有機坡縷石改性瀝青老化性能及流變性能研究*

尹建偉

(鄭州市公路工程公司，河南鄭州 450000)

坡縷石是一種具鏈層狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，結構屬2：1型粘土礦物。在每個2：1單位結構層中，四面體晶片角頂隔一定距離方向顛倒，形成層鏈狀。具有獨特的分散、耐高溫、抗鹽堿等良好的膠體性質和較高的吸附脫色能力，并具有一定的可塑性及粘結力，由于其獨特的晶體結構，使之具有許多特殊的物化及工藝性能[1-2]。瀝青則是一種成分十分復雜的高分子聚合物，作為膠結材料被廣泛應用于道路工程。然而隨著我國重載交通以及交通量的逐年增加，瀝青路面早期病害層出不窮。瀝青改性已成為道路科研工作者的主要關注點之一。而坡縷石的增稠性、懸浮性、搖融性、觸變性和環保性，具備改性瀝青的基本條件[3]。國內外學者也對坡縷石以及坡縷石改性瀝青進行了初步的研究，如霍成立對坡縷石復合功能材料的應用進行了基礎性研究，吳寅瑞等人對坡縷石在建材領域的應用進行了分析，楊福興對坡縷石的有機改性進行了探討，王有朋、高曉紅等人對坡縷石改性瀝青的性能進行了初步的探討[4-7]。然而常規的坡縷石表面極性羥基使得與非極性的高聚物親和性較差，需要對坡縷石進行有機改性[8]。

基于此，本文針對坡縷石礦物的突出優點，將坡縷石進行有機改性，而后與少量分散劑或穩定劑添加到瀝青中，在高溫條件下混溶制成一種新型改性瀝青，并對有機坡縷石改性瀝青的基本性能、老化性能[9]以及流變性能[10-13]進行系統研究。

1 試驗部分

1.1 原材料

基礎瀝青選用SBS改性瀝青，礦粉選用石灰石礦粉，其技術指標均滿足相關規范的規定，有機坡縷石的主要物化性能指標見表1。

表1 有機坡縷石物化性能指標Table 1 Physical and chemical properties indexes of organic palygorskite

1.2 有機坡縷石及改性瀝青制備方法

1.2.1 有機坡縷石的制備

稱取100g 325目干燥坡縷石粉，倒入80～90 ℃蒸餾水的燒杯中，在磁力攪拌水浴鍋內攪拌，攪拌速度為1000～1200 r/min。攪拌1h后，加入18g十八烷基三甲基氯化銨，維持攪拌溫度和速度繼續攪拌2h。攪拌完成后取出并自然冷卻，采用真空抽濾機將沉淀物反復清洗，直到無殘留試劑為止。將清洗過的沉淀物放入烘箱烘干，即得到有機化坡縷石。

1.2.2 有機坡縷石改性瀝青的制備

將干燥的有機坡縷石粉和適量鈦酸酯偶聯劑（有機坡縷石粉質量的1%～3%）緩慢、分批加入到已經升溫至160±5 ℃的SBS改性瀝青中，采用高速剪切儀，先以1000r/min的轉速攪拌10min，再以4000r/min的轉速攪拌40min，最后為排除高溫時產生的氣泡，再以1000r/min的轉速攪拌10min。

1.3 試驗方法

1.3.1 改性瀝青基本性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的相關操作規定對坡縷石改性瀝青進行了基本性能試驗，主要對不同摻量的坡縷石改性瀝青進行針入度、軟化點及延度試驗，對坡縷石改性瀝青的基本性能進行研究。

1.3.2 改性瀝青抗老化性能

根據JTG E20-2011中T0610方法進行老化試驗。采用旋轉薄膜烘箱進行試驗，對坡縷石改性瀝青的短期老化進行研究。對薄膜老化前后改性瀝青三大指標進行測試比較，分析坡縷石對瀝青抗老化性能的影響。

1.3.3 改性瀝青黏度試驗研究

黏度旨在描述瀝青力學特性隨著溫度和加荷時間的變化規律，通常瀝青材料在一般溫度和荷載作用時表現出復雜的黏彈性質。由于瀝青在加工和施工應用過程中均處于高溫狀態，所以采用JTG E20-2011的瀝青旋轉黏度試驗方法（T0625）測試在135℃時不同摻量的坡縷石對SBS改性瀝青黏度的影響。

1.3.4 改性瀝青低溫流變性能研究

為系統研究無機微粉坡縷石與SBS改性瀝青物理混溶后，對其低溫性能的影響，在低溫延度的基礎上對坡縷石改性瀝青混合料進行低溫流變性能研究。低彎曲梁流變儀（BBR）是美國SHRP計劃中提出的評價瀝青膠漿低溫流變性能的試驗儀器。低溫流變性能以瀝青膠漿為研究對象，根據學者們的研究成果和工程實際，采用瀝青膠漿的粉膠比為1.2，填料中采用坡縷石粉替換部分礦粉量，配制瀝青膠漿。

按照ASTM D6648-01試驗方法，試驗溫度為-12℃，測試不同摻量的坡縷石改性瀝青在60s時的蠕變勁度S和蠕變速率m。試驗小梁試件尺寸采用120mm×12.5mm×6.25mm。

2 結果與討論

2.1 坡縷石改性瀝青基本性能

對不同摻量的坡縷石改性瀝青進行針入度、軟化點及延度試驗，分析坡縷石對瀝青基本性能的影響規律，結果如圖1～圖3所示。

圖1 瀝青針入度變化曲線Fig.1 Penetration change curve of asphal

圖2 瀝青軟化點變化曲線Fig.2 Softening point change curve of asphalt

圖3 瀝青延度變化曲線Fig.3 Ductility change curve of asphalt

由圖1～圖3數據分析可得：

（1）隨著坡縷石摻量的增加，改性瀝青的針入度呈降低趨勢。坡縷石摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比其針入度降低幅度為21.5%。表明坡縷石的摻入，瀝青變硬，其黏稠度增加。

（2）瀝青中摻入坡縷石后，軟化點明顯增高，隨著坡縷石摻量的增加，其軟化點增幅呈減小的趨勢。摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的相比其軟化點增加了6.4℃，表明坡縷石的摻入使改性瀝青具有更高的黏性。

（3）坡縷石改性瀝青的延度隨坡縷石摻量的增加而明顯減小。坡縷石摻量從10%增加到20%，改性瀝青的延度下降40%。坡縷石摻量的增加，其延度下降幅度呈減小趨勢。

瀝青中摻入粉狀坡縷石，使得瀝青的黏稠度增大，從而導致針入度降低、軟化點升高、延度降低，但三個指標均滿足相關規范的規定。主要是因為粉狀坡縷石與瀝青只是物理混溶，坡縷石顆粒的存在阻礙了瀝青大分子的流動，從而導致延度的降低。

2.2 坡縷石改性瀝青抗老化性能

通過對坡縷石改性瀝青老化前后針入度、軟化點和延度三大指標進行試驗，對其殘留針入度、軟化點增量以及殘留延度進行數據分析。試驗結果如圖4～圖6所示。

圖4 瀝青殘留針入度比變化曲線Fig.4 Residual penetration ratio change curve

圖5 瀝青軟化點增量變化曲線Fig.5 Incremental change curve of softening point

圖6 瀝青殘留延度變化曲線Fig.6 Residual ductility change curve of asphalt

由圖4～圖6數據分析可得：

（1）坡縷石改性瀝青殘留針入度比隨著坡縷石摻量的增加而不斷提高，坡縷石摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比其殘留針入度比升高幅度為13.2%。

（2）軟化點增量隨著坡縷石摻量的增加逐漸降低，坡縷石摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比其軟化點增量降低幅度為79%。

（3）坡縷石改性瀝青殘留延度隨著坡縷石摻量的增加而不斷降低，坡縷石摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比其殘留延度降低幅度為27.8%。

由上述結果分析可得，坡縷石改性瀝青的殘留針入度比均大于普通SBS改性瀝青的殘留針入度比，軟化點增量小于普通SBS改性瀝青的軟化點增量，而坡縷石改性瀝青的殘留延度均小于普通SBS改性瀝青的殘留延度。這表明隨著坡縷石摻量的增加，坡縷石改性瀝青的老化程度明顯降低。

2.3 坡縷石改性瀝青黏度

選擇SBS改性瀝青和坡縷石改性瀝青在10%、15%、18%和20%四個摻量下進行黏度測試。具體試驗結果如圖7所示。

圖7 瀝青黏度變化曲線Fig.7 Viscosity change curve of asphalt

由圖7數據分析可得，在溫度為135℃時，摻量為20%坡縷石改性瀝青的黏度比摻量為10%的坡縷石改性瀝青升高43.5%，比普通改性瀝青黏度升高118%。當摻量為10%時，坡縷石改性瀝青黏度比普通改性瀝青黏度升高52%；摻量為15%的坡縷石改性瀝青黏度比10%摻量改性瀝青黏度升高34%；摻量為20%的坡縷石改性瀝青黏度比15%摻量改性瀝青黏度升高6.7%。表明坡縷石改性瀝青在摻量為10%的條件下增黏效果最為明顯，增加值為0.442Pa·s。

2.4 改性瀝青膠漿BBR試驗分析

選擇10%、15%、18%和20%四個摻量的坡縷石代替相同質量的礦粉配置瀝青膠漿，與不摻坡縷石的瀝青膠漿進行低溫流變性能試驗。具體試驗結果如圖8和圖9所示。

圖8 勁度模量S值變化曲線Fig.8 Stiffness modulus change curve of asphalt

圖9 蠕變速率m值變化曲線Fig.9 Creep rate change curve of asphalt

由圖8、圖9數據分析可得，坡縷石改性瀝青膠漿的蠕變模量S值小于純礦粉瀝青膠漿，蠕變速率m值大于純礦粉瀝青膠漿，可見坡縷石改性瀝青膠漿的低溫性能比純礦粉瀝青膠漿的低溫性能好，坡縷石的添加有利于改善瀝青膠漿的低溫性能。當坡縷石替代15%礦粉時，S值小于300MPa，m值大于0.3，坡縷石摻量為20%的瀝青膠漿低溫性能優于摻量為15%的坡縷石瀝青膠漿。因此，添加較大摻量坡縷石更有利于改善瀝青膠漿的低溫性能。

3 結論

（1）隨著坡縷石摻量的增加，改性瀝青的針入度和延度呈降低趨勢、軟化點呈增高趨勢，摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比針入度降低幅度為21.5%、軟化點增加6.4℃、延度降低40%。表明坡縷石的加入使得改性瀝青黏稠度增大。

（2）隨著坡縷石摻量的增加，改性瀝青的殘留針入度比呈增長趨勢、軟化點增量呈下降趨勢、殘留延度呈下降趨勢，摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比殘留針入度比升高幅度為13.2%、軟化點增量降低幅度為79%、殘留延度降低幅度為27.8%。表明隨著坡縷石摻量的增加，坡縷石改性瀝青的老化程度明顯降低。

（3）隨著坡縷石摻量的增加，改性瀝青的黏度呈增長趨勢，摻量為20%的改性瀝青與摻量為10%的改性瀝青相比黏度升高幅度為43.5%，隨著坡縷石摻量的增加其黏度升高幅度逐漸降低。表明坡縷石改性瀝青具有較為明顯的增黏效果。

（4）隨著坡縷石摻量的增加，改性瀝青膠漿的蠕變模量S值呈降低趨勢，蠕變速率m值呈增大趨勢，且均優于純礦粉瀝青膠漿。坡縷石摻量為20%的瀝青膠漿蠕變模量S值為278.4MPa，蠕變速率m值為0.482，性能最優。表明添加較大摻量坡縷石更有利于改善瀝青膠漿的低溫性能。