納米黏土與溫拌劑對改性瀝青流變特性的影響

常 哲

（河南省公路工程監理咨詢有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

瀝青改性技術作為改變瀝青品質的直接方法，能夠有效提高瀝青的抗變形性能、抗疲勞性能以及抗裂性能。近年來，國內外學者在瀝青改性方面進行了不少研究，總結出與未改性基質瀝青相比，通過遴選合適的改性劑及摻量，加入改性劑會提高其物理性能和流變性能，但從工程應用角度而言，理想的改性劑應使瀝青具有良好的高溫、低溫及水穩定等綜合性能，同時也應具有良好的儲存穩定性以滿足運輸儲存需要。

溫拌技術由于其降黏作用可增強瀝青混合料的和易性、提升瀝青路面施工質量，以及降低拌合站燃料消耗等優點得到了廣泛應用。納米黏土可以通過合適的表面改性，使其具備降黏特性，考慮到現階段研究采用的納米黏土種類繁雜，且表面改性工藝不盡相同，故需對瀝青改性效果進一步研究。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

（1）瀝青。采用PG 分級為PG64-28 的70#基質瀝青，其主要技術指標均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的要求。（2）改性劑。①納米黏土N1（35%～45%二甲基二烷基銨（C14-C18）表面改性處理的灰白色粉狀蒙脫土，溶于水）；②納米黏土N2（35%～45%硬脂酰胺與0.5%～5.0%氨基丙基三乙氧基硅烷表面改性的灰白色粉狀蒙脫土，溶于水）；③RH 溫拌劑（棕色液體，不溶于水）。

1.2 試驗設計

試驗以基質瀝青為參照組，設計了三種不同改性劑（常用RH 溫拌劑和兩種表面改性納米黏土N1、N2）制備的改性瀝青，其中溫拌瀝青的摻量為1%、2%、3%、4%，納米黏土改性瀝青N1 和N2 的摻量均為3%、4%、5%，并分別對其流變性能進行對比分析。試驗瀝青制備首先將基質瀝青進行加熱，待其熔融至158～168 ℃時備用，然后將三種改性劑按設計摻量分別加入熔融瀝青中，同時采用高速剪切機剪切混合300～600 s，剪切速率為2 000 r/min，最后依次對其開展流變特性測試。

1.3 試驗方法

動態剪切流變儀（DSR）采用應力控制方式測定基質瀝青及三種改性瀝青的流變特性。測試溫度范圍為18～85 ℃（水浴加熱），加載頻率為1.59 Hz（10 rad/s）。采用車轍因子G*/sinδ、疲勞因子G*·sinδ以及PG 分級破壞溫度進行高溫、疲勞等性能表征。其中車轍因子試驗試樣直徑為25 mm、測試板間隙為1 mm。疲勞因子試驗試樣直徑為8 mm、測試板間隙為2 mm。

為模擬施工作業期間發生的短期老化，以及鋪筑完成后繼續發生的長期老化，分別采用旋轉薄膜烘箱試驗（RTFOT）、壓力老化試驗（PAV）兩種老化方式進行模擬，并制備兩種老化處理后試樣。采用彎曲梁流變儀（BBR）蠕變試驗對瀝青的低溫勁度和松弛性能進行評價，瀝青試樣尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm。測定8 s、15 s、30 s、60 s、120 s、240 s 時的撓度，并計算瀝青蠕變勁度和蠕變速率。其中，蠕變速率為加載60 s 時瀝青試樣勁度變化速率，可由蠕變勁度-時間雙對數坐標斜率得到。

2 流變特性結果

2.1 車轍因子

在Superpave 規范中，車轍因子可有效表征瀝青高溫穩定性，車轍因子越大，抗高溫性能越好。對各摻量改性瀝青進行未老化與短期老化（RTFOT）車轍因子測試，測試溫度為64 ℃，試驗結果見圖1。

圖1 車轍因子測試結果

根據圖1 可知，對比老化前后瀝青試樣，不同改性劑車轍因子大小關系、改性瀝青車轍因子隨摻量變化規律相似。（1）車轍因子大小順序。納米黏土N1 改性瀝青＞納米黏土N2 改性瀝青＞基質瀝青＞RH 溫拌瀝青。（2）隨改性劑摻量變化規律。兩種納米黏土改性瀝青均隨改性劑摻量會增加而增大，溫拌瀝青隨溫拌劑摻量增大而減小。（3）根據SHRP 試驗規程要求，在64 ℃條件下，瀝青車轍因子應滿足：老化前≥1.0 kPa、老化（RTFOT）后≥2.2 kPa。基于這兩種條件，所有改性瀝青試樣在選定測試溫度下均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）要求。

2.2 失效溫度

車轍因子試驗結果分析顯示，改性劑對瀝青高溫性能具有一定影響。為進一步量化分析，采用溫度掃描進行車轍因子測試，并將各試樣失效溫度（老化前車轍因子＜1.0 kPa、短期老化后車轍因子＜2.2 kPa 對應臨界溫度）測試結果見圖2。

圖2 高溫失效溫度測試結果

根據PG 分級劃分標準，每6 ℃為一劃分步長，各試樣PG 分級高溫溫度等級見表4。

表4 各試樣PG 分級對應高溫溫度等級

由表4 可知，高溫時效溫度與前述車轍因子變化規律一致。整體而言，納米黏土改性劑可提高瀝青PG 分級高溫溫度等級，由64 ℃提高至70 ℃。而RH 溫拌瀝青車轍因子雖然隨著溫拌劑摻量增大有所降低，但其仍與基質瀝青保持相同的PG 分級高溫溫度等級。

2.3 疲勞因子

根據SHRP 研究成果，瀝青疲勞因子越小，表明瀝青疲勞抗裂性能越好。按照測試要求，采用DSR 測定短期老化（RTFOT）與長期老化（PAV）后各試樣在25 ℃下疲勞因子，測試結果見圖3。

圖3 各試樣疲勞因子測試結果

隨著改性劑摻量增大，RH 溫拌瀝青疲勞因子逐漸減小，而兩種納米黏土改性瀝青疲勞因子則逐漸增大。但當納米黏土N2 改性劑摻量≤4%時，其疲勞因子仍小于基質瀝青。表明溫拌劑及4%以內納米黏土N2 改性劑降低了瀝青疲勞因子，預期對應改性瀝青具有更好的疲勞抗裂性能。這可能是由于溫拌劑和納米黏土N2 改性劑與基質瀝青發生化學反應的結果，改性劑使瀝青硬度降低，彈性增加。

2.4 低溫抗裂性

按照方案對各試樣進行彎曲量流變儀（BBR）試驗，結果見圖4。

圖4 BBR 測試結果

由圖4 可知，隨著改性劑摻量增大，RH 溫拌瀝青、納米黏土N2 改性瀝青蠕變勁度逐漸增大、m 值逐漸減小，納米黏土N1 改性瀝青呈現相反的變化規律。根據Superpave 規范，在試驗溫度下，蠕變勁度應≤300 MPa，蠕變速率值應≥0.300。因此，蠕變勁度的減小瀝青受到拉應力減小，可降低低溫開裂風險。對比發現，加入改性劑后，所有試樣蠕變勁度均增大、蠕變速率值均減小。除3%、4%溫拌瀝青、5%納米黏土改性瀝青外，其它改性瀝青試樣均滿足Superpave 規范要求。綜合分析表明，溫拌劑與納米黏土對瀝青低溫抗裂性能具有一定不利影響。

3 結語

（1）兩種納米黏土顯著提高了瀝青車轍因子、失效溫度，而RH 溫拌劑則降低了上述指標，但其PG 分級仍與基質瀝青保持一致。（2）RH 溫拌劑與納米黏土N2 降低了瀝青車疲勞因子，納米黏土N1提高了瀝青疲勞因子，表明溫拌劑與納米黏土N2改性瀝青具有良好的中溫疲勞抗裂性能。（3）三種改性劑提高了瀝青勁度、降低了蠕變速率值，表明改性劑均降低了瀝青低溫抗裂性能，但降低幅度有限。