UHMWPE/Nanoclay 對改性瀝青流變性能的影響

孫大勇，趙子雪，王亞平

（1.濟南市交通運輸事業發展中心，山東 濟南 250001；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；3.湖南華城檢測技術有限公司，湖南 長沙 410017）

引言

瀝青作為瀝青混合料組分之一，其流變性和黏彈性影響著瀝青混合料的力學性能。流變學是研究材料由于應力而產生的變形量以及時間對這種變形影響的學科。由于瀝青具有黏彈性行為，其流變參數隨時間和溫度的變化而變化，從而改變其物理性質，如車轍和疲勞開裂［1］。

李鑫和余紅杰［2］研究了納米二氧化硅對瀝青性能等級、車轍和疲勞的影響。納米二氧化硅對瀝青的低溫性能有負面影響。NEJAD 等［3］使用SiO2、TiO2和CaCO3等納米顆粒對瀝青膠黏劑改性，結果表明，納米粒子的加入提高了瀝青的玻璃態轉變溫度和低溫剛度。在中溫條件下，改性瀝青的復數模量增加，相位角降低。BARROS 等［4］在瀝青中加入了納米級氫氧化鈣（水合石灰）和氧化鈣（原生石灰），以提高路面的耐久性和減少永久變形損傷，改善其路用性能。楊騫［5］認為碳納米管可以提高瀝青混合料的抗車轍和抗溫縮裂縫的能力。祝雯霞［6］研究了不同摻量的納米二氧化硅對瀝青的物理和流變性能的影響，納米二氧化硅摻量的增加使瀝青的針入度降低，軟化點增加。

1 試驗材料

采用70#的瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［7］進行不同UHMWPE/ Nanoclay 摻量的改性瀝青及基質瀝青指標試驗，結果見表1。

表1 基質瀝青和改性瀝青的基本性能

2 試驗方法

采用高剪切混合器將瀝青與UHMWPE/ Nanoclay混合。選擇轉速為8 000 rpm，攪拌溫度為160 ℃，攪拌時間為40 min，將UHMWPE/ Nanoclay 與瀝青混合。利用掃描電子顯微鏡（SEM）研究了納米粒子在瀝青中的形貌及其混合方式。圖1 通過電子的集中載荷掃描樣品獲得，在30 kV 電壓下500 倍放大拍攝。納米顆粒的外觀接近球形，顯示了這些納米顆粒的尺寸和外觀。

圖1 UHMWPE/ Nanoclay 改性瀝青掃描電鏡

2.1 RTFO 老化

根據AASHTO T240（T240 2015），對含和不含UHMWPE/Nanoclay 的瀝青在163 ℃溫度下，利用RTFO 老化儀對一層薄薄的可滾動瀝青進行了短期老化測試，模擬瀝青在熱和空氣作用下的老化，老化時間為75 min。

2.2 PAV 老化

根據AASHTO R28（R28 2015），使用壓力老化箱（PAV）對RTFO 老化后的樣品進行長期老化。將試樣置于壓力為2 060 kPa，溫度為110 ℃的儀器中老化20 h。

2.3 動態剪切流變試驗

利用動態剪切流變儀（DSR）試驗研究了瀝青的黏彈性特性。瀝青的流變性能主要用于檢測基質瀝青和改性瀝青混合料在未老化和短期老化下的車轍性能。利用車轍因子對瀝青混合料的流變性能進行了研究。對短期老化的樣品采用直徑為25 mm、厚度為1 mm 的平行板，PAV 老化的樣品采用直徑為8 mm、厚度為2 mm 的平行板。此外，在58～76 ℃和16～22 ℃用RTFO 和PAV 老化的樣品也進行了測試。

BBR 試驗用來測量瀝青在極低溫下的剛度。采用工程梁理論，對瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的剛度進行測量。用BBR 計算了兩個參數，蠕變柔量反映了瀝青抵抗恒定荷載的能力；m 值反映了瀝青剛度隨荷載作用變化的量。此外，利用BBR 對加入和不加入UHMWPE/Nanoclay 的瀝青在低溫下的流變性能進行了評價。

3 測試結果

3.1 DSR 測試結果

未老化和RTFO 的老化瀝青的車轍系數（G*/sinδ）應至少為1 kPa 和2.2 kPa。見圖2、圖3，改性瀝青與基質瀝青相比，車轍系數較大（58～76 ℃）。車轍系數較大，表明改性瀝青對永久變形的敏感性較小。

圖2 RTFO 未老化改性、未改性瀝青的車轍因子

圖3 RTFO 老化改性、未改性瀝青的車轍因子

當對PAV 老化的瀝青試樣的DSR 試驗結果進行分析時，引入疲勞因子G*sinδ作為評價瀝青低溫抗裂性的指標。從抗疲勞開裂的角度，疲勞系數越低越好且疲勞因子應≯5 000 kPa。測量在16 ℃、19 ℃和22 ℃的溫度下的改性瀝青和基質瀝青疲勞因子值，結果見圖4。

圖4 PAV 老化改性、未改性瀝青的疲勞因子

由圖4 可知，與基質瀝青相比，UHMWPE/Nanoclay改性瀝青具有更低的疲勞系數（2%、4%和6%摻量的改性瀝青）。可以預測含有UHMWPE/Nanoclay 改性瀝青的瀝青混合料比基質瀝青混合料具有較長的疲勞壽命。此外，在16 ℃的溫度下，4%和6%摻量的UHMWPE/Nanoclay 能夠使瀝青的使用等級提高一級。

3.2 BBR 測試結果

BBR 試驗溫度為-6～ -18 ℃，見圖5、圖6。瀝青在低溫下的最大可接受蠕變柔量為300 MPa。

由圖5 可知，當基質瀝青測試溫度為-12 ℃時滿足蠕變柔量＜300 MPa 的要求，因此基質瀝青工作溫度在-22 ℃以上。然而，當UHMWPE/Nanoclay 摻量為4%和6%時，改性瀝青在-18 ℃溫度下的蠕變柔量仍小于300 MPa，表明瀝青的功能溫度提高到-28 ℃。此外，改性瀝青在所有溫度下的蠕變剛度因子均小于基質瀝青。由圖6 可知，m 值表示蠕變剛度S（t）隨加載時間的變化率。在60 s 內測量的m值應≥0.3，否則蠕變剛度會隨著溫度的變化而迅速變化。這些蠕變剛度的快速變化會導致瀝青中應力的積累。圖6 中改性后的瀝青與基質瀝青相比，表現出更大的m 值。結果表明，UHMWPE/Nanoclay 能夠在較低溫度下改善瀝青的性能。

圖5 改性瀝青、未改性瀝青的蠕變柔量

圖6 改性瀝青、未改性瀝青的m 值

4 結語

研究UHMWPE/Nanoclay 改性劑對瀝青黏彈性能的影響，用DSR 評價其車轍和疲勞性能，并用BBR 評價其在低溫下的性能。與基質瀝青相比，UHMWPE/Nanoclay 改性瀝青具有更高的軟化點、更好的延度和更低的針入度。UHMWPE/Nanoclay 增加了瀝青的車轍因子，可以降低改性瀝青混合料在高溫下的車轍；改善了改性瀝青的疲勞性能，可以延遲摻有改性瀝青的混合料出現疲勞裂紋的時間。同時，根據低溫流變參數蠕變柔量和m 值，改性瀝青的低溫抗裂性能優于基質瀝青。