纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青性能试验研究

赵 伟

(山西交通控股集团有限公司 太原高速公路分公司，山西 太原 030006)

0 引 言

道路的使用寿命和耐久性离不开道路材料的选择，沥青作为道路材料的重要组成部分直接影响道路性能，相关研究表明[1-6]：聚合物改性沥青可以较大幅度提升沥青混合料各项性能表现，但聚合物与沥青的相容性是困扰聚合物改性沥青关键，纳米材料粒径小，能与沥青较好相容，成为新的聚合物改性沥青研究方向。蒙脱石是具有特殊晶体结构的硅铝酸盐，具有高强高韧和耐热性等优势，将其作为聚合物用于沥青改性可提升沥青材料各项性能[7]。梁永胜等[8]研究认为蒙脱石可以用于制备阻燃改性沥青，提高沥青混合料抗氧老化能力；尹文军等[9]对比研究了基质沥青、SBS改性沥青、蒙脱石/SBS 复合改性沥青混合料各项性能，认为蒙脱石可以改善混合料的物理力学性能；朱书景等[10]对蒙脱石/SBS改性沥青进行性能研究，认为蒙脱石可促进混合料抗老化性能和抗疲劳性能。目前，针对该领域的相关研究还不够全面，尤其是纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的相关研究较少[11-12]。笔者针对纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青进行分析，采用软化点、针入度、延度、旋转黏度、动态剪切流变等试验进行全方面综合评价，通过灵敏度分析确定纳米蒙脱石的最佳掺量，探究纳米蒙脱石对改性沥青的影响规律。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

基质沥青采用普通70#道路石油沥青，主要技术指标如表1，各项指标均满足JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》技术要求。

表1 基质沥青性能指标

选用河南联成交通发展股份有限公司产的SBS改性剂，采用4%的固定掺量进行改性沥青制备。硫粉平均粒径为50 nm，纯度>99%，密度2.1 g/cm3，颜色为浅黄色，呈球形晶型状。

笔者选用河南信阳江三化工有限公司产的纳米蒙脱石材料，表观密度为0.45 g/cm3，平均切屑厚度<20 nm，含水量<3%，密度1.8 g/cm3。该纳米蒙脱石呈高纯度的细微颗粒状态，蒙脱石中的水合硅铝酸盐成分层间结构能够促进改性沥青的共混均匀性和稳定性能，电镜扫描结果如图1。

图1 纳米蒙脱石电镜扫描结果

1.2 试验方案

研究选用纳米蒙脱石(掺量分别为0，1%，2%，3%，4%，5%，6%)与SBS改性剂(4%固定掺量)进行复掺改性沥青的制备，蒙脱石掺量和SBS改性剂掺量均为基质沥青用量的质量百分数；采用软化点、针入度(25 ℃)、延度、旋转黏度、动态剪切流变等试验进行改性沥青的性能综合评价，并与普通SBS改性沥青进行对比分析，探究纳米蒙脱石对复掺改性沥青的影响规律。

2 改性沥青制备

纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青是由基质沥青、SBS改性剂、纳米蒙脱石混合制备而成，研究采用改性沥青制备过程为反应性共混制备，主要包括SBS改性沥青的制备及纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青制备。

SBS改性沥青制备工艺如下：

1)将普通基质沥青在烘箱内加热至160～170 ℃，并倒入称量好的SBS改性剂；

2)将含有SBS改性剂的基质沥青在190 ℃环境下进行高速剪切1小时，剪切速率为5 000 r/min；

3)加入稳定剂(硫粉0.5 g)并机械搅拌1小时即得到SBS改性沥青。

纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青制备工艺如下：

1)将纳米蒙脱石经100 ℃烘箱中烘干4 h，SBS改性沥青在180 ℃烘箱中加热待用；

2)称取试验质量的纳米蒙脱石倒入SBS改性沥青中，采用高速剪切仪进行改性沥青的剪切，剪切速率为5 000 r/min，剪切时间为0.5 h；

3)将改性沥青在180 ℃环境下进行机械化搅拌15 min，转速为800 r/min。

3 改性沥青性能试验

3.1 软化点

研究按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测试不同掺量下纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青25 ℃环境下对应的软化点，其试验数据如表2。

表2 软化点性能检测试验结果

由表2可知，随着纳米蒙脱石掺量的提升，纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青软化点逐渐增大，增长速率较为稳定，但掺量达到5%后，改性沥青的软化点提升速度降低。纳米蒙脱石的有效成分是水合硅铝酸盐，具有较好的相容性，增强了沥青的黏稠程度，一定程度上也使得改性沥青的软化点提升，可保障沥青的高温存储稳定性。

3.2 针入度

研究按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测试不同掺量下纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的针入度，试验数据如表3。

表3 针入度性能检测试验结果

由表3可知，随着纳米蒙脱石掺量的提升，纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的针入度逐渐降低，且降低的速率较为稳定。针入度的下降表示改性沥青的黏度增大，流动状态趋势减弱，有利于提升改性沥青及其沥青混合料的抗高温变形和抗车辙能力。

3.3 延 度

研究按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测试不同掺量下纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的延度，试验数据如表4。

表4 延度性能检测试验结果

由表4可知，随着纳米蒙脱石掺量的提升，纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的延度逐渐降低，下降趋势呈“缓—快—缓”表现，纳米蒙脱石掺量在4%后，改性沥青的延度达到200 mm以内。纳米蒙脱石的掺量增加的同时会削弱改性沥青抵抗低温抗开裂的能力，掺量在0%～4%之间变化时，抗低温开裂的能力下降幅度较大。

3.4 旋转黏度

黏度是沥青黏稠程度的度量指标，研究选取测定改性沥青135 ℃环境下的旋转黏度，测试不同掺量下纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的旋转黏度试验数据如表5。

表5 旋转黏度检测试验结果

由表5可知，随着纳米蒙脱石掺量的提升，纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的旋转黏度(135 ℃)逐渐提升，纳米蒙脱石掺量在3%和6%时改性沥青的黏度较SBS改性沥青提升了7.5%和15.0%。

3.5 动态剪切流变

将不同掺量下纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青进行动态剪切流变试验，DSR试验可获取复数剪切模量(G*)、相位角(δ)等技术参数，用车辙因子(G*/sinδ)作为评价沥青材料高温性能的技术指标，采用疲劳因子G*sinδ作为评价沥青材料的抗中低温性技术指标。以车辙因子和疲劳因子来衡量改性沥青的差异性试验结果如图2、图3。

图2 纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的车辙因子

图3 纳米蒙脱石/SBS复掺改性沥青的疲劳因子

由图2和图3可知随着纳米蒙脱石掺量的提升，改性沥青的车辙因子也逐渐提升。其中，45 ℃温度下，普通SBS改性沥青的车辙因子大小为55 250 Pa，纳米蒙脱石掺量为3%时，车辙因子大小为69 594 Pa，提升了1.26倍。疲劳因子是模拟了中低温环境下沥青抵抗疲劳的工作性能，随着纳米蒙脱石掺量的提升，改性沥青的疲劳因子也逐渐降低。其中，12 ℃温度下，普通SBS改性沥青的疲劳因子大小为10 484 Pa，纳米蒙脱石3%时，疲劳因子大小为7 113 Pa，下降了0.68倍，

4 灵敏度分析

为表征纳米蒙脱石掺量对改性沥青的影响程度，研究采用灵敏度分析方法进行评价，以纳米蒙脱石掺量为横坐标，以各性能指标的提升/下降变化率为纵坐标进行绘图，如图4。

图4 改性沥青的灵敏度分析

由图4可知，随着纳米蒙脱石掺量的提升，软化点和旋转黏度呈上升趋势，针入度和延度呈下降趋势。其中，延度的变化幅度最大，软化点和旋转黏度的变化幅度较为接近，延度的变化幅度最小，说明改性沥青的延度受纳米蒙脱石掺量的变化影响幅度较大，可以作为评价改性沥青性能的关键性指标。此外，纳米蒙脱石掺量由0变化到3%，软化点和旋转黏度增加约8%，掺量超过3%增加幅度减小；针入度减小约5%，掺量超过3%减小幅度趋缓；延度变化幅度约40%，掺量超过3%变化幅度有所减缓。同时考虑到纳米蒙脱石成本较高，笔者认为纳米蒙脱石掺量在3%时对于实际工程应用较为合适。

5 结 论

1)随着纳米蒙脱石掺量的增加，改性沥青的软化点和旋转黏度增大，针入度和延度逐渐下降，其中延度受纳米蒙脱石掺量变化的影响最大，可作为评价改性沥青的关键性指标。

2)随着纳米蒙脱石掺量的提升，改性沥青的车辙因子也逐渐提升。45 ℃温度下，普通SBS改性沥青的车辙因子大小为55 250 Pa，纳米蒙脱石掺量为3%时，车辙因子大小为69 594 Pa，提升了1.26倍。

3)随着纳米蒙脱石掺量的提升，改性沥青的疲劳因子也逐渐降低。12 ℃温度下，普通SBS改性沥青的疲劳因子大小为10 484 Pa，纳米蒙脱石3%时，疲劳因子大小为7 113 Pa，下降了0.68倍。

4)随着纳米蒙脱石掺量的提升，软化点和旋转黏度呈上升趋势，针入度和延度呈下降趋势。其中，延度的变化幅度最大，软化点和旋转黏度的变化幅度较为接近，延度的变化幅度最小，说明改性沥青的延度受纳米蒙脱石掺量的变化影响幅度较大，可以作为评价改性沥青性能的关键性指标，笔者认为纳米蒙脱石掺量在3%掺量时适用于实际工程需求。