納米CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究

關(guān) 陽，熊 敏，劉俊斌，王躍虎

(長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410004)

截止2019年年末，我國公路總里程已達(dá)到501.25萬公里，比上年增加16.60萬公里，瀝青路面憑借諸多優(yōu)點(diǎn)在道路建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用。SBR改性瀝青由于經(jīng)濟(jì)成本低、低溫性能良好在年平均氣溫較低的地區(qū)應(yīng)用較多，由于其高溫穩(wěn)定性不足，限制了SBR改性瀝青的進(jìn)一步推廣。納米材料是三維中至少有一維尺寸在0～100 nm之間的晶體，具有小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，將其加入瀝青中可充分發(fā)揮納米材料的尺寸優(yōu)勢(shì)，從微觀角度改變?yōu)r青內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升瀝青的各種宏觀性能[1-6]。納米CaCO3由于價(jià)格低廉、研究技術(shù)成熟而受到廣泛關(guān)注，馬峰[7]對(duì)納米CaCO3改性瀝青進(jìn)行研究，結(jié)果表明納米CaCO3加入基質(zhì)瀝青后可與基質(zhì)瀝青形成穩(wěn)定體系，有效提高改性瀝青的高溫性能。張榮輝[8]等將納米CaCO3加入橡膠改性瀝青中進(jìn)行復(fù)合改性，研究結(jié)果表明復(fù)合改性瀝青的高溫性能得到明顯改善，對(duì)其低溫性能影響不大。劉大梁[9]對(duì)納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明納米CaCO3可有效提升SBS改性瀝青的高溫性能，低溫韌性也略有改觀。Han[10]等將納米CaCO3與SBS進(jìn)行復(fù)合改性，試驗(yàn)結(jié)果表明其高溫性能有較大改善，低溫性能仍不理想。陳正偉[11]采用高速剪切的方法制備納米CaCO3/TiO2/SBR復(fù)合改性瀝青，室內(nèi)試驗(yàn)表明最佳改性劑摻量下復(fù)合改性瀝青具有較強(qiáng)的高溫抗車轍能力，且低溫性能與抗老化性也有顯著提升。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明納米CaCO3對(duì)基質(zhì)瀝青與改性瀝青的高溫性能具有明顯改善作用，鑒于SBR改性瀝青的低溫性能較為突出而高溫性能較弱，該文將納米CaCO3微粒加入SBR改性瀝青中制得納米CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青，通過三大指標(biāo)試驗(yàn)、高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)、低溫抗裂性試驗(yàn)及水穩(wěn)定性試驗(yàn)，探究納米CaCO3的加入對(duì)SBR改性瀝青的性能影響。

1 原材料與試樣制備

1.1 原材料

1)基質(zhì)瀝青及集料

該文研究過程中使用東海牌70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料及細(xì)集料為河南新鄉(xiāng)某石料廠提供的石灰?guī)r，尺寸規(guī)格為0～2.36 mm，礦粉由石灰?guī)r研磨而成。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2)納米CaCO3

選用山東海澤納米碳酸鈣有限公司生產(chǎn)的納米CaCO3微粒，外觀為白色粉末，尺寸為15～40 nm，比表面積大于50 m2/g。納米CaCO3尺寸小、表面活性大，未經(jīng)處理就加入基質(zhì)瀝青中容易引起材料團(tuán)聚，不能達(dá)到良好的分散效果，因此在試驗(yàn)中選用硅烷偶聯(lián)劑、乙醇、乙酸的混合溶液對(duì)納米CaCO3進(jìn)行表面處理。

3)SBR

SBR改性劑為岳陽石油化工生產(chǎn)，呈白色顆粒狀，具有較好的撕裂強(qiáng)度與扯斷伸長率。

1.2 試樣制備

1)SBR改性瀝青

將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，加入4%(瀝青質(zhì)量)SBR，以1 000 r/min轉(zhuǎn)速對(duì)其進(jìn)行攪拌20 min，達(dá)到溶脹狀態(tài)后，采用高速剪切儀以5 000 r/min轉(zhuǎn)速剪切30 min，即得到SBR改性瀝青。

2)納米CaCO3/SBR改性瀝青

將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下加入4%納米CaCO3，剪切30 min后加入4%SBR繼續(xù)剪切30 min，隨后在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下低速剪切60 min，即可制得納米CaCO3/SBR改性瀝青。

3)瀝青混合料

分別采用基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青制備連續(xù)密級(jí)配AC-13瀝青混合料，級(jí)配范圍如表2所示，經(jīng)過馬歇爾試驗(yàn)法確定SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

表2 瀝青混合料級(jí)配表 /%

2 性能研究

2.1 改性瀝青性能研究

分別對(duì)基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 改性瀝青三大指標(biāo)性能試驗(yàn)

由表3可知，SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青各項(xiàng)性能較基質(zhì)瀝青均有明顯提升。與基質(zhì)瀝青相比，SBR改性瀝青軟化點(diǎn)略有上升，延度大幅度增大，針入度也明顯減小，說明SBR改性劑可明顯改善瀝青低溫性能，對(duì)其高溫性能提升不明顯。加入納米CaCO3后，復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)與SBR改性瀝青相比提升約19.7%、與基質(zhì)瀝青相比提升約23.0%，同時(shí)針入度減小、延度也得到明顯提升，表明在基質(zhì)瀝青中加入納米CaCO3及SBR改性劑可使改性瀝青的高溫性能及低溫性能得到明顯改善。

2.2 改性瀝青混合料性能研究

1)高溫穩(wěn)定性

分別對(duì)SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，測定在荷載作用下的動(dòng)穩(wěn)定度，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度雖均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，但SBR改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度僅略大于規(guī)范中規(guī)定的2 800 次/mm，仍不能廣泛適用于高溫地區(qū)[12]。與SBR改性瀝青混合料相比，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度有較大增長，由2 957 次/mm增長至4 528 次/mm，增幅約53.1%，說明在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3可有效提升改性瀝青混合料在高溫下抵抗車轍的能力。

2)低溫彎曲試驗(yàn)

改性劑對(duì)瀝青混合料高溫性能的提升總是會(huì)伴隨著低溫性能的下降，高溫抗車轍性能與低溫抗裂性俱佳才能保證其瀝青混合料有良好的路用性能，因此在-10 ℃下對(duì)SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，檢測在低溫條件下瀝青混合料的抗裂性能，具體試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3使瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度與最大破壞彎拉應(yīng)力變小，表明與SBR改性瀝青混合料相比，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂性能有所下降，對(duì)比現(xiàn)行規(guī)范，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能仍可滿足大部分地區(qū)使用。

3)水穩(wěn)定性

瀝青路面水損害一直是導(dǎo)致路面及路基破壞的重要原因，為確保納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性，分別對(duì)SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比均大于SBR改性瀝青混合料，表明在SBR改性瀝青混合料中加入納米CaCO3可有效提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性，具有一定抵御水損害的能力。

3 結(jié) 論

為探究納米CaCO3與SBR改性劑對(duì)瀝青及瀝青混合料的協(xié)同作用，試驗(yàn)制備SBR改性瀝青及納米CaCO3/SBR改性瀝青及相應(yīng)的瀝青混合料。結(jié)果表明，在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3可明顯提升改性瀝青的高溫性能，在瀝青混合料高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性方面，納米CaCO3可有效改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能及抵御水損害的能力，對(duì)其低溫抗裂性作用效果不理想，但仍滿足規(guī)范要求。