CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青制備與性能研究

蘇興賽,江曉曉,陳艷艷,王寧,何青云

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450000)

隨著納米材料開發(fā)與應(yīng)用的快速發(fā)展,將其添加到路用瀝青中作為改性劑以改善其高低溫性能,成為路用瀝青材料研究者十分關(guān)注的問題[1]。納米材料因其特殊的性質(zhì)逐漸被加入到聚合物改性瀝青中,或者在基質(zhì)瀝青中通過加入多維度、多尺度的材料和納米材料進行復(fù)配[2-3]。碳納米管(CNTs)因其獨特的納米結(jié)構(gòu),成為納米材料中備受關(guān)注的瀝青改性材料[4]。相關(guān)學(xué)者針對CNTs改性瀝青進行了大量研究,研究結(jié)果表明:CNTs的摻加能夠較好地改善瀝青流變性能,且對瀝青的低溫抗裂性和疲勞特性亦有提升效果,還可以增強瀝青路面的抵抗水損害能力。丁苯橡膠(SBR)粉作為一種常見的道路瀝青改性劑,可以極大地改善瀝青的低溫性能[5],在我國寒冷地區(qū)頗受歡迎。綜上,SBR能有效改善瀝青路面低溫性能,CNTs在抵抗低溫開裂的同時對其高溫性能和抗水損害能力兩個方面的作用也較為突出。

為使瀝青路面發(fā)揮出其良好的路用性能,本文制備CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青,通過三大指標(biāo)基本試驗、動態(tài)剪切流變(DSR)試驗和彎曲蠕變(BBR)試驗,評價分析其高、低溫穩(wěn)定性。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗采用鄭州市鄭發(fā)市政有限公司提供的70#基質(zhì)瀝青,根據(jù)試驗規(guī)程[6]要求測試瀝青的三大技術(shù)指標(biāo),如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 碳納米管

試驗采用江蘇常州某公司生產(chǎn)的碳納米管(CNTs),其基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2 碳納米管基本性能指標(biāo)

1.3 SBR

表3 SBR性能指標(biāo)

2 試驗方法

2.1 改性瀝青的制備

2.1.1 SBR單一改性瀝青的制備

采用高速剪切法制備SBR單一改性瀝青,將熔融狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青在剪切溫度為165 ℃、剪切速率為1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入摻量為4%的SBR,在剪切速率為3 000 r/min下,剪切1 h;最后將剪切后的試樣置于160 ℃的恒溫箱中30 min,即可制備得到SBR單一改性瀝青。

2.1.2 碳納米管/SBR復(fù)合改性瀝青的制備

采用高速剪切法首先將熔融狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青在剪切溫度為165 ℃、剪切速率為1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入摻量為4%的SBR,在剪切速率為3 000 r/min下,剪切1 h;隨后加入0.6%的CNTs,在剪切溫度為180 ℃、剪切速率為4 000 r/min下,繼續(xù)剪切1 h;最終將剪切后的試樣置于160 ℃的恒溫箱中30 min,即可制備得到CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青。

2.2 動態(tài)剪切流變(DSR)試驗

采用DSR試驗,對三種瀝青進行高溫穩(wěn)定性能研究。試驗采用直徑25 mm、厚度1 mm的試樣進行溫度掃描,試驗過程中溫度控制在34～70 ℃,依次間隔6 ℃進行試驗。

2.3 彎曲蠕變(BBR)試驗

勁度模量S值越小、蠕變速率越大,瀝青在低溫環(huán)境下表現(xiàn)的性能越好,越不容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。本文采用BBR試驗,對三種瀝青進行低溫抗裂性能研究。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)性能分析

將制備得到的SBR單一改性瀝青和CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青,按照試驗規(guī)程[6]要求測試瀝青的三大技術(shù)指標(biāo),試驗結(jié)果如表4所示。

表4 基質(zhì)瀝青和改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表4可知,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的針入度分別為55.6(0.1 mm)、60.3(0.1 mm)、65.4(0.1 mm),CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的針入度較基質(zhì)瀝青減少了14.98%,SBR單一改性瀝青的針入度較基質(zhì)瀝青減少了7.80%。針入度作為評價瀝青稠度的一種指標(biāo),其值越小表示瀝青越硬,由此可知向基質(zhì)瀝青中摻加CNTs和SBR兩種改性劑可使瀝青稠度增大,進而使路用性能得以改善。

為與左側(cè)溢流壩連接，在廠房左側(cè)布置一混凝土壩段，長11.5m。壩頂寬度5.0m。混凝土壩上游坡面垂直，下游坡面1∶0.7，壩頂高程141.60m，建基面高程112.0m，壩高29.6m。

CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的軟化點分別為57.4,50.2,46.5 ℃,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的軟化點較基質(zhì)瀝青的軟化點提高了23.44%,SBR單一改性瀝青的軟化點較基質(zhì)瀝青的軟化點提高了7.96%。軟化點表示瀝青高溫穩(wěn)定性的優(yōu)劣,由此可知當(dāng)單摻SBR改性劑時,瀝青的高溫穩(wěn)定性改善作用不是太明顯,隨著CNTs的摻入,瀝青的高溫穩(wěn)定性得到顯著提升。

CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青、SBR單一改性瀝青、基質(zhì)瀝青的延度分別為21.3,18.7,12.1 ℃,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的延度較基質(zhì)瀝青的延度提高了76.03%,SBR單一改性瀝青的延度較基質(zhì)瀝青的延度提高了54.55%。這是由于CNTs和SBR兩種材料在瀝青中均勻分布,延度提高,瀝青的低溫抗裂性得到改善。

綜上所述,向基質(zhì)瀝青中加入CNTs和SBR兩種改性劑,能夠使瀝青的整體路用性能得到提升。

3.2 高溫流變性能

采用DSR試驗評價分析瀝青的高溫流變性能,研究溫度與相位角δ和車轍因子G*/sinδ之間的關(guān)系,分別如圖1和圖2所示。

圖1 溫度-相位角關(guān)系

圖2 溫度-車轍因子關(guān)系

由圖1可知,三種瀝青的相位角δ與溫度的變化成正比。δ的數(shù)值越小表示其在變形后恢復(fù)原狀的能力越強,在相同溫度下,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小,SBR單一改性瀝青次之,基質(zhì)瀝青最大,可知CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青在變形后恢復(fù)原狀的能力最強。如在52 ℃時,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青和SBR單一改性瀝青的δ分別比基質(zhì)瀝青的δ小了12.87°和5.04°。這表示CNTs的摻加改變了瀝青的黏彈性,使瀝青中的黏彈性物質(zhì)比例增加,在路面受到車輛荷載產(chǎn)生的變形后,能夠更好地恢復(fù)原狀而不至于對瀝青路面造成破壞,使瀝青路面擁有更強的抵抗高溫變形能力。

由圖2可知,三種瀝青的車轍因子G*/sinδ與溫度的變化成反比。G*/sinδ的數(shù)值越大表示其在高溫環(huán)境下抵抗車轍的能力越強,在相同溫度下,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ最大,SBR單一改性瀝青次之,基質(zhì)瀝青最小,可知CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青在高溫下抵抗車轍的能力最強。如在52 ℃時,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青和SBR單一改性瀝青的δGδ*/sinδ分別比基質(zhì)瀝青的G*/sinδ增大了6.81 kPa和2.7 kPa。這表示CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的抗車轍能力最強,高溫穩(wěn)定性最好,CNTs的摻加使得SBR改性瀝青高溫流變性能得到顯著提升。

綜上所述,在同一溫度下CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小,G*/sinδ最大,因此CNTs的摻加能夠使改性瀝青的高溫流變性能得到改善。

3.3 低溫抗裂性能

采用BBR試驗評價分析瀝青的低溫抗裂性能,研究溫度與勁度模量S和蠕變速率m之間的關(guān)系,分別如圖3和圖4所示。

圖3 溫度-勁度模量關(guān)系

圖4 溫度-蠕變速率關(guān)系

由圖3可知,三種瀝青的勁度模量S值與溫度的變化成反比。在溫度為-12,-18,-24 ℃下,SBR單一改性瀝青的S值比基質(zhì)瀝青S值分別下降了10.59%,11.47%,18.09%,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值比基質(zhì)瀝青S值分別下降了20.46%,22.60%,26.89%。可知CNTs和SBR兩種改性劑的復(fù)合摻加能夠很好地改善基質(zhì)瀝青在低溫條件下的松弛能力,進而使瀝青的低溫抗裂性能得到改善。

由圖4可知,三種瀝青的蠕變速率m值與溫度的變化成正比。在溫度為-12,-18,-24 ℃下,SBR單一改性瀝青的m值比基質(zhì)瀝青分別提高了2.94%,3.48%,14.67%,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的m值比基質(zhì)瀝青分別提高了6.13%,6.96%,22.22%。說明CNTs和SBR兩種改性劑的復(fù)合摻加能夠改善瀝青的低溫抗裂性能。

綜上所述,在同一溫度下CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值最小,m值最大,因此CNTs的摻加能夠使改性瀝青的低溫抗裂性能得到改善。

4 結(jié)語

(1)基質(zhì)瀝青在加入CNTs和SBR改性劑后,針入度降低、延度增大、軟化點提高,說明改性劑的摻入提高了瀝青的黏稠度,有效改善了瀝青的高、低溫穩(wěn)定性,較好地提高了瀝青路面的路用性能。

(2)DSR試驗中,在相同溫度下,三種瀝青相比,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的δ最小、G*/sinδ最大,這表明隨著CNTs的摻加改變了瀝青的黏彈性,使瀝青中的黏彈性物質(zhì)比例增加,擁有更好的彈性恢復(fù)能力而不至于對瀝青路面造成破壞。

(3)BBR試驗中,在相同溫度下,三種瀝青相比,CNTs/SBR復(fù)合改性瀝青的S值最小、m值最大,這表明CNTs的摻加能夠改善瀝青的低溫抗裂性能。