納米CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青性能研究

陳艷艷,王寧,何青云,蘇興賽,江曉曉

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450000)

瀝青的黏彈性決定了其在高溫下易發(fā)生流動,因此對瀝青路面的高溫性能提出了很大的挑戰(zhàn)。而當(dāng)前部分瀝青材料已經(jīng)難以滿足人們的要求,故許多研究人員考慮對其進行改性,以改善路面的耐久性和穩(wěn)定性[1]。

目前,常用的改性劑多為高聚物,SBR丁苯橡膠具有優(yōu)良綜合性能和低成本等優(yōu)點,在有機化工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其綜合性能良好、成本低廉。在復(fù)合改性瀝青中加入SBR改性劑可以有效地提高復(fù)合改性瀝青的低溫性能[2]。楊凱等[3]為解決高低溫紫外光照條件下瀝青路面易開裂和老化的問題,把SBS以相同的比例與SBR進行復(fù)合并進行試驗,發(fā)現(xiàn)在基質(zhì)瀝青里摻入聚合物后,其各項性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

為了保證瀝青具有更好的性能,研究者考慮在瀝青中加入無機納米材料。王佳等[4]將三種不同的納米材料與SBS復(fù)合,發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性均得到了提高。張哲銘等[5]在試驗研究中發(fā)現(xiàn)摻入1.5%的納米二氧化鈦復(fù)合改性瀝青高溫性能有所提高,比SBS瀝青提高了15%。李世為[6]通過對合理摻量的納米碳酸鈣進行車轍試驗發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣可以有效提高SBS改性瀝青的高溫性能。

本文選用納米碳酸鈣和丁苯橡膠2種改性劑,制得改性瀝青并對其進行基本性能指標(biāo)測試和高低溫性能研究,分析兩種改性劑的加入對瀝青高低溫性能的影響。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本文采用的是70號道路石油瀝青,由鄭州某公司提供,按照有關(guān)試驗規(guī)程對其常規(guī)指標(biāo)進行測試,見表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 納米CaCO3

試驗所用的納米碳酸鈣為鄭州某公司生產(chǎn)的白色粉末狀碳酸鈣,其性能參數(shù)如表2所示。

表2 納米CaCO3技術(shù)指標(biāo)

納米CaCO3摻入之前先采用偶聯(lián)劑對其進行表面活化,保證納米CaCO3更好地融入瀝青中并充分分散。選用鋁酸酯對納米CaCO3進行處理,可有效增強無機納米材料和基質(zhì)瀝青的結(jié)合,顯著提高了改性瀝青的穩(wěn)定性。

1.3 丁苯橡膠

SBR為上海某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,外觀呈米白色粉末狀,主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 丁苯橡膠技術(shù)指標(biāo)

2 改性瀝青的制備

2.1 SBR改性瀝青的制備

先將基質(zhì)瀝青進行加熱,待瀝青加熱至融化流動,取出將其放置在恒溫加熱臺上,在加熱的同時要持續(xù)地進行攪拌,同時將4%的SBR加入瀝青中,攪拌均勻后,在160 ℃溫度下,剪切速率為4 500 r/min高速剪切40 min。然后,在低速剪切攪拌下,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min繼續(xù)剪切20 min,保證SBR進一步以更細(xì)的狀態(tài)溶于瀝青中。最后將剪切完成的改性瀝青溶脹發(fā)育,達到改性劑與瀝青充分相容的目的。即制備出SBR改性瀝青。

2.2 CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青的制備

先將基質(zhì)瀝青進行加熱,待瀝青加熱至融化流動,取出將其放置在恒溫加熱臺上,在加熱的同時要持續(xù)地進行攪拌,同時將5%的納米CaCO3加入瀝青中,攪拌均勻之后,在160 ℃溫度下,以2 000 r/min的剪切速率攪拌30 min,接著將4%的SBR加入瀝青中,剪切速率為4 500 r/min繼續(xù)高速剪切40 min。然后,在低速剪切攪拌下,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min繼續(xù)剪切20 min。最后將剪切完成的改性瀝青溶脹發(fā)育,即制備出SBR改性瀝青。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 三大指標(biāo)

根據(jù)試驗規(guī)程對不同種類的瀝青進行常規(guī)性能的測試,結(jié)果見表4所示。

表4 基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青的基本性能指標(biāo)

根據(jù)表4所示數(shù)據(jù),復(fù)合改性瀝青的針入度比SBR改性瀝青降低了9.87%,比基質(zhì)瀝青降低了16.51%,SBR改性瀝青比基質(zhì)瀝青降低了7.37%。在SBR改性基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上,納米CaCO3的加入會進一步提高改性瀝青的稠度。未改性、單一改性、復(fù)合改性的軟化點分別為46.8,49.2,60.9 ℃,復(fù)合改性較單一改性和未改性瀝青分別提高了23.78%,30.13%,SBR改性瀝青比基質(zhì)瀝青提高了5.13%。納米碳酸鈣能夠顯著提高瀝青的軟化點,然而,對SBR改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的延度進行了比較,得出納米碳酸鈣的加入導(dǎo)致SBR改性瀝青逐步變硬,使得瀝青在低溫作用下的延展變形能力下降,即納米CaCO3對SBR改性瀝青造成負(fù)面影響。

3.2 動態(tài)剪切流變試驗

對三種瀝青分別進行DSR試驗,結(jié)果見圖1～3。

(1) 從圖1中可得,三種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量均隨溫度的升高而降低。在相同溫度時,復(fù)合改性瀝青的G*值比基質(zhì)瀝青和SBR改性瀝青大,說明復(fù)合改性瀝青抵抗高溫車轍的能力更優(yōu)。

圖1 G*與溫度關(guān)系

(2) 從圖2中得,當(dāng)溫度為82 ℃時,復(fù)合改性瀝青、單一改性瀝青、未改性瀝青的相位角分別為82.37°,87.36°,90.35°,復(fù)合改性瀝青的相位角δ比單一改性瀝青降低了5.71%,比未改性瀝青降低了9.69%。研究發(fā)現(xiàn)在同一溫度下,納米CaCO3/ SBR復(fù)合改性瀝青具有較高的抗剪切性能,由于加入納米CaCO3顆粒,其在瀝青中以微粒形式存在,抗剪切能力比普通瀝青更強,其相位角δ值也相對較小。

圖2 δ與溫度關(guān)系

(3) 從圖3中可知,當(dāng)溫度上升時,車轍因子降低。在82 ℃條件下,基質(zhì)瀝青、單一改性瀝青、復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ分別為0.32,0.88,1.59 kPa。與SBR改性瀝青相比,復(fù)合改性瀝青提高了0.71 kPa,較基質(zhì)瀝青提高了1.27 kPa。由圖中趨勢可以看出加入納米CaCO3和SBR后,瀝青的車轍因子明顯提高。相較于其他兩種瀝青,摻加納米CaCO3和SBR的復(fù)合改性瀝青,在較高的溫條件下,其具有較好的抗永久變形能力。

圖3 G*/sinδ與溫度關(guān)系

3.3 彎曲蠕變勁度試驗

在-12,-18,-24 ℃溫度下,對未改性瀝青、單一改性瀝青、復(fù)合改性瀝青進行BBR試驗,分別見圖4～5。

(1) 分析圖4可得,三種瀝青的彎曲勁度模量呈溫度越低,S值越大,即總體趨勢為隨著溫度的降低而增大。在-12,-18,-24 ℃三種不同的溫度條件下,納米CaCO3/ SBR復(fù)合改性瀝青比基質(zhì)瀝青分別降低了20.16%,32.43%,14.55%。在-18～

-24 ℃區(qū)間內(nèi),三種瀝青的S值升高的最快,其斜率明顯變大,表明瀝青在這個溫度區(qū)間內(nèi)狀態(tài)變硬,對低溫削弱能力最強,更容易遭受破壞。在相同溫度下,如在-18 ℃溫度下,基質(zhì)瀝青的S值最大,SBR改性瀝青最小,表明SBR改性瀝青的低溫性能最好。

圖4 勁度模量-溫度關(guān)系圖

(2) 由上圖5可知,三種瀝青在不同溫度下,m值隨溫度降低而減小。在-12,-18,-24 ℃三種溫度條件下,復(fù)合改性瀝青的m值比基質(zhì)瀝青分別增大了12.77%,8.25%,7.21%。在相同溫度下,如在-18 ℃溫度下,SBR改性瀝青的蠕變曲線斜率m值最大,復(fù)合改性瀝青次之。

(3) 由圖4～5可得,SBR改性瀝青低溫性能最好,其次是復(fù)合改性瀝青,最后是基質(zhì)瀝青。SBR改性瀝青的彎曲勁度模量S值最小,蠕變速率m值最大,表明SBR改性瀝青在低溫下具有更好的抗裂性,即納米CaCO3會削弱SBR改性瀝青的抗裂性能,但相較于基質(zhì)瀝青,納米CaCO3和SBR兩種改性劑的加入使低溫抗裂性能均有所提高。

圖5 蠕變速率-溫度關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1) 納米CaCO3和SBR復(fù)合改性瀝青的針入度比基質(zhì)瀝青下降了16.51%,軟化點提高了30.13%,延度提高了5.04%。復(fù)合改性瀝青的針入度比單一改性瀝青下降了9.86%,軟化點提高了23.78%,延度降低了9.74%。

(2) 三種不同類型的瀝青在高溫車轍試驗中的G*和δ差別較明顯。在同一溫度下,基質(zhì)瀝青的G*最小,復(fù)合改性瀝青的G*大;而基質(zhì)瀝青的δ最大,復(fù)合改性瀝青的δ最小。表明添加納米CaCO3后,由于瀝青中的黏性和彈性成分占比發(fā)生了變化,使其由黏彈性向彈性轉(zhuǎn)變,這對改善路面變形的恢復(fù)具有重要意義。

(3) 在DSR試驗中,對52,58,64,70,76,82 ℃這6個溫度條件下的車轍因子進行對比分析,結(jié)果表明:加入兩種改性劑后,瀝青的車轍因子明顯提高,隨著溫度的升高,復(fù)合改性瀝青>SBR改性瀝青>基質(zhì)瀝青。即加入納米碳酸鈣后,SBR改性瀝青的抗車轍能力得到了顯著的提高,即納米CaCO3對其高溫性能有明顯的改善,與SBR改性瀝青相比,復(fù)合改性瀝青提高了0.71 kPa,較基質(zhì)瀝青提高了1.27 kPa。

(4) 在BBR試驗中,三種不同的瀝青在不同的低溫條件下,SBR改性瀝青的S值小于復(fù)合改性瀝青,而其蠕變速率m值比復(fù)合改性瀝青大。表明SBR改性瀝青的低溫抗裂性最好,納米CaCO3加入SBR改性瀝青后改善效果會有所降低,但較基質(zhì)瀝青,低溫性能仍有所提高。