納米蒙脫土改性瀝青路用性能分析

王艷軍， 高大鵬， 房孝豐

（1.吉林省交通規劃設計院，長春 130021；2.吉林省彩虹人才開發咨詢服務有限公司，長春 130021）

0 引言

改性瀝青作為現代高等級公路瀝青路面混凝土的重要組成部分，對于防止重交通荷載和惡劣自然環境下瀝青路面的早期損害具有重要的意義［1，2］。目前國內外常用的改性瀝青包括聚合物改性和無機填料改性兩種。其中聚合物改性瀝青包括橡膠類、熱塑性橡膠類和樹脂類改性瀝青，應用最為廣泛［3］，但也存在聚合物改性瀝青易發生離析、改性劑原材料與改性工藝造價高等缺點。近年來，無機填料類改性劑，如納米材料（納米二氧化鈦，納米蒙脫土，納米碳酸鈣等）、炭黑、鎢酸鋯、超細火山灰等由于具有比表面積大且具有各種熱物力學特性，開始被用以對瀝青進行改性，以改善瀝青的物理力學及耐老化性能［4］。其中由于具有優異的抗車轍和抗老化性能，納米蒙脫土近年來開始成為國內外填料型改性瀝青的研究重點和熱點。蒙脫土是一種硅酸鹽的天然礦物，主要礦物成分包括Al2O3、MgO和SiO2，屬于膨脹型三層狀薄片結構［5］。孫思萌等［6］通過瀝青單質基本試驗和動態剪切流變（DSR）試驗確定，單質中加入納米蒙脫土會使瀝青的高溫性能得到明顯改善。國外學者Schmets等［7］研究發現因蒙脫土具有特殊的片層結構，當將其加入瀝青結合料后，對外界環境的光熱水等都具有較好的阻隔作用，此外國內學者有研究表明，加入的片層納米蒙脫土還可以在一定程度上阻止微裂紋在瀝青及瀝青混合料中的擴展，因此納米蒙脫土改性瀝青顯示出優異的抗高溫變形、抗疲勞開裂和耐環境老化性能［8-10］。然而，目前針對納米蒙脫土改性瀝青的研究仍偏向于混合料性能驗證，即通過分析混合料物理力學性能指標的變化來驗證路用性能，但對于納米蒙脫土改性瀝青的高低溫流變性能研究仍較少。因此針對這一問題，文中采用動態剪切流變儀和彎曲梁流變儀，對納米蒙脫土改性瀝青的基本物理力學性能和在高低溫范圍內的模量參數和流變性能開展了試驗研究，同時對納米蒙脫土的離析性能進行了驗證，以全面分析納米蒙脫土改性瀝青的使用性能。

1 試驗原材料性質

試驗用瀝青包括盤錦90號基質瀝青，具體技術指標見表1。

表1 瀝青技術指標測試結果

文中所用的改性填料為浙江某公司生產的DK-3型納米蒙脫土，該納米蒙脫土的基本技術指標見表2。

表2 納米蒙脫土技術指標

2 試驗方法

2.1 納米蒙脫土改性瀝青的制備

納米蒙脫土改性瀝青的制作工藝過程如下：

（1） 將90號基質瀝青155℃加熱至流動狀態，保溫備用。將納米蒙脫土在105℃條件下，烘干至質量恒定備用。按照占瀝青質量的0%、1%、2%、3%、4%和5%準備納米蒙脫土試樣。

（2） 為了拌合均勻，每次拌合質量不應過多。每次稱取300g瀝青與相應比例的納米蒙脫土進行拌和。拌和時使用高速剪切拌和機，拌合速率由慢到快（首先2000rpm攪拌20min，然后5000rpm攪拌80min），盡量避免攪拌過程中的有氧老化。攪拌完成時應保證瀝青表面無氣泡、結團和沉淀，即制得納米蒙脫土改性瀝青。

2.2 納米蒙脫土改性瀝青的試驗方法

（1） 常規物理力學性能試驗：對摻加不同比例質量納米蒙脫土的改性瀝青，按照規范要求開展了針入度（15、25、30℃）、軟化點和延度試驗。

（2） 粘度試驗：粘度是確定改性瀝青的制備、運輸、拌和、攤鋪和碾壓適宜溫度的重要指標。文中采用布式旋轉粘度儀測試了不同溫度和不同比例下納米蒙脫土改性瀝青的旋轉粘度。

（3） 動態剪切流變試驗：采用DSR設備，對不同使用比例的納米蒙脫土改性瀝青進行了動態剪切流變試驗，按照時溫等效準則得到了對應溫度的動態剪切模量主曲線。

（4） 低溫蠕變試驗：采用BBR彎曲梁蠕變試驗設備，對不同使用比例的納米蒙脫土改性瀝青進行了低溫蠕變試驗，并計算得到了蠕變柔量、松弛模量變化規律。

（5） 抗離析試驗：針對納米蒙脫土改性瀝青，開展了其抗離析性能的室內試驗，以不同部位的軟化點和粘度表征其抗離析特性。

3 試驗結果與分析

3.1 納米蒙脫土改性瀝青常規物理力學性能

對摻配不同比例的納米蒙脫土改性瀝青進行了三大指標試驗，試驗結果如圖1～圖3。圖中MMT代表納米蒙脫土。

圖1 不同摻量下瀝青物理力學性能變化規律

圖1（a）為不同溫度和不同摻量納米蒙脫土改性瀝青的針入度，可以看到在不同溫度下，隨著納米蒙脫土含量的增加，針入度都先逐漸降低，到3%摻量達到最低值，再緩慢有所上升。根據不同溫度下的針入度值，即可按照下式計算針入度指數。

式中，A為瀝青針入度對數與溫度進行線性回歸的直線斜率。

由圖1（b）針入度指數變化規律可以看到，加入納米蒙脫土后，改性瀝青針入度指數均大于-1.0，滿足最小PI值的要求。綜合針入度及針入度指數變化規律，摻入納米蒙脫土將使瀝青逐漸變硬，但納米蒙脫土與瀝青之間的物化反應存在一定限值，即添加超過一定比例（3%）的納米蒙脫土后，多余的蒙脫土較少再與瀝青反應，因此導致針入度和針入度指數變化較小。

圖1（c）、圖1（d）軟化點和延度的變化規律與針入度類似，隨著納米蒙脫土摻量的增加，瀝青逐漸變得更粘稠，表現為軟化點增大，而延度降低。當超過一定比例（3%）后，多余的蒙脫土較少與瀝青發生反應，表現為軟化點和延度變化不明顯。

3.2 納米蒙脫土改性瀝青的粘度

對摻配不同比例納米蒙脫土的改性瀝青，采用布式旋轉粘度計進行了不同溫度下的粘度試驗，結果見圖2。

圖2 不同溫度和納米蒙脫土摻量下的瀝青粘度

可以看到，隨著納米蒙脫土摻配比例的增加，瀝青的粘度逐漸增大。隨著測試溫度的提高，納米蒙脫土對瀝青粘度的影響顯得更為顯著。因此納米蒙脫土的摻入盡管在一定程度上不利于拌和和壓實，但將有助于提高瀝青及瀝青混凝土高溫下的抗變形能力。

3.3 納米蒙脫土改性瀝青的動態剪切復合模量及其主曲線

對摻配不同比例納米蒙脫土的改性瀝青，采用動態剪切流變儀DSR進行了不同溫度及不同測試頻率下的動態剪切流變試驗。經測試瀝青的線粘彈性區，最后動態剪切試驗中選擇最大剪切應變為1.0%。測試溫度包括5、10、15、20、25、30、35、40℃這8種溫度，測試加載頻率由0.1～60Hz，在得到不同加載溫度和頻率下的復合模量后，采用sigmoidal函數模型進行轉化得到其模量主曲線，其函數形式為：

式中，a、b、c、d為模型參數；G*為瀝青動態剪切模量，MPa；f為修正頻率，Hz，lgf=aTlgf0；f0為對應每種溫度下的試驗頻率，Hz；aT為移位因子。

不同加載溫度和頻率下未改性瀝青的復合模量及其在20℃下的模量主曲線見圖3。由圖3可知，加載頻率與溫度存在等效關系，高溫與低加載頻率都將減小測得瀝青試樣的復合模量。按照時溫等效準則，可以將不同溫度和加載頻率下的復合模量值通過沿頻率或溫度坐標軸左右移動，即可得到某一溫度或頻率下的復合模量主曲線。按照同樣的擬合方式，對摻配不同比例納米蒙脫土的改性瀝青進行了動剪切模量測試，并得到了相應的主曲線，結果如圖4所示。

圖3 不同測試溫度和加載頻率下的復合模量

圖4 不同摻量改性瀝青的動態剪切復合模量

由圖4可以看到，隨著納米蒙脫土摻配比例的增加，改性瀝青的復合模量有明顯的提高。因此，納米蒙脫土的摻入將可以有效提高瀝青及其混合料的抗高溫變形能力。表3為按照sigmoidal函數模型擬合的模型參數。表4為在擬合復合模量主曲線時各個溫度數據的移位因子。

表3 sigmoidal函數模型參數

表4 不同比例納米蒙脫土改性瀝青的移位因子

材料的移位因子和模型擬合參數實際上反映了其基本的粘彈特性，由于納米蒙脫土改性瀝青中的納米蒙脫土僅占較少比例，瀝青對于改性后瀝青的粘彈特性有重要的影響。

3.4 納米蒙脫土改性瀝青的低溫松弛特性

采用彎曲梁流變儀BBR，對摻配不同比例納米蒙脫土的改性瀝青在不同溫度下開展了低溫蠕變試驗，根據測得的小梁彎曲變形即可計算某一測試時間點材料的蠕變勁度模量S（t）和蠕變速率m值。對于瀝青基材料，勁度模量是溫度和時間的函數，已有研究顯示，材料的松弛特性是影響材料低溫性能的主要因素，因此明確材料的松弛模量對于研究材料的低溫性能有重要價值。由于松弛試驗較難實現，文中通過低溫蠕變試驗得到不同溫度的蠕變勁度曲線，進而得到其倒數蠕變柔量J（t），同樣采用sigmoidal模型建立蠕變柔量某一溫度下的模量主曲線。進而，采用式（3）、式（4）將蠕變柔量轉為松弛模量，從而得到松弛模量主曲線。

式中，J（t）為蠕變柔量，MPa-1；t為時間，s；n為權值；a為冪指數系數；E（t）為松弛模量，MPa。

研究測試的低溫包括-6、-12、-18、-24℃，測得蠕變勁度模量隨加載時間的變化曲線后，轉化為蠕變柔量主曲線，在-18℃下的不同摻量納米蒙脫土改性瀝青數據見圖5。同時通過計算蠕變勁度模量的對數與時間對數曲線的斜率的絕對值，可得到蠕變速率值m，在-18℃時不同加載時間點的m值可見圖6。由圖5、圖6可知，隨著納米蒙脫土摻量的增加，改性瀝青在低溫時具有更大的變形能力和應力松弛性能，因此可以據此預測納米蒙脫土的添加可以在一定程度上提高瀝青的低溫抗裂性能。

圖5 納米蒙脫土改性瀝青蠕變柔量主曲線（-18℃）

圖6 不同加載時長下的m值（-18℃）

同時，按照式（3）、式（4）可以計算得到納米蒙脫土改性瀝青的松弛模量，文中以-18℃下的數據為例，如圖7所示，隨著納米蒙脫土摻配比例的增加，改性瀝青具有更小的低溫松弛模量，也說明低溫下抗開裂性能更佳。

圖7 納米蒙脫土改性瀝青松弛模量主曲線（-18℃）

綜合以上高低溫性能評價，摻配納米蒙脫土可以在一定程度上同時提高瀝青的高低溫性能。分析其原因，由于其片層結構特征，當外界環境溫度變化時，納米蒙脫土首先可以減弱溫度對于改性瀝青整體性能的影響程度，其次片層狀結構也可以對高低溫下改性瀝青自身的變形行為特性產生有效的約束，減弱其溫度敏感性。

3.5 納米蒙脫土改性瀝青的抗離析特性

作為填料型改性劑，納米蒙脫土改性瀝青在攪拌成型、拌和、運輸和攤鋪過程中都可能出現類似于聚合物改性瀝青易出現的離析現象，因此有必要對此進行分析。試驗時參考國外相關研究，采用長20cm、直徑2.5cm的玻璃圓柱，將制備好的不同摻量納米蒙脫土的改性瀝青澆注入玻璃柱，然后放置于163℃烘箱中靜置48h，隨后破碎玻璃柱，取上1/3和下1/3部位的改性瀝青，進行軟化點和135℃粘度試驗，以判別是否出現離析。試驗結果如圖8所示。

圖8 納米蒙脫土改性瀝青抗離析性能

可以看到，在高溫下靜置較長時間后，納米蒙脫土改性瀝青上下部位的結合料性能并沒有明顯差異，這說明只要成型時攪拌均勻，納米蒙脫土與瀝青間有著很好的相容性，在使用過程中并不會出現太嚴重的離析現象。

4 結語

文中采用控制變量法，對納米蒙脫土改性瀝青，在不同摻量及不同溫度下，瀝青的各項使用性能進行研究，主要研究結論如下：

（1） 通過常規物理力學性能及粘度試驗研究，發現了不同摻量及不同溫度下，三大指標及粘度變化規律，證實納米蒙脫土的摻入量要合適比例才能起到最佳改善作用。

（2） 通過動態剪切流變試驗及低溫蠕變試驗，分析了納米蒙脫土在一定程度上同時改善瀝青的高溫抗變形和低溫抗開裂能力的作用機理，得到了動態剪切模量及松弛模量變化規律。

（3） 通過離析性能試驗，證明納米蒙脫土與瀝青之間有著良好的相容性，在使用過程中不易出現明顯的離析現象。