納米復合改性瀝青路面灌縫密封膠性能測試研究

彭 燕

(楊凌職業(yè)技術(shù)學院,陜西 咸陽 712100)

瀝青路面因其優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于道路工程,包括施工期短、噪音低、安全、駕駛舒適、可回收性等。隨著交通量和車輛負荷的快速增長,發(fā)生了嚴重的瀝青路面損壞,道路維護措施逐漸成為保證服務(wù)績效的關(guān)鍵。在許多類型的路面損壞中,路面開裂是最常見的損壞形式之一,不僅破壞了路面的完整性,還會導致水滲透,軟化了底座,削弱了底座的承載力,并對道路造成結(jié)構(gòu)性損壞。瀝青路面造成的大多數(shù)污染是由瀝青耐用性差造成的路面損壞造成的二次環(huán)境污染。使用瀝青覆蓋地球作為路面曾經(jīng)被認為與環(huán)境友好性背道而馳。然而,道路破壞造成的翻新造成的環(huán)境污染無疑將導致更嚴重的環(huán)境退化。工程實踐表明,裂紋密封是處理路面開裂類型損壞的有效方法。因此,人們越來越關(guān)注對密封材料的研究,并按照時代的要求出現(xiàn)了各種類型的密封膠。其中,加熱瀝青密封膠因其出色的裂紋密封效果和低廉的價格而被廣泛應(yīng)用于道路維護項目。鑒于橡膠改性瀝青具有優(yōu)異的抗變形和抗裂紋性能,本文使用CNTs/SBS對瀝青進行改性,以研究瀝青路面灌縫密封膠材料的優(yōu)化性能。

1 瀝青路面灌縫密封膠的應(yīng)用現(xiàn)狀

裂縫是瀝青路面的主要問題。密封膠是最常用的裂紋修復材料之一,其性能是影響瀝青路面使用壽命的關(guān)鍵。然而,填充道路裂縫后留在表面的密封材料將直接暴露在自然環(huán)境中,并不斷暴露在陽光下?，F(xiàn)場調(diào)查表明,暴露在陽光直射下的瀝青路面的最大溫度可以超過60攝氏度。連續(xù)的高溫可能會導致密封膠老化,機械性能過早下降,以及與道路的粘合力降低,這意味著瀝青很容易被車輛帶走。因此,提高密封材料的高溫穩(wěn)定性很重要[1-2]。

瀝青密封膠材料主要由基質(zhì)瀝青、橡膠粉末、各種聚合物、軟化劑、填料等組成,并通過引入不同的廢料/原始聚合物來提高瀝青密封膠/乳劑的性能。有多種聚合物改性瀝青,其中最常見的是使用橡膠粉末作為改性劑的橡膠改性瀝青。熱塑性橡膠改性瀝青包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-異戊二烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)和其他嵌段共聚物的改性?；跇渲臑r青改性包括添加聚乙烯(PE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)。Zhang等人選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)作為改性劑,制備了一種新型的瀝青路面密封膠,研究發(fā)現(xiàn),SBS可以在瀝青中形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高瀝青的柔性。不過,由于使用單一聚合物制備的改性密封膠材料在性能上存在缺陷(例如缺乏抗熱老化能力等),有些研究人員提出將碳納米管(CNTs)、納米粘土、納米二氧化鈦等納米材料作為改性劑添加到瀝青中,在納米維度上改變材料的整體性能。其中,CNTs具有質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、強度高等優(yōu)點,因此在改性瀝青材料領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[3-4]。

2 利用CNTs/SBS對瀝青材料灌縫密封膠改性

2.1 準備材料

選擇瀝青粘合劑作為制備密封膠的基礎(chǔ)粘合劑,表1列示該種瀝青粘合劑的基本性能指標,即為:針入度、軟化點、動力粘度和延度。其中,針入度越大,表示瀝青越軟,黏度越小; 軟化點越高,表示耐熱性越好;延度值越大,表示塑性越好;瀝青的60 ℃動力黏度越大,則瀝青的高溫抗車轍效果越好。

表1 純?yōu)r青的基本特性

星形SBS聚合物和99%純度多壁CNT的特性如表2和表3所示。此外,本研究選用糠醛抽出油(FEO)作為改性密封膠的增容劑,因為FEO中的有機芳香化合物可以改善SBS的溶脹效應(yīng),增強SBS和瀝青之間的相容穩(wěn)定性[5-6]。

表2 SBS的主要特性

表3 CNTs的主要特性

表4 CNTs/SBS改性瀝青灌縫密封膠的流動值

2.2 制備過程

CNTs呈黑色粉末狀,容易形成自聚。SBS的表面是蓬松多孔的白色顆粒,SBS的交聯(lián)代表了SBS的星形結(jié)構(gòu)。為了避免CNTs的團聚影響其在瀝青中的分散效果,同時考慮到CNTs的高比表面積,容易吸附在蓬松多孔材料的表面。因此,在本研究中,首先將SBS加入到含有CNTs的容器中,然后人工攪拌2種改性劑,得到CNTs/SBS復合改性劑。由于2種改性劑的顏色不同,可以通過2種改性劑混合前后的顏色變化來判斷2種改性劑是否混合均勻[7-8]。一方面,這種方法可以將CNTs充分吸附在SBS顆粒表面;另一方面,通過研磨可以將結(jié)塊的CNTs分散在SBS顆粒之間。最后,將CNTs/SBS復合改性劑加入到基質(zhì)瀝青中。然后,進行改性瀝青密封膠的制備。

使用電動攪拌器、高速剪切機和加熱套制備CNTs/SBS改性瀝青密封膠。首先,將基礎(chǔ)瀝青加熱到流動狀態(tài),然后在170 ℃下加入FEO,待攪拌均勻后,加入CNTs/SBS復合改性劑,用電動攪拌器以800 rp/m的速度攪拌膨脹30 min。其次,溫度上升到180 ℃,用高速剪切機以4 000 rp/m的速度剪切50 min。最后,溫度降低到170 ℃,用電動攪拌器以500 rp/m的速度攪拌混合物40 min,得到CNTs/SBS改性的瀝青密封膠[9-10]。

過多的CNTs會導致結(jié)塊的問題,所以結(jié)合已有研究設(shè)置了不同規(guī)格的改性劑含量。在本研究中,根據(jù)CNTs含量(0.5%和1%)的不同制備了2種改性瀝青密封膠; 另外,SBS改性劑的含量為5%,FEO為3%。上述含量是以占基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比計算的。根據(jù)CNTs的不同含量,所制備的樣品被命名為CS-0.5和CS-1。

3 CNTs/SBS改性瀝青灌縫密封膠的性能測試

3.1 轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)

密封膠對裂縫的修復效果與施工溫度密切相關(guān)。溫度過低會導致密封膠過于粘稠,難以完全滲入裂縫中[11-12]。施工溫度過高雖然可以增加材料的流動性,但也可能加速密封膠的老化,影響其路面性能。密封膠的最佳施工溫度可根據(jù)其在不同溫度下的黏度來確定。另外,通過不同溫度下的轉(zhuǎn)動粘滯測試結(jié)果,可以分析密封膠的高溫敏感性。

在本研究中,記錄了同一溫度下不同轉(zhuǎn)速的黏度(粘滯系數(shù))和相應(yīng)的扭矩,并對結(jié)果進行對數(shù)處理,通過線性擬合得到回歸方程。最后,根據(jù)回歸方程,計算出同一溫度下扭矩為50%時的相應(yīng)粘滯值,作為測量溫度下的黏度代表值。

如圖1中所示的黏度-溫度曲線,表示2種密封膠在不同溫度下的黏度。從圖中可以看出,在135～160 ℃的較低溫度下,CNTs的含量對密封膠的黏度有明顯影響,CS-1的黏度明顯高于CS-0.5。一方面,這是由于加入CNTs增加了瀝青材料的分子間相互作用;另一方面,這與納米材料的表面能有關(guān)。由于CNTs表面有很強的范德華力,在實驗過程中可以防止瀝青膠體結(jié)構(gòu)的破壞,增加粘滯力。此外,溫度在135～160 ℃內(nèi),密封膠的溫度敏感性比較高,密封膠的黏度隨溫度變化明顯。在160～200 ℃的溫度下,CNTs含量的增加對密封膠的黏度沒有明顯影響[13-14]。這表明密封膠黏度的變化是由CNTs和瀝青狀態(tài)的共同作用造成的。

圖1 灌縫密封膠的粘度-溫度曲線圖

對于密封膠CS-1來說,其在150 ℃時的黏度超過3 Pa·s,因此很難保證材料能夠充分填充裂縫,不能達到理想的施工效果。此外,過高的施工溫度會加速密封膠的老化,導致材料的路用性能受損[15-16]。因此,考慮到這兩種密封膠的實際施工質(zhì)量,建議施工溫度為160～180 ℃。

3.2 常規(guī)特性測試

與基質(zhì)瀝青或改性瀝青的評估不同,密封膠的性能評估需要進行錐入度試驗、彈性恢復試驗和流動試驗。本研究進行了5 ℃軟化點測試(JTG:T 0606)、25 ℃錐入度測試 (JT/T:6.2)、25 ℃彈性恢復率測試(JT/T:6.5)、60 ℃流動測試(JT/T:6.4)以及25 ℃針入度試驗(JTG:T 0604)。錐入度測試可以反映材料的柔性和硬度;流動試驗和軟化點試驗都可以反映密封膠的高溫性能,而流動測試是為了檢驗密封膠在高溫下是否會出現(xiàn)流動和粘輪的問題。為了使密封膠的老化效果更加明顯,本研究選擇180 ℃作為老化溫度[17-18]。根據(jù)《路面加熱型密封膠 JT/T 740—2015》的規(guī)范要求,需要滿足普通密封膠的技術(shù)指標。

軟化點:≥80 ℃;錐入度:50～90(0.1 mm);彈性恢復率:30%～70%;流動值:≤5 mm。

如圖2所示,2種密封膠在老化前(CS)和老化后(ACS)都符合規(guī)范要求。比較2種密封膠的軟化點,可以發(fā)現(xiàn),隨著CNTs含量的增加,密封膠的軟化點得到了改善。此外,2種材料的軟化點在老化后都有所提高。通過錐入度測試可以發(fā)現(xiàn),CNTs的加入使密封膠的硬度有所提高,CS-1的錐入度略低于CS-0.5的錐入度。針入度的變化規(guī)律與錐入度相似。

圖2 CNTs/SBS改性密封膠的常規(guī)性能

加熱老化后,由于瀝青中輕質(zhì)成分(主要是油分,即飽和分和芳香分)的揮發(fā),密封膠的錐入度和針入度都有所下降。CS-0.5的彈性恢復率明顯高于CS-1,但老化后CS-0.5的彈性恢復率下降較多。這表明,雖然SBS老化后的降解反應(yīng)破壞了SBS原本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),降低了密封膠的彈性恢復率,但CNTs的加入可以有限阻止SBS的降解,在一定程度上抑制材料的老化。彈性恢復率過低的密封膠容易嵌入碎石,而彈性恢復率過高則容易形成二次裂縫[19]。對比2種材料的彈性恢復率,CS-1的彈性恢復率在55%左右,并且具有更好的抗碎石能力和避免二次裂縫的性質(zhì)。

流動值是為了評估密封膠的高溫穩(wěn)定性而引入的技術(shù)指標。如果材料的流動值不達標,在高溫下就容易出現(xiàn)粘輪現(xiàn)象。2種樣品老化前后的流動值如表6所示。CS-1的流動值比CS-0.5低。一方面,認為隨著CNTs含量的增加,密封膠的高溫性能得到改善。另一方面,由于CNTs含量較高,CS-1的黏度較高。CNTs在SBS表面的相互作用增加了聚合物的表面粗糙度,從而改善了SBS與瀝青界面的相容性,降低了材料在高溫下的流動值。

3.3 應(yīng)變掃描測試

應(yīng)變掃描試驗被用來確定改性瀝青密封膠的線性粘彈性,視頻引伸計(LVE)可通過拍攝實驗過程的圖像,分析圖像特征變化動態(tài)測量試件應(yīng)變變化。通過應(yīng)變掃頻試驗,得到某一溫度和頻率下密封膠線性粘彈性的極限應(yīng)變值(γLVE)。

作為一種典型的彈、粘、塑性材料,瀝青的流變學參數(shù)如復變模量、相位角等都是在線性粘彈性的條件下定義的。一般來說,在同一溫度下,頻率越高,瀝青的線性粘彈性區(qū)間越小;在同一頻率下,溫度越低,瀝青的線性粘彈性區(qū)間越小。為了在最極端的條件下測試出該材料LVE區(qū)間,本研究的應(yīng)變掃頻試驗是在高頻率、低溫度的條件下進行的。因此,在本研究中,選擇10 Hz作為應(yīng)變掃描試驗頻率,溫度條件為25 ℃。模量-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 應(yīng)變掃頻曲線

假設(shè)初始模量下降等于5%時對應(yīng)的點為LVE極限,縱向虛線的左邊是密封膠的線性粘彈性區(qū)間,其中材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系只受溫度和頻率的影響,而右邊是非線性粘彈性區(qū)間。圖3表明,在較低的應(yīng)變范圍內(nèi),模量與應(yīng)變值有良好的線性關(guān)系,模量變化不明顯。隨著應(yīng)變的增加,線性關(guān)系被破壞,復合剪切模量大大下降。比較CS-1和CS-0.5的數(shù)據(jù)曲線,可以看出,雖然密封膠的復合模量隨著CNTs含量的增加而增加,但密封膠的LVE范圍沒有明顯變化。CS-1的γLVE為2.26%,CS-0.5的γLVE為2.16%。

4 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)密封膠耐高溫變形性低的問題,本文利用碳納米管和SBS為路面維護工程制備了一種具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和抗變形能力的瀝青灌縫密封材料,擴大了碳納米管在路面維修工程中的應(yīng)用。此外,還通過進行軟化點測試、錐入度測試、針入度掃描測試、彈性恢復率測試以及LVE掃描測試,估計了這種新型CNTs/SBS復合改性瀝青灌縫密封膠的高溫性能、流變性能和抗老化性能,認為CNTs能夠顯著改善瀝青灌縫密封膠的實用性,對延長瀝青路面使用時限有著積極的促進作用。