模量增大，蠕變速率減小。同時(shí)，隨著納米Al2O3摻量的逐漸增加，復(fù)合改性瀝青的蠕變速率先上升再下降，而勁度模量逐漸上升。在-12 ℃時(shí)，SBS 改性瀝青與SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的勁度模量與蠕變速率均滿足規(guī)范要求。但是當(dāng)溫度降至-18 ℃時(shí)，在SBS 改性瀝青中摻加4%的納米Al2O3時(shí)，它的勁度模量為304 MPa、蠕變速率為0.3，低溫流變性能已經(jīng)不滿足要求；當(dāng)摻加5%的納米Al2O3時(shí)，它的勁度模量為320 MPa、蠕變速率為0.274。在-24 ℃時(shí)，SBS 改性瀝青與SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能均不滿足要求。綜上所述，摻加納米Al2O3后會(huì)使復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能降低；當(dāng)納米Al2O3摻量為1%～3%時(shí)，SBS/納米Al2O3復(fù)合改性瀝青的低溫PG 分級(jí)與SBS 改性瀝青一致，均為-18℃。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）納米Al2O3對(duì)SBS 改性瀝青有顯著的硬化作用，納米材料使SBS 改性瀝青的針入度降低、軟化點(diǎn)升高，使其在荷載作用下更不容易受到破壞，表明納米Al2O3可以增強(qiáng)瀝青混合料的抗永久變形能力。隨著Al2O3摻量的增加，延度逐漸降低，兩者之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。延度的降低可能是由于納米材料的表面能較強(qiáng)，使瀝青的塑性降低。（2）納米材料使SBS 聚合物形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，隨著納米Al2O3摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子和蠕變恢復(fù)率逐漸增加，而不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u降低，高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明納米Al2O3的加入使瀝青具有更強(qiáng)的抗永久變形能力。（3）摻加納米Al2O3后會(huì)使SBS 改性瀝青的低溫流變性能降低；當(dāng)納米Al2O3摻量為1%～3%時(shí)，在-18℃時(shí)復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青低溫流變性能一致。