納米碳酸鈣改性瀝青及其混合料老化性能試驗研究

孫岳,王同福,柴慶剛,趙磊,王光勇

(1.山東省交通科學研究院,山東 濟南 250100;2.山東高速基礎設施建設有限公司,山東 濟南 250100)

隨著交通荷載的增加,瀝青路面病害頻發,其耐久性需求日益突出,為提高路面的耐久性,眾多學者已成功將納米材料用于路面工程中[1-2]。由于納米材料具有尺寸小、比表面積大、表面效應強等優點,被廣泛應用聚合物改性瀝青中。孟祥濤[3]發現通過添加少量的納米黏土可顯著提高瀝青的軟化點、降低針入度和延展性、提高抗老化性能、改善瀝青的流變性能。李彥斌[4]的研究表明,采用摻量4%的納米二氧化硅改性瀝青可將路面的車轍深度降低到近50%。楊喜英等[5]將三異硬脂?；岙惐?TTS)作為偶聯劑,采取螺桿擠出造粒技術制得納米碳酸鈣/TTS共混體系改性劑及其改性瀝青,但其改性瀝青的高低溫性能改善并不顯著,這可能是由于不同材料間物理、化學協同作用導致其性能變化。

雖然國內外對納米碳酸鈣作為瀝青的改性材料進行了一定的研究,但對無機納米材料與有機瀝青混合時存在分散能力差、無機材料容易結塊的問題,一直未能得到很好的解決。

納米碳酸鈣具有強吸附性、比表面積大、穩定性好和分散能力強等諸多有益特性[6-7],本文將其作為改性劑制備改性瀝青確定其最佳摻量及工藝參數,并通過熱重分析法對其高溫穩定性、抗老化性能進行研究,對不同老化周期納米碳酸鈣改性瀝青混合料進行車轍試驗和半圓彎曲試驗,進一步評價瀝青混合料的整體路用性能。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基質瀝青

本文采用70#道路石油瀝青作為基質瀝青進行改性,其基本性能見表1。

表1 70#道路石油瀝青基本性能

1.1.2 改性瀝青

采用納米碳酸鈣對70#道路石油瀝青進行改性,設定納米碳酸鈣的摻量為瀝青質量的0%,0.5%,1%,1.5%,2%,3%,4%,5%。

改性瀝青具體制備方法如下:首先將70#道路石油瀝青加熱至熔融狀態,然后按設定好質量的納米碳酸鈣摻入到基質瀝青中,設置高速剪切機剪切速率為4 000 r/min,剪切攪拌1 h,制備過程中溫度控制在160 ℃左右。

將制備得到不同摻量的納米碳酸鈣改性瀝青進行針入度(15,25,35 ℃)和運動黏度(135 ℃)試驗,從而確定納米碳酸鈣在瀝青中的最佳摻量。

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青老化試驗

采用瀝青旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)對納米碳酸鈣改性瀝青進行短期老化模擬,具體試驗步驟依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0610—2011規定進行。

1.2.2 熱重差熱分析法

采用TG209F3熱重分析儀測試瀝青試樣的差熱分析(DTA)和熱重分析(TG)曲線,測試儀器的氣體環境為氮氣,加熱速率為40 ℃/10.0 (K/min),溫度范圍為0～300 ℃。實驗主要采用氮氣為試樣提供無氧環境,以避免氧氣與試樣的反應。根據TG分析數據,確定溫度與DTA的關系曲線,測量瀝青在持續變化的溫度環境中的物理和化學變化。

1.2.3 瀝青混合料老化試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)要求,以短期老化后混合料表征攤鋪完成的瀝青路面老化現象,以長期老化混合料模擬使用五至七年后瀝青路面的性能衰減影響程度。

在短期老化過程中,將松散的混合料均勻鋪入板中,放入135 ℃(強制通風)的烘箱中4 h,此過程中,需要每小時攪拌一次。

采用短期老化的混合料制備長期老化混合料,將短期老化的混合料試件放入5 ℃(強制通風)的烘箱中85 d,試件在85 ℃ 烘箱中強制通風連續加熱5 d后取出,冷卻后供試驗使用。

1.2.4 瀝青混合料性能試驗

1.2.4.1 車轍試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0719—2011的規定進行納米碳酸鈣改性瀝青混合料的車轍試驗,測定不同老化周期的混合料抗車轍能力,評價其高溫穩定性。

1.2.4.2 半圓彎曲試驗

試驗室制備旋轉壓實試件,試件直徑為100 mm、高度為75 mm,用高精度雙面鋸將同批單軸試件一分為二。采用萬能材料試驗機(UTM)進行半圓彎曲試驗,加載速度為50 mm/min,試驗環境為-10 ℃。

2 實驗結果與討論

2.1 瀝青針入度指數

不同摻量納米碳酸鈣改性瀝青的針入度指數如圖1所示。圖1中,當納米碳酸鈣的摻量為3%時,針入度指數接近于零,納米碳酸鈣改性瀝青的敏感性最低,其高溫穩定性和低溫抗裂性也最優;當摻量大于3%時,針入度指數呈下降趨勢,當摻量大于5%時,改性瀝青的流動性會迅速變差。

圖1 改性瀝青的針入度指數

同時也可觀察到不同納米碳酸鈣摻量下,瀝青針入度指數呈不規律變化趨勢,且針入度指數最大值為0.22,最小值為-1.13。因此,以針入度指數為判斷依據,納米碳酸鈣的摻量為3%時是最優摻量。

2.2 瀝青運動黏度

瀝青的運動黏度指標用于評估瀝青的流動性程度,本文對8種不同摻量的納米碳酸鈣改性瀝青進行測試,其結果如圖2所示。

圖2 不同納米碳酸鈣摻量下改性瀝青的運動黏度

圖2中改性瀝青在135 ℃的運動黏度隨納米碳酸鈣摻量的增加整體呈上升趨勢,這是由于在改性過程中基質瀝青與納米碳酸鈣充分反應,改性瀝青的組分由于納米碳酸鈣的加入而產生一定的變化,使瀝青質含量增加所導致。

當納米碳酸鈣摻量超過4%時,黏度增加趨勢較為緩慢,這是由于瀝青中含有過量的納米碳酸鈣時無法充分反應,因此改性瀝青的黏度不宜過大。而規范中的標準應小于3 000 mPa·s,當納米碳酸鈣含量小于3%時,符合規范要求。因此,以運動黏度為判斷依據,納米碳酸鈣的摻量為3%時也為最優摻量。

此外,納米碳酸鈣改性瀝青的混合過程表明,上述化學反應和物理填充會充分發生,并可能形成新的網絡結構,填充瀝青間作用。

2.3 TG和DTA分析

以70#瀝青為對照組,對兩種改性瀝青的高溫穩定性、抗老化性能進行對比分析,其結果如圖3、圖4所示。

圖3 DTA分析結果

圖4 TG分析結果

對照組瀝青和納米碳酸鈣改性瀝青均100 ℃左右時觀察到放熱峰,且兩種瀝青吸熱、放熱峰之間的差異不大,但由于測試溫度僅為300 ℃,無法確定下一個吸熱和發熱峰的溫度。對照組的瀝青峰面積遠大于改性瀝青,可判斷對照組瀝青的熱效應更顯著,升溫過程中的物理化學反應更嚴重。由此可見,納米碳酸鈣改性瀝青的高溫穩定性較好。

老化后對照組瀝青的第一個吸熱峰值遠小于老化后納米碳酸鈣改性瀝青的第一吸熱峰值,且老化后納米碳酸鈣改性瀝青在溫度達到300 ℃時尚未達到放熱峰值,因此可知老化改性瀝青的性能遠優于老化對照組瀝青。這是由于納米碳酸鈣改性瀝青物理和化學反應活性較慢,且從圖3中也可以明顯看出老化后的納米碳酸鈣改性瀝青的峰值面積遠小于老化后70#瀝青的峰值面積。

由圖4可以看出,105 ℃時70#瀝青的損失量為0.6%,而納米碳酸鈣改性瀝青的損失量為0.5%。兩種瀝青的吸熱峰和放熱峰差別不大,而峰面積卻比對照組70#瀝青小得多,這是由于基質瀝青的物理和化學反應更加活躍,燃燒損失量更大。另外,70#瀝青在300 ℃時的損失為0.9%,而納米碳酸鈣改性瀝青在300 ℃時的燃燒損失僅為0.6%,可見改性瀝青的高溫穩定性要優于對照組瀝青。

通過對比老化后70#瀝青和老化納米碳酸鈣改性瀝青的燃燒損失,在125 ℃時,老化后70#瀝青的損失量為1.6%,老化后納米碳酸鈣改性瀝青的損失量為1.4%;而在300 ℃時,老化后70#瀝青的燃燒損失為2.1%,而老化后納米碳酸鈣改性瀝青的質量損失僅為1.7%,其損失量與其在125 ℃時相差不大。因此,可以得出結論,老化后納米碳酸鈣改性瀝青的高溫穩定性和耐老化性改善效果顯著。

綜上所述,無論是未老化改性瀝青還是老化后改性瀝青,其化學成分和化學性能經差熱分析后均優于對照組瀝青。且TG試驗表明,摻入納米碳酸鈣后,瀝青的性能如黏度、抗拉強度、高溫穩定性、抗老化性能等都有了明顯的改善。這是由于納米碳酸鈣不僅對瀝青具有耦合作用,而且納米碳酸鈣的活化和改性作用還可促進瀝青與納米碳酸鈣之間的化學反應,同時也會提高納米碳酸鈣與瀝青的相容性,加強分子間的界面作用,提高瀝青的黏韌性。

2.4 路用性能分析

由瀝青運動黏度、針入度指數等指標,確定納米碳酸鈣的最優摻量為3%,為進一步驗證納米碳酸鈣改性瀝青的長期路用性能,以70#瀝青為對照組,對兩種混合料進行長期老化試驗,模擬瀝青路面的性能衰減程度,驗證其路用性能。

2.4.1 車轍試驗

圖5為不同老化條件下納米碳酸鈣改性瀝青混合料、對照組瀝青混合料的車轍深度。從圖中可以看出,對照組瀝青混合料的車轍深度隨著老化程度的增加而先上升后下降,最大的車轍深度出現在長期老化5 d后。

圖5 不同老化條件下道路石油瀝青車轍深度

同時從圖中也可觀察到,老化對混合料的車轍深度有重要影響,在不同的老化階段,瀝青混合料的車轍深度可以相差幾倍。以納米碳酸鈣瀝青為例,從未老化階段到長期老化階段(15 d),最大的車轍深度約為9.6 mm,而最小的車轍深度只有約2.5 mm。在長期老化5 d時,兩種瀝青混合料的車轍深度均達到最大值,納米碳酸鈣瀝青混合料較對照組瀝青最大車轍減少23.6%,表明納米碳酸鈣改性瀝青可有效提高道路石油瀝青抗車轍能力。

2.4.2 半圓彎曲試驗

半圓彎曲試驗是表征瀝青路面抗彎拉性能的指標,其測試結果如圖6所示.從圖中可看出,老化對改性瀝青抗彎拉性能的影響規律大致相同,隨老化程度的增加,彎曲強度逐漸下降。以70#瀝青混合料為例,與未老化階段的彎曲強度相比,短期老化階段和長期老化(5,10,15 d)階段的彎曲強度分別下降16.9%,24.2%,29.9%和36.1%。因此,瀝青的老化程度越嚴重,其抗裂性能越差。

圖6 不同老化程度下瀝青混合料的彎曲強度

改性瀝青的老化過程中存在兩種現象:一種是改性劑添加劑的降解,另一種是純瀝青的老化。這兩種現象都會導致瀝青硬化,使瀝青的抗彎拉性能下降。除此以外,還可以看到納米碳酸鈣改性瀝青能提高道路石油瀝青的抗裂性。在未老化階段,其彎曲強度可以達到66 kPa,較對照組提高21.21%。而當長期老化為15 d時,納米碳酸鈣改性瀝青彎曲強度為42 kPa,較對照組提高11.65%,進一步表明納米碳酸鈣改性瀝青混合料的抗老化性能和抗彎拉性能優異。

3 結論

納米碳酸鈣的活化和改性作用還可促進瀝青與納米碳酸鈣之間的化學反應,同時也會改善納米碳酸鈣與瀝青的相容性,加強分子間的界面作用,提高瀝青的黏韌性。本研究的目的是評價用納米碳酸鈣的改性效果和工藝,以提高瀝青混合料的整體路用性能。具體結論如下:

1)以針入度、針入度指數、運動黏度等試驗指標,確定納米碳酸鈣的最優摻量為3%,當納米碳酸鈣含量超過5%時,改性瀝青的流動性會迅速變差。

2)通過TG、DTA分析表明,納米碳酸鈣的加入改善了瀝青的抗拉強度、高溫穩定性及抗老化性能。

3)通過路用性能試驗證明,不同老化周期的納米碳酸鈣改性瀝青混合料的抗車轍性能、抗彎拉性能均優于對照組瀝青。