納米CaCO3/SBR復合改性瀝青性能研究

陳艷艷,王寧,何青云,蘇興賽,江曉曉

(華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450000)

瀝青的黏彈性決定了其在高溫下易發生流動,因此對瀝青路面的高溫性能提出了很大的挑戰。而當前部分瀝青材料已經難以滿足人們的要求,故許多研究人員考慮對其進行改性,以改善路面的耐久性和穩定性[1]。

目前,常用的改性劑多為高聚物,SBR丁苯橡膠具有優良綜合性能和低成本等優點,在有機化工領域得到了廣泛的應用,其綜合性能良好、成本低廉。在復合改性瀝青中加入SBR改性劑可以有效地提高復合改性瀝青的低溫性能[2]。楊凱等[3]為解決高低溫紫外光照條件下瀝青路面易開裂和老化的問題,把SBS以相同的比例與SBR進行復合并進行試驗,發現在基質瀝青里摻入聚合物后,其各項性能均優于基質瀝青。

為了保證瀝青具有更好的性能,研究者考慮在瀝青中加入無機納米材料。王佳等[4]將三種不同的納米材料與SBS復合,發現瀝青混合料的高低溫性能和水穩定性均得到了提高。張哲銘等[5]在試驗研究中發現摻入1.5%的納米二氧化鈦復合改性瀝青高溫性能有所提高,比SBS瀝青提高了15%。李世為[6]通過對合理摻量的納米碳酸鈣進行車轍試驗發現納米碳酸鈣可以有效提高SBS改性瀝青的高溫性能。

本文選用納米碳酸鈣和丁苯橡膠2種改性劑,制得改性瀝青并對其進行基本性能指標測試和高低溫性能研究,分析兩種改性劑的加入對瀝青高低溫性能的影響。

1 原材料

1.1 基質瀝青

本文采用的是70號道路石油瀝青,由鄭州某公司提供,按照有關試驗規程對其常規指標進行測試,見表1所示。

表1 基質瀝青技術指標

1.2 納米CaCO3

試驗所用的納米碳酸鈣為鄭州某公司生產的白色粉末狀碳酸鈣,其性能參數如表2所示。

表2 納米CaCO3技術指標

納米CaCO3摻入之前先采用偶聯劑對其進行表面活化,保證納米CaCO3更好地融入瀝青中并充分分散。選用鋁酸酯對納米CaCO3進行處理,可有效增強無機納米材料和基質瀝青的結合,顯著提高了改性瀝青的穩定性。

1.3 丁苯橡膠

SBR為上海某公司生產的產品,外觀呈米白色粉末狀,主要性能參數如表3所示。

表3 丁苯橡膠技術指標

2 改性瀝青的制備

2.1 SBR改性瀝青的制備

先將基質瀝青進行加熱,待瀝青加熱至融化流動,取出將其放置在恒溫加熱臺上,在加熱的同時要持續地進行攪拌,同時將4%的SBR加入瀝青中,攪拌均勻后,在160 ℃溫度下,剪切速率為4 500 r/min高速剪切40 min。然后,在低速剪切攪拌下,轉速為2 000 r/min繼續剪切20 min,保證SBR進一步以更細的狀態溶于瀝青中。最后將剪切完成的改性瀝青溶脹發育,達到改性劑與瀝青充分相容的目的。即制備出SBR改性瀝青。

2.2 CaCO3/SBR復合改性瀝青的制備

先將基質瀝青進行加熱,待瀝青加熱至融化流動,取出將其放置在恒溫加熱臺上,在加熱的同時要持續地進行攪拌,同時將5%的納米CaCO3加入瀝青中,攪拌均勻之后,在160 ℃溫度下,以2 000 r/min的剪切速率攪拌30 min,接著將4%的SBR加入瀝青中,剪切速率為4 500 r/min繼續高速剪切40 min。然后,在低速剪切攪拌下,轉速為2 000 r/min繼續剪切20 min。最后將剪切完成的改性瀝青溶脹發育,即制備出SBR改性瀝青。

3 試驗結果與分析

3.1 三大指標

根據試驗規程對不同種類的瀝青進行常規性能的測試,結果見表4所示。

表4 基質瀝青和復合改性瀝青的基本性能指標

根據表4所示數據,復合改性瀝青的針入度比SBR改性瀝青降低了9.87%,比基質瀝青降低了16.51%,SBR改性瀝青比基質瀝青降低了7.37%。在SBR改性基質瀝青的基礎上,納米CaCO3的加入會進一步提高改性瀝青的稠度。未改性、單一改性、復合改性的軟化點分別為46.8,49.2,60.9 ℃,復合改性較單一改性和未改性瀝青分別提高了23.78%,30.13%,SBR改性瀝青比基質瀝青提高了5.13%。納米碳酸鈣能夠顯著提高瀝青的軟化點,然而,對SBR改性瀝青和復合改性瀝青的延度進行了比較,得出納米碳酸鈣的加入導致SBR改性瀝青逐步變硬,使得瀝青在低溫作用下的延展變形能力下降,即納米CaCO3對SBR改性瀝青造成負面影響。

3.2 動態剪切流變試驗

對三種瀝青分別進行DSR試驗,結果見圖1～3。

(1) 從圖1中可得,三種瀝青的復數剪切模量均隨溫度的升高而降低。在相同溫度時,復合改性瀝青的G*值比基質瀝青和SBR改性瀝青大,說明復合改性瀝青抵抗高溫車轍的能力更優。

圖1 G*與溫度關系

(2) 從圖2中得,當溫度為82 ℃時,復合改性瀝青、單一改性瀝青、未改性瀝青的相位角分別為82.37°,87.36°,90.35°,復合改性瀝青的相位角δ比單一改性瀝青降低了5.71%,比未改性瀝青降低了9.69%。研究發現在同一溫度下,納米CaCO3/ SBR復合改性瀝青具有較高的抗剪切性能,由于加入納米CaCO3顆粒,其在瀝青中以微粒形式存在,抗剪切能力比普通瀝青更強,其相位角δ值也相對較小。

圖2 δ與溫度關系

(3) 從圖3中可知,當溫度上升時,車轍因子降低。在82 ℃條件下,基質瀝青、單一改性瀝青、復合改性瀝青的G*/sinδ分別為0.32,0.88,1.59 kPa。與SBR改性瀝青相比,復合改性瀝青提高了0.71 kPa,較基質瀝青提高了1.27 kPa。由圖中趨勢可以看出加入納米CaCO3和SBR后,瀝青的車轍因子明顯提高。相較于其他兩種瀝青,摻加納米CaCO3和SBR的復合改性瀝青,在較高的溫條件下,其具有較好的抗永久變形能力。

圖3 G*/sinδ與溫度關系

3.3 彎曲蠕變勁度試驗

在-12,-18,-24 ℃溫度下,對未改性瀝青、單一改性瀝青、復合改性瀝青進行BBR試驗,分別見圖4～5。

(1) 分析圖4可得,三種瀝青的彎曲勁度模量呈溫度越低,S值越大,即總體趨勢為隨著溫度的降低而增大。在-12,-18,-24 ℃三種不同的溫度條件下,納米CaCO3/ SBR復合改性瀝青比基質瀝青分別降低了20.16%,32.43%,14.55%。在-18～

-24 ℃區間內,三種瀝青的S值升高的最快,其斜率明顯變大,表明瀝青在這個溫度區間內狀態變硬,對低溫削弱能力最強,更容易遭受破壞。在相同溫度下,如在-18 ℃溫度下,基質瀝青的S值最大,SBR改性瀝青最小,表明SBR改性瀝青的低溫性能最好。

圖4 勁度模量-溫度關系圖

(2) 由上圖5可知,三種瀝青在不同溫度下,m值隨溫度降低而減小。在-12,-18,-24 ℃三種溫度條件下,復合改性瀝青的m值比基質瀝青分別增大了12.77%,8.25%,7.21%。在相同溫度下,如在-18 ℃溫度下,SBR改性瀝青的蠕變曲線斜率m值最大,復合改性瀝青次之。

(3) 由圖4～5可得,SBR改性瀝青低溫性能最好,其次是復合改性瀝青,最后是基質瀝青。SBR改性瀝青的彎曲勁度模量S值最小,蠕變速率m值最大,表明SBR改性瀝青在低溫下具有更好的抗裂性,即納米CaCO3會削弱SBR改性瀝青的抗裂性能,但相較于基質瀝青,納米CaCO3和SBR兩種改性劑的加入使低溫抗裂性能均有所提高。

圖5 蠕變速率-溫度關系圖

4 結論

(1) 納米CaCO3和SBR復合改性瀝青的針入度比基質瀝青下降了16.51%,軟化點提高了30.13%,延度提高了5.04%。復合改性瀝青的針入度比單一改性瀝青下降了9.86%,軟化點提高了23.78%,延度降低了9.74%。

(2) 三種不同類型的瀝青在高溫車轍試驗中的G*和δ差別較明顯。在同一溫度下,基質瀝青的G*最小,復合改性瀝青的G*大;而基質瀝青的δ最大,復合改性瀝青的δ最小。表明添加納米CaCO3后,由于瀝青中的黏性和彈性成分占比發生了變化,使其由黏彈性向彈性轉變,這對改善路面變形的恢復具有重要意義。

(3) 在DSR試驗中,對52,58,64,70,76,82 ℃這6個溫度條件下的車轍因子進行對比分析,結果表明:加入兩種改性劑后,瀝青的車轍因子明顯提高,隨著溫度的升高,復合改性瀝青>SBR改性瀝青>基質瀝青。即加入納米碳酸鈣后,SBR改性瀝青的抗車轍能力得到了顯著的提高,即納米CaCO3對其高溫性能有明顯的改善,與SBR改性瀝青相比,復合改性瀝青提高了0.71 kPa,較基質瀝青提高了1.27 kPa。

(4) 在BBR試驗中,三種不同的瀝青在不同的低溫條件下,SBR改性瀝青的S值小于復合改性瀝青,而其蠕變速率m值比復合改性瀝青大。表明SBR改性瀝青的低溫抗裂性最好,納米CaCO3加入SBR改性瀝青后改善效果會有所降低,但較基質瀝青,低溫性能仍有所提高。