鎂鋁型水滑石對SBS改性瀝青抗老化性能的影響研究*

崔樹華 余劍英 李元元 劉全濤

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

鎂鋁型水滑石對SBS改性瀝青抗老化性能的影響研究*

崔樹華 余劍英 李元元 劉全濤

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀，研究了不同摻量的水滑石(LDH)對SBS改性瀝青高溫性能、抗疲勞性及低溫性能的影響.進(jìn)行短期熱氧老化和紫外老化試驗(yàn)，分別采用傅里葉紅外光譜儀和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，對老化前后瀝青特征官能團(tuán)和粘度進(jìn)行測試，研究不同摻量的LDH對SBS改性瀝青抗熱氧和光氧老化的影響.結(jié)果表明，摻入LDH后，瀝青的復(fù)核模量增大、相位角減小、抗車轍性能提高；蠕變勁度增大、勁度變化速率減小、瀝青的低溫性能降低；當(dāng)LDH摻量不大于4%時(shí)，LDH對SBS改性瀝青低溫性能的降低幅度可控制在一個(gè)PG等級.添加LDH后，老化后SBS改性瀝青的IC=O和粘度的增大幅度減小、ISBS的減小幅度減小，表明LDH能夠提高SBS改性瀝青的抗老化和紫外老化性能，且LDH摻量越大，其改性效果越顯著.綜合LDH對SBS改性瀝青技術(shù)性能以及抗老化效果的影響，推薦LDH的最佳摻量為4%.

鎂鋁型水滑石；SBS改性瀝青；抗老化性能；LDH最佳摻量

0 引 言

瀝青在生產(chǎn)、儲存和自然環(huán)境服役過程中受到熱、光、氧和水等因素作用會(huì)發(fā)生老化，使得瀝青路面服務(wù)壽命顯著降低[1].無機(jī)層狀粒子LDH是一類性能優(yōu)異的紫外阻隔材料，其多級層板能夠多次反射和折射紫外光，對紫外線起到物理屏蔽作用；層板上的金屬元素和層間陰離子可以對紫外線起到化學(xué)吸收作用[2].近年來對LDH作為瀝青抗老化改性劑的研究較多[3]，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)一般僅采用一個(gè)摻量(3%或5%)或兩個(gè)摻量(3%和5%)水平[4-5]，不足以全面掌握LDH摻量對瀝青抗老化性能的影響趨勢，不能全面評價(jià)LDH的改性效果.為了指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，需要對更寬域LDH摻量進(jìn)行研究.

選取瀝青路面的表面層常用膠結(jié)料SBS改性瀝青和鎂鋁型LDH，在較寬域的摻量范圍內(nèi)(2.0%～7.0%)擬定六個(gè)LDH摻量水平，制備LDH改性瀝青.采用三大指標(biāo)和粘度試驗(yàn)研究LDH對瀝青物理性能的影響；采用DSR和BBR，對瀝青流變性能和疲勞性能能進(jìn)行研究；采用FTIR和布氏粘度計(jì)對老化前后瀝青的特征官能團(tuán)及粘度進(jìn)行測試，研究LDH摻量對瀝青抗老化性能的影響.最后結(jié)合LDH對SBS改性瀝青物理和流變性能及抗老化性能的影響特性，給出適宜的LDH摻量.

1 原材料

1.1 瀝青

選用某生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見表1.

1.2 LDH

LDH的分子式一般表示為

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表2 LDH技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 LDH改性瀝青的制備

LDH摻量擬定2.0%～7.0%六個(gè)水平，LDH改性瀝青的制備過程為：將SBS改性瀝青加熱至170 ℃，并采用自動(dòng)溫度傳感器將溫度穩(wěn)定在170 ℃，然后加入設(shè)計(jì)摻量的LDH，并采用高速剪切機(jī)保持4 000 r/min的剪切速率剪切40 min.由于LDH改性瀝青制備階段加熱過程不可避免的引起瀝青的老化，為保證基質(zhì)瀝青作為LDH改性瀝青對比樣的合理性，使其經(jīng)歷與LDH改性瀝青相同的加熱老化過程.

2 結(jié)果與討論

2.1 LDH摻量對瀝青物理性能的影響

不同摻量的LDH改性瀝青的物理性能試驗(yàn)結(jié)果見表3.添加LDH后，瀝青的軟化點(diǎn)和粘度增大，針入度、延度降低.表明LDH的添加使得SBS改性瀝青趨于硬化.SBS改性瀝青的60 ℃粘度隨著LDH摻量的增大而增大.其原因是，分散于瀝青中的無機(jī)粉末LDH對瀝青分子的自由運(yùn)動(dòng)存在阻礙作用，且這種阻礙作用隨著LDH摻量的增大而增強(qiáng).

表3 LDH對SBS改性瀝青物理性能的影響

2.2 LDH摻量對瀝青流變和疲勞性能的影響

2.2.1LDH摻量對瀝青高溫流變性能的影響

圖1為不同LDH摻量SBS改性瀝青的復(fù)核模量(G*)和相位角(δ).添加LDH后，SBS改性瀝青的G*增大、δ減小.其中2%摻量的LDH對瀝青G*提高幅度較小；LDH摻量大于3%后，G*顯著升高；尤其是當(dāng)LDH摻量增大至6%和7%時(shí)，SBS改性瀝青G*大幅升高.表明LDH能夠提高SBS改性瀝青在重復(fù)剪切力作用下抵抗變形的能力.

對于基質(zhì)瀝青，通常其δ隨著溫度的升高單調(diào)增大，δ的增大預(yù)示著瀝青膠結(jié)料在高溫時(shí)易產(chǎn)生永久變形.由圖1b)知，隨著溫度的升高，SBS改性瀝青的δ先減小后增大，表明SBS能夠降低瀝青高溫時(shí)的δ，增大瀝青中的彈性成分比例，提高其抗車轍性能.添加2%和3%摻量的LDH后，δ僅小幅降低；而當(dāng)LDH摻量大于4%后，δ顯著降低，表明復(fù)合模量中的彈性成分比例增大，粘性成分比例減小.

圖1 LDH對SBS改性瀝青復(fù)合模量和相位角的影響

車轍因子(G*/sinδ)能夠反映瀝青膠結(jié)料抗車轍性能，車轍因子大表明瀝青膠結(jié)料抗車轍性能好，反之瀝青膠結(jié)料抗車轍性能差.為滿足瀝青膠結(jié)料抗車轍性能的要求，其老化前的車轍因子應(yīng)滿足不小于1.0 kPa的要求.不同LDH摻量SBS改性瀝青車轍因子的試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 LDH對SBS改性瀝青抗車轍性能的影響

由圖2可知，隨著溫度的升高，SBS改性瀝青的車轍因子減小.當(dāng)溫度升高至82 ℃時(shí)，所有瀝青的車轍因子仍略大于1.0 kPa，若不考慮TFOT老化后瀝青的車轍因子，則SBS改性瀝青以及2%～7%摻量的SBS改性瀝青的PG高溫等級為82 ℃.在52～82 ℃溫度范圍內(nèi)，SBS改性瀝青的車轍因子隨著LDH摻量的增大而增大，表明摻入LDH能夠提高SBS改性瀝青的抗車轍性能，LDH摻量越大，瀝青抗車轍性能越好增大，這主要與LDH的硬化效應(yīng)有關(guān).

2.2.2LDH摻量對瀝青中溫疲勞性能的影響

疲勞因子(G*sinδ)能夠用于評價(jià)瀝青膠結(jié)料的抗疲勞性能，疲勞因子小則表明瀝青膠結(jié)料抗疲勞性能好，反之瀝青膠結(jié)料抗疲勞性能差[8].為了保證瀝青膠結(jié)料具有良好的抗疲勞性能，文獻(xiàn)[9]規(guī)定疲勞因子應(yīng)不大于5.0 MPa.瀝青混合料的疲勞開裂一般起始或發(fā)展于低溫和中等溫度范圍，根據(jù)圖2中SBS改性瀝青疲勞因子的試驗(yàn)結(jié)果，原樣瀝青的PG高溫等級為82 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)[9]對應(yīng)的中等溫度范圍為28～40 ℃.不同LDH摻量SBS改性瀝青的疲勞因子見圖3.隨著LDH摻量的增大，SBS改性瀝青疲勞因子增大，瀝青膠結(jié)料抗疲勞性能減弱，表明LDH會(huì)導(dǎo)致瀝青抗疲勞性能變差，且隨著LDH摻量的增大瀝青抗疲勞性能的衰減幅度增大.

圖3 LDH對SBS改性瀝青抗疲勞性能的影響

2.2.3LDH摻量對瀝青低溫流變性能的影響

采用BBR測試LDH對SBS改性瀝青低溫條件下流變性能的影響，評價(jià)指標(biāo)為瀝青的蠕變至60 s時(shí)的蠕變勁度(S)和勁度變化速率(m值)，為了保證瀝青膠結(jié)料具有良好的低溫抗開裂性能，文獻(xiàn)[9]規(guī)定蠕變勁度應(yīng)不大于300 MPa，m值應(yīng)大于0.300.

添加和未添加LDH的SBS改性瀝青的蠕變勁度見圖4a).添加和未添加LDH的SBS改性瀝青m值見圖4b).

圖4 LDH對SBS改性瀝青S、m值的影響

S與m值的變化趨勢表明，7%摻量LDH將會(huì)使得SBS改性瀝青的PG低溫等級降低兩個(gè)等級，4%，5%和6%摻量LDH會(huì)使得SBS改性瀝青的PG低溫等級降低一個(gè)等級，當(dāng)LDH摻量小于4%時(shí)，LDH不會(huì)引起SBS改性瀝青的PG低溫等級的降低.為保證瀝青低溫性能降幅不至過大，LDH摻量應(yīng)不大于4%.

2.3 LDH摻量對瀝青抗老化性能的影響

2.3.1瀝青老化試驗(yàn)

瀝青的短期熱氧老化試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的方法(TFOT)進(jìn)行.隨后對經(jīng)過短期熱氧老化的瀝青進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，紫外老化試驗(yàn)參數(shù)：瀝青紫外老化盤直徑為140 mm，試樣質(zhì)量為(20±0.1) g.紫外光輻照度為2 000 μW/m2，紫外光主波長為365 nm，紫外老化時(shí)間為14 d，試驗(yàn)溫度50±0.5 ℃.

2.3.2老化前后特征官能團(tuán)

瀝青老化后會(huì)產(chǎn)生一些高極性的分子，隨著老化程度的加重，瀝青的羰基(1 700 cm-1)含量增大.而文獻(xiàn)[10]研究表明，在老化過程中SBS改性瀝青中的SBS同樣會(huì)被老化降解，使得SBS改性瀝青的路用性能降低.基于紅外光譜測試瀝青老化前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用羰基指數(shù)(IC=O)和SBS指數(shù)(ISBS)評價(jià)LDH對瀝青抗老化性能的影響，IC=O和ISBS的計(jì)算件式(1)～(2).

(1)

(2)

式中：IC=O和ISBS分別為羰基指數(shù)和SBS指數(shù)；S1 700 cm-1和S966 cm-1分別波數(shù)為1 700 cm-1和966 cm-1羰基和SBS吸收譜帶面積；S2 000～600 cm-1為波數(shù)為2 000～600 cm-1所有吸收譜帶的面積.

老化前后SBS改性瀝青的IC=O和ISBS試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5.由圖5可知，TFOT和UV老化后SBS改性瀝青的IC=O增大、ISBS減小.由圖6a)可知，老化后，添加2% LDH的瀝青的IC=O同未添加LDH的瀝青基本相等，甚至高于未添加LDH的瀝青，表明2% LDH不能有效提高SBS改性瀝青的抗老化性能；而添加3%的LDH使得老化后瀝青的IC=O顯著降低，且其紫外老化后的降低效果較熱氧老化更為顯著.因此，LDH能夠提高SBS改性瀝青的抗熱氧老化性能和紫外老化性能.但是當(dāng)LDH摻量高于3%后，隨著LDH摻量的增大老化后IC=O基本不變，老化后6%和7%LDH摻量SBS改性瀝青的IC=O甚至增大.

圖5 老化前和老化后SBS改性瀝青的SBS指數(shù)(ISBS)

由圖5b)可知，老化前隨著LDH摻量的增大，SBS改性瀝青的ISBS表現(xiàn)出增大趨勢，可能是由于LDH改性瀝青制備階段(170 ℃，40 min)老化程度不一所致，且添加LDH后瀝青的老化程度降低.TFOT和UV老化后，添加LDH的SBS改性瀝青的ISBS降低幅度減小，表明添加LDH后SBS改性瀝青老化程度降低，LDH能夠提高SSB改性瀝青的抗老化性能.當(dāng)LDH摻量為2%和3%時(shí)，LDH對SBS改性瀝青抗老化性能的提高不顯著，老化后ISBS僅小幅增大.當(dāng)LDH摻量增大至4%或更高時(shí)，LDH的對SBS改性瀝青抗老化性能的改性效果顯著提高；但需要注意的是，當(dāng)LDH摻量大于4%后，隨著LDH摻量的增大老化后ISBS基本不變.因此，考慮改性效果和經(jīng)濟(jì)性，推薦LDH的最佳摻量為4%.

2.3.3老化前后粘度老化指數(shù)

粘度老化指數(shù)能夠評價(jià)瀝青的抗老化性能，粘度老化指數(shù)大表明瀝青抗老化性能差，反之瀝青抗老化性能好.TFOT和UV老化后瀝青的粘度老化指數(shù)分別依據(jù)式(3)～(4)計(jì)算.SBS改性瀝青TFOT和UV老化后瀝青的粘度老化指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4.

VAITFOT=(VTFOT-Vvirgin)/Vvirgin×100% (3)

VAIUV=(VUV-Vvirgin)/Vvirgin×100%

(4)

式中：VAITFOT和VAIUV分別為TFOT和UV老化后瀝青的粘度老化指數(shù)，%；Vvirgin、VTFOT和VUV分別為老化前、TFOT老化后和UV老化后瀝青的粘度，Pa·s.

由表4可知，相比于未添加LDH的SBS改性瀝青，添加LDH后，TFOT和UV老化后SBS改性的粘度增大幅度減小，表明LDH能夠提SBS改性瀝青的抗熱氧和紫外老化性能，且隨著LDH摻量的提高，改性效果更加顯著.2%摻量的LDH僅能小幅(小于2%)提高SBS改性瀝青的抗老化性能；當(dāng)LDH摻量為3%時(shí)，改善效果更加顯著；但當(dāng)LDH劑量高于5%時(shí)，LDH摻量的提高對SBS改性瀝青抗老化性能的改善效果不大.只考慮VAI的變化趨勢的情況下，3%、4%和5%劑量可以表示為一個(gè)相對合適的LDH摻量.

表4 TFOT和UV老化后瀝青的粘度老化指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 添加LDH后，SBS改性瀝青的針入度、延度降低，軟化點(diǎn)和粘度增大，復(fù)核模量增大，相位角減小，瀝青的抗車轍性能提高；蠕變勁度增大，蠕變勁度變化速率減小，瀝青的低溫性能降低；當(dāng)LDHs摻量小于4%時(shí)，則不會(huì)引起瀝青PG低溫等級的降低.

2) TFOT和UV老化后，SBS改性瀝青的IC=O增大、ISBS減小、粘度增大；添加LDH后，老化SBS改性瀝青的IC=O和粘度的增大幅度減小、ISBS的減小幅度減小，表明LDH能夠提高SBS改性瀝青的抗熱氧老化和紫外老化性能，且LDH摻量越大，其改性效果越顯著.

3) 綜合LDH摻量對SBS改性瀝青技術(shù)性能及抗老化效果的影響，推薦LDH的最佳摻量為4%.

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Research on the Influence of Mg-Al-LDH on Anti-aging Performance of SBS Modified Asphalt

CUIShuhuaYUJianyingLIYuanyuanLIUQuantao

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The dynamic shear rheometer (DSR) and bending beam rheometer (BBR) were used to evaluate the influence of LDH with different dosages on the high temperature performance, fatigue resistance and low temperature performance of SBS modified asphalt. In order to study the LDH effect on anti-heat oxygen and light oxygen aging of SBS modified asphalt, the short-term hot oxygen aging and ultraviolet aging tests with Fourier infrared spectrometer and Brookfield viscometer were carried out to test the typical functional groups and viscosity before and after the TFOT and UV aging respectively. The results show that after adding LDH, the composite modulus increases and the anti-rutting performance improves, while the phase angle decreases. Meanwhile, the creep stiffness increases, but the stiffness changing rate will decrease and the low temperature performance will reduce. When the LDH content is lower than 4%, the influence of LDH on the low temperature performance of SBS modified asphalt is controlled within one PG grade. After aging, LDH can decrease theIC=Oand viscosity of SBS modified asphalt, while increase theISBS, which implies that LDH can improve the thermal oxide and UV aging resistance of SBS modified asphalt. The higher the LDH content, the better the modified effect is. Considering the effect of LDH on the Engineering properties and anti-aging performance of SBS modified asphalt, the optimal LDH content of 4% is recommended.

Mg-Al-LDH; SBS modified asphalt; aging resistance; optimum dosage of LDH

TU414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.033

2017-07-06

崔樹華(1976—)：男，碩士生，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闉r青路面材料

*國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2014CB932104)、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ160501)資助