納米膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青的制備及其性能研究

摘要：為評(píng)價(jià)納米膨潤土和SBS對(duì)瀝青性能的影響，文章通過將表面處理后的納米膨潤土與SBS混合制備納米膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青（MBSA），采用針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等試驗(yàn)，研究了MBSA的常規(guī)性能、高溫流變性能和老化性能。結(jié)果表明：納米膨潤土與SBS復(fù)合改性的瀝青性能最佳，二者復(fù)合改性瀝青的性能明顯優(yōu)于單一改性瀝青，MBSA的高溫流變性能與微觀老化性能具有良好的線性模型關(guān)系。該研究為開發(fā)和優(yōu)化低碳、綠色型改性瀝青提供了新思路。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；納米膨潤土；SBS；流變性能

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

瀝青作為瀝青路面的重要組成部分，其性能優(yōu)劣與瀝青路面的使用壽命密切相關(guān)［1］。SBS改性瀝青是瀝青路面最常用的改性材料，而SBS改性瀝青的抗老化與耐熱性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性是目前的研究熱點(diǎn)，以期提高瀝青的高溫性能和抗老化性能［2-3］。然而，高摻量下的納米材料因自身的團(tuán)聚現(xiàn)象，在瀝青中的分散極不穩(wěn)定［4］。這需要研究者開發(fā)新的復(fù)合改性方法，以改善復(fù)合改性瀝青體系中的分散性和穩(wěn)定性。

為提高納米材料與瀝青的相容性，目前已開發(fā)多種表面處理納米材料的方法，并制備了相應(yīng)的納米材料復(fù)合改性瀝青［5］。納米膨潤土作為硅酸鹽材料，對(duì)瀝青具有較強(qiáng)的吸附性和分散性，已被用于制備復(fù)合改性瀝青［6-7］。然而，關(guān)于納米膨潤土與SBS復(fù)合改性機(jī)理的研究很少，如何利用納米膨潤土的插層構(gòu)造改善瀝青性能，是目前面臨的重大挑戰(zhàn)［8］。

本文采用表面修飾預(yù)處理納米膨潤土，改善其層間結(jié)構(gòu)以提升瀝青路用性能，制備出性能穩(wěn)定的膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青（MBSA）；采用常規(guī)性能試驗(yàn)（針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性）、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR），對(duì)MBSA的常規(guī)性能、流變性能和老化性能進(jìn)行測(cè)試。研究成果有助于促進(jìn)納米材料的綜合利用，開發(fā)新型低成本的復(fù)合改性瀝青材料。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選擇倫特70#A級(jí)道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。納米膨潤土與SBS改性劑均由湖南某新材料有限公司提供，二者性能指標(biāo)如表2和表3所示。[KH-*1]

1.2 MBSA的制備

（1）納米膨潤土的表面處理方法：將烘干后的膨潤土和廢機(jī)油按照1.5∶1的重量比例，倒入球磨機(jī)的容器中研磨30 min，將碾磨后的混合物采用微波輻射處理10 min，在室溫下冷卻后將混合物用丙酮洗凈，將清洗過的混合物烘干，以得到表面處理后的納米膨潤土。

（2）復(fù)合改性劑的制備方法：采用球磨機(jī)將納米膨潤土（改性或未改性）與SBS研磨30 min，將混合物油浴處理并采用微波輻射10 min，再次研磨、水洗、篩分，將混合物烘干，以得到復(fù)合改性劑。

（3）分開添加制備方法：將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，再加入定量的納米膨潤土（改性或未改性），采用高速剪切攪拌機(jī)，在150 ℃的溫度下以1 000 rpm的轉(zhuǎn)速剪切40 min，隨后加入定量的SBS，并升溫至170 ℃以4 500 rpm的轉(zhuǎn)速剪切60 min。

（4）聯(lián)合添加制備方法：將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，再將制得的復(fù)合改性劑加入到瀝青中，通過高速剪切儀進(jìn)行溶脹、剪切和發(fā)育，剪切溫度、剪切時(shí)間和剪切速率分別為170 ℃、4 500 rpm和60 min。

本文所使用的SBS與納米膨潤土的摻量均為5%（基質(zhì)瀝青質(zhì)量的5%），對(duì)單一改性瀝青（SBS改性瀝青、納米膨潤土改性瀝青）也采用上述制備過程處理，控制制備過程的熱老化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，所有制備的瀝青試樣如表4所示。[KH-*1]

1.3 試驗(yàn)方案

本文對(duì)表4所示的7種瀝青進(jìn)行一系列瀝青性能測(cè)試，包括瀝青的常規(guī)性能、流變性能、微觀性能及老化性能。軟化點(diǎn)、針入度和延度分別按照美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D36、ASTM D5、ASTM D113進(jìn)行測(cè)試。瀝青黏度是瀝青制備和應(yīng)用過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)瀝青的性能有重要影響。將瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)后，用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)以60 r/min的固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。采用聚合物離析試驗(yàn)來表征復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。FTIR老化試驗(yàn)用于測(cè)試和分析瀝青表面的基團(tuán)。根據(jù)ASTM D7175規(guī)范，DSR試驗(yàn)采用溫度掃描模型測(cè)試瀝青的高溫性能，掃描溫度范圍為45 ℃～90 ℃，掃描時(shí)間為2 min，頻率固定為10 rad/s。短期老化試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

改性劑在改性瀝青中儲(chǔ)存穩(wěn)定性的好壞，直接影響改性瀝青的性能表征，因此對(duì)7種瀝青進(jìn)行聚合物離析試驗(yàn)，儲(chǔ)存穩(wěn)定性結(jié)果如表5所示。由表5可知，7種瀝青的軟化點(diǎn)差值均小于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的＜2.5 ℃，說明這7種瀝青的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性均滿足要求。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)MBA的軟化點(diǎn)差值低于BA，MBSA2的軟化點(diǎn)差值低于MBSA1，MBSA4的軟化點(diǎn)差值低于MBSA3，說明表面處理可以改善膨潤土在瀝青中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。針對(duì)不同的制備方式，MBSA3與MBSA4的軟化點(diǎn)差值低于MBSA1和MBSA2，說明采用聯(lián)合添加的制備方法，相比于分別添加更適用于制備MBSA。[KH-*1]

2.2 三大指標(biāo)試驗(yàn)

瀝青的三大指標(biāo)可以直接反映其常規(guī)性能，7種瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度結(jié)果如圖1～3所示。由圖1可知，納米膨潤土和SBS均可提高基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，且SBS的改善效果更好。與單一改性瀝青相比（SBSA、BA、MBA），MBSA的軟化點(diǎn)更高，這是因?yàn)镾BS和納米膨潤土的耦合作用對(duì)瀝青的影響更強(qiáng)，納米膨潤土在瀝青中的插層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了SBS的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性，且表面處理后納米膨潤土的改善效果進(jìn)一步提高。

由圖2可知，SBS和納米膨潤土加入瀝青后，均能使瀝青針入度下降，這是由于SBS增加了瀝青的粘彈性，而納米膨潤土屬于層狀硅酸鹽，其中的無機(jī)組分可以提高瀝青的剛度，二者的復(fù)合改性能提升SBS在瀝青中的分散狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化程度。

由圖3可知，SBS屬于彈性體聚合物結(jié)構(gòu)，SBS的添加可以增加瀝青的延度，而納米膨潤土屬于無機(jī)材料，無論表面處理與否，其改性瀝青的延度值均低于SBSA。與BA和MBA相比，MBSA的延度值有所提升，說明復(fù)合改性優(yōu)于納米膨潤土的單一改性，而對(duì)比MBSA的制備方法，采用表面處理后的納米膨潤土和SBS聯(lián)合制備改性劑，在熔融過程中可以用保證改性劑的完整性，還能促進(jìn)SBS的充分溶脹，從而使其延度值達(dá)到最高（MBSA4）。

2.3 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

如表6所示為7種瀝青的黏度試驗(yàn)結(jié)果。由表6可知，SBS加入到瀝青后，瀝青內(nèi)部會(huì)形成潛在的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而改善瀝青的高溫性能，納米膨潤土是一種二維層狀結(jié)構(gòu)材料，可以提升瀝青的剛度，從而增強(qiáng)瀝青的抗剪切性能。與三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果相同，復(fù)合改性瀝青的黏度值均大于單一改性，且表面改性處理后的膨潤土對(duì)黏度的提高更顯著，說明采用聯(lián)合添加改性劑的制備方法優(yōu)于分開添加的制備方法。因此，該結(jié)果表明MBSA在剪切應(yīng)力下能夠抵抗更顯著的高溫變形。

2.4 DSR試驗(yàn)

圖4和圖5顯示了7種瀝青在未老化和老化狀態(tài)下的車轍因子結(jié)果。在45 ℃～90 ℃的測(cè)試溫度下，7種瀝青均表現(xiàn)出正常牛頓流體的特性，并選擇76 ℃的車轍因子作為高溫流變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖4和圖5可知，無論表面改性與否，納米膨潤土對(duì)瀝青高溫性能的改善效果均低于SBS，這是因?yàn)榫酆衔锝M成的三維結(jié)構(gòu)效果優(yōu)于無機(jī)材料的填充效果。與SBSA相比，MBSA的車轍因子有所提高，參考儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，說明納米膨潤土與SBS組成的交聯(lián)體系可以進(jìn)一步提高改性劑的均勻性與高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，表面改性處理后納米膨潤土與SBS組成的體系更加穩(wěn)固，進(jìn)一步提高了瀝青的粘彈性能，在膨潤土、SBS和瀝青組成的復(fù)合系統(tǒng)中，改性納米膨潤土具有較大的活性，瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)有適當(dāng)?shù)乃沙谛阅埽兄跍p少瀝青制備過程中能耗過大的缺陷，并且改性納米膨潤土和SBS的耦合效應(yīng)有助于在瀝青中形成穩(wěn)定的多相結(jié)構(gòu)。

2.5 FTIR老化試驗(yàn)

采用FTIR試驗(yàn)對(duì)未老化和短期老化的7種瀝青進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試瀝青中的亞砜基和羰基吸光度，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，短期老化后7種瀝青的亞砜基與羰基的吸光度均明顯增加。在同一老化狀態(tài)下，每種瀝青的亞砜基吸光度均高于其羰基，且在短期老化后差異更加明顯。與SBSA相比，BA和MBA的亞砜基和羰基吸光度更低，這說明納米膨潤土比SBS對(duì)瀝青的抗老化性能更強(qiáng)，可以延緩瀝青的短期老化。與單一改性瀝青相比，納米膨潤土和SBS的復(fù)合改性顯著提升了瀝青的抗老化性能，這與納米膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)、SBS的溶脹以及瀝青中形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。納米膨潤土與SBS均勻分散在瀝青中形成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，能有效阻斷氧氣和熱量的滲透和流通，并且經(jīng)表面改性后納米膨潤土和SBS的耦合作用有所提高。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)7種瀝青的老化性能，建立微觀和宏觀之間的老化評(píng)價(jià)模型，宏觀老化數(shù)據(jù)采用未老化和短期老化瀝青的76 ℃的車轍因子，微觀老化指標(biāo)為上述瀝青的亞砜基和羰基結(jié)果，二者的模型關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，車轍因子與吸光度有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，隨著亞砜基和羰基吸光度的增加，瀝青的車轍因子增大，瀝青的彈性增加，瀝青的高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)，線性關(guān)系的斜率也能直觀反映瀝青的抗老化性能，即斜率越大瀝青的抗老化性能越差。

3 結(jié)語

（1）納米膨潤土和SBS均可改善瀝青的高溫性能和老化性能，且二者在瀝青中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足技術(shù)要求。納米膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青最佳的制備方案為表面處理納米膨潤土+SBS的聯(lián)合添加法。

（2）納米膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青的DSR試驗(yàn)高溫流變指標(biāo)（車轍因子），與FTIR的老化評(píng)價(jià)指標(biāo)（亞砜基與羰基吸光度），可建立宏觀流變與微觀老化的評(píng)價(jià)關(guān)系，進(jìn)一步真實(shí)表征瀝青的抗熱老化性能。

（3）僅憑短期老化不能充分反映瀝青的老化性能，后續(xù)應(yīng)開展不同老化程度下的長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，進(jìn)一步完善納米膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青的老化評(píng)價(jià)體系。

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收稿日期：2024-03-10

作者簡(jiǎn)介：盧姿晨（1990—），工程師，主要從事道路工程建設(shè)試驗(yàn)檢測(cè)管理工作。