OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青流變性能及改性機(jī)理

陳本建

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001)

0 引言

瀝青路面已經(jīng)成為公路及城市道路的主要鋪裝形式。我國公路里程不斷增加,隨之而來的是對瀝青材料的巨大需求。與此同時(shí),我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來的車輛荷載增加、交通量增大,對瀝青材料的路用性能也提出了更高的要求。工程實(shí)踐中,多采用聚合物改性劑對道路石油瀝青進(jìn)行改性,尤以SBS改性瀝青應(yīng)用范圍最廣[1],但SBS改性瀝青也存在易離析、施工過程易老化等問題。因此,采用性能優(yōu)良的改性劑與SBS改性瀝青復(fù)合改性,解決SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性問題,提升SBS改性瀝青各項(xiàng)路用性能指標(biāo),成為了當(dāng)下瀝青材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了大量研究,改性劑包括纖維類、固廢類、高分子材料等[2-5]。近年來,納米材料在道路工程領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用,研究機(jī)構(gòu)或研究人員對納米/SBS復(fù)合改性瀝青開展了大量研究。其中,納米蒙脫土產(chǎn)量大、性能穩(wěn)定,在復(fù)合改性SBS瀝青方面具有顯著的優(yōu)勢。唐新德等[6]對納米蒙脫土/SBS復(fù)合改性瀝青開展微觀分析,發(fā)現(xiàn)納米蒙脫土能有效改善SBS改性瀝青的韌性、強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性,且納米蒙脫土能與SBS改性瀝青不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要為物理混溶。王驍[7]對納米蒙脫土改性瀝青開展制備與性能研究,得出納米蒙脫土可有效提升瀝青的各方面性能,尤其在耐老化方面相較基質(zhì)瀝青有優(yōu)勢的結(jié)論。崔亞楠等[8]對蒙脫土改善瀝青老化機(jī)理開展研究,認(rèn)為MMT片層結(jié)構(gòu)及形成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)是延緩瀝青老化的主要原因。王蒙[9]對納米蒙脫土改性瀝青自愈合性能開展研究,發(fā)現(xiàn)納米蒙脫土可提高瀝青的自愈合性能。程培峰等[10]對納米蒙脫土/SBS復(fù)合改性瀝青愈合性能開展研究,認(rèn)為長期老化對MMT改性瀝青多次愈合性能的影響顯著。上述研究表明納米蒙脫土可有效提升瀝青的各項(xiàng)性能,且在耐老化、自愈合等方面也有改善作用。本文通過在SBS改性瀝青中添加納米蒙脫土,研究納米蒙脫土/SBS復(fù)合改性瀝青的流變性能,研究成果有利于納米蒙脫土在瀝青改性領(lǐng)域的應(yīng)用,可為工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用70#A級瀝青作為基質(zhì)瀝青,用于制備SBS改性瀝青和納米蒙脫土/SBS復(fù)合改性瀝青。基質(zhì)瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。SBS改性劑采用湖南岳陽石化總廠生產(chǎn)的SBS改性劑,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)見表2。鈉基蒙脫土(Na-MMT)為市場上購買所得,納米蒙脫土(OMMT)由鈉基蒙脫土(Na-MMT)在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)熔融插層法制得。

表1 70#A級瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 SBS改性劑技術(shù)參數(shù)表

1.2 改性瀝青制備

SBS改性瀝青的制備:為避免SBS改性瀝青制備過程中基質(zhì)瀝青的老化,采用油浴加熱制備SBS改性瀝青。具體的制備方法為:將基質(zhì)瀝青加熱到170 ℃,添加預(yù)定比例的SBS改性劑,本文的SBS改性劑摻量為4%(外摻),利用高速剪切機(jī)對瀝青進(jìn)行剪切攪拌30 min,剪切速率為4 000 r/min,然后利用鐵制容器盛放制得的SBS改性瀝青,并采用錫紙封閉容器口,放于170 ℃烘箱中發(fā)育30 min。

OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的制備:將SBS改性瀝青加熱到170 ℃,添加預(yù)定比例的納米蒙脫土,納米蒙脫土設(shè)置摻量分別為1.0%、2.0%、3.0%;摻入納米蒙脫土后,高速剪切機(jī)以4 000 r/min剪切攪拌,攪拌30 min后,利用鐵制容器盛放制得的OMMT/SBS改性瀝青,并采用錫紙封閉容器口,放于170 ℃烘箱中發(fā)育30 min。

1.3 試驗(yàn)方法

為分析經(jīng)過有機(jī)化處理后的納米蒙脫土OMMT插層間距是否增大形成以及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青是否形成剝離型結(jié)構(gòu),采用X射線衍射儀對Na-MMT、OMMT以及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。試驗(yàn)儀器為轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀,生產(chǎn)產(chǎn)家為日本RIGAKU公司,相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀技術(shù)參數(shù)表

為分析OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青改性機(jī)理,采用紅外光譜對SBS改性瀝青、OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青開展紅外光譜試驗(yàn)。紅外光譜測試方法參考內(nèi)蒙古地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青紅外光譜快速檢測試驗(yàn)規(guī)程》(DB15T 2494-2021)[11]。

流變試驗(yàn)可獲得瀝青在各溫頻下的流變性能,采用的儀器為美國TA公司生產(chǎn)DHR-3型動(dòng)態(tài)剪切流變儀和Cannon公司生產(chǎn)的瀝青低溫彎曲梁流變儀。根據(jù)美國規(guī)范ASTM D6648-2008[12]、AASHTO T 315-2019[13]、AASHTO TP 101-2015[14]開展相關(guān)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)表征

對Na-MMT、OMMT以及2%摻量的OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青開展X射線分析,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。根據(jù)Bragg方程λ=2dsinθ可獲得Na-MMT、OMMT以及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的樣品層間間距,具體見表4。表4的結(jié)果表明Na-MMT、OMMT、OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青層間距是依次增大的。對比Na-MMT和OMMT的X射線圖譜發(fā)現(xiàn):OMMT的X射線圖譜衍射峰值相比Na-MMT有非常明顯的向左移動(dòng)現(xiàn)象,該現(xiàn)象表明對Na-MMT有機(jī)化處理后可增大蒙脫土的層間間距。對比OMMT和OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青X射線圖譜發(fā)現(xiàn):OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青X射線圖譜未能發(fā)現(xiàn)d001面衍射峰,表明復(fù)合改性瀝青已經(jīng)形成剝離型結(jié)構(gòu),瀝青及SBS改性劑的分子在微觀層面上插入了OMMT片層。

圖1 X射線分析圖譜示意圖

表4 試驗(yàn)樣品層間距計(jì)算結(jié)果表

2.2 紅外光譜試驗(yàn)

SBS改性瀝青及2%摻量的OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可知:SBS改性瀝青與OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的紅外光譜特征類似,僅在吸收強(qiáng)度上有差別,因此可以認(rèn)為OMMT對SBS改性瀝青的改性原理為物理混溶,未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的官能團(tuán)。值得注意的是,在3 620 cm-1處,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰,該特征峰產(chǎn)生的主要原因?yàn)镺MMT骨架八面體中羥基和鍵合水的伸縮振動(dòng)。

圖2 SBS改性瀝青及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青紅外光譜示意圖

2.3 高溫流變性能試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范AASHTO T315-2019,試驗(yàn)溫度為46 ℃～82 ℃,間隔6 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見下頁圖3和圖4。從圖3、圖4可知:

圖3 車轍因子隨溫度變化曲線圖

圖4 相位角隨溫度變化曲線圖

(1)隨著溫度增加,SBS改性瀝青以及不同摻量OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青車轍因子均有所下降,且變化趨勢一致。隨著OMMT摻量不斷增加,相同溫度下OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青車轍因子線性增加。

(2)SBS改性瀝青的相位角隨溫度增加而緩慢增加,在溫度較低時(shí)(<64 ℃)增加較快,但>64 ℃后變化平緩,而OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青相位角隨溫度增加而不斷增加,在>64 ℃后依然快速增加。

(3)隨著OMMT摻量增加,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的相位角逐漸降低,因此OMMT摻入SBS改性瀝青增加了OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的彈性成分。

上述結(jié)論表明OMMT摻入SBS改性瀝青后改變了SBS改性瀝青的粘彈特性,且OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青,OMMT摻量越高,高溫性能改善越明顯。

2.4 中溫流變性能試驗(yàn)(LAS)

采用LAS試驗(yàn)評價(jià)SBS改性瀝青及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的疲勞性能,試驗(yàn)過程參考規(guī)范AASHTO TP 101-2015,試驗(yàn)溫度為15 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見圖5和表5。

圖5 LAS試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

表5 LAS試驗(yàn)指標(biāo)表

從圖5和表5可知:

(1)OMMT摻入SBS改性瀝青后,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的峰值平臺(tái)寬度增加,表明OMMT改善了SBS改性瀝青的應(yīng)力敏感性,從而提升SBS改性瀝青的疲勞性能。

(2)隨著OMMT摻量增加,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青最大剪應(yīng)力τmax對應(yīng)的屈服應(yīng)變?chǔ)舊不斷增加,SBS改性瀝青抗疲勞性能得到改善。

2.5 低溫流變性能試驗(yàn)(BBR)

采用BBR試驗(yàn)評價(jià)SBS改性瀝青及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫性能,試驗(yàn)過程參考規(guī)范ASTM D6648-2008,試驗(yàn)溫度為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可知:

表6 BBR試驗(yàn)結(jié)果表

(1)隨著溫度降低,SBS改性瀝青及OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的S值增加、m值降低,低溫性能逐漸降低,且該現(xiàn)象不隨OMMT摻量增加而改變,表明低溫是瀝青膠結(jié)料破壞的主要因素。

(2)隨著OMMT摻量增加,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青S值有所降低、m值增加,表明OMMT摻入SBS改性瀝青中后,對SBS改性瀝青的低溫抗裂性能有改善作用,且摻量越大,改善作用越明顯。

3 結(jié)語

通過對SBS改性瀝青、OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青開展微觀試驗(yàn)、流變試驗(yàn),分析OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青的改性原理以及高中低溫流變性能,得出結(jié)論如下:

(1)OMMT摻入SBS改性瀝青后,形成了剝離型結(jié)構(gòu),SBS改性劑及基質(zhì)瀝青的分子鏈插入了OMMT的分子層間。

(2)紅外光譜試驗(yàn)表明,OMMT摻入SBS改性瀝青中后并未產(chǎn)生新的官能團(tuán),OMMT與SBS改性瀝青的混合狀態(tài)為物理混溶,未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

(3)流變試驗(yàn)表明,OMMT對SBS改性瀝青高中低溫流變性能均有改善作用,且OMMT改變了SBS改性瀝青的粘彈特性。在本文摻量范圍內(nèi)(≤3%),OMMT摻量越高,OMMT/SBS復(fù)合改性瀝青高中低溫流變性能越優(yōu)。