膨润土/SBS复合改性沥青混合料路用性能研究

谢兴华， 苑显鹏， 王 杰

(1.中交第一航务工程局有限公司， 天津 300461; 2.现代投资股份有限公司长沙分公司， 湖南 长沙 410000;3. 现代投资股份有限公司怀化分公司， 湖南 怀化 418000)

0 引言

现有研究大多采用复合改性剂对聚合物改性沥青进行复合改性，以改善聚合物改性沥青储存稳定性不足的问题，旨在通过综合各改性剂的优点，使得改性沥青各方面的性能满足实际需求[3]。在诸多复合改性剂中，纳米材料因其特有的微观尺寸效应能够有效地改善基质沥青性能，得到众多研究者的青睐。研究表明纳米材料能够有效提高改性沥青的储存稳定性[4]。膨润土本质是一种层状的硅酸盐纳米黏土类材料，也是目前聚合物改性中的一个热点研究方向[5]。

熔融共混法是国内外进行膨润土-聚合物复合改性沥青的常用方法，通过不同显微镜观测方法以及X射线衍射仪(XRD)等手段进行改性沥青的微观结构分析，结果显示聚合物与膨润土能够构成插层型的均质复合纳米结构。对沥青常规三大指标与物理指标进行测试，发现复合改性沥青的延度虽然呈现一定程度偏小，但软化点提高较大，针入度有一定程度减小，最为重要的是抗老化性能与热存储稳定性能均显著提高[6]。Zhang等[7]通过研究认为应综合考虑各项性能指标确定最佳的膨润土掺量；Liu等[8]研究了SBS改性沥青与有机膨润土复合改性后的微观结构、抗老化性能与流变性能，认为钙基膨润土在沥青中主要呈颗粒状分布，而有机膨润土主要呈插层状分布，后者与SBS改性沥青的相容性更好；通过采用不同有机表面活性剂制备有机膨润土，对不同有机膨润土聚合物复合改性沥青的微观结构进行分析，认为有机膨润土呈插层型或剥离型分布在沥青中，有效地改善了沥青的物理指标和抗老化性能，其中相容性最为理想的是剥离型复合改性沥青[9]。

由上述研究可知，目前国内外针对膨润土/SBS复合改性剂的研究多集中于对改性沥青的分析，而对改性沥青混合料的路用性能探究相对较少。本文首先对膨润土/SBS复合改性沥青开展了48 h热存储性能试验，检验了膨润土/SBS复合改性沥青的热储存稳定性；然后对0%、2%、4%、6%等4种不同膨润土掺量的沥青混合料开展高温车辙试验、低温弯曲试验、马歇尔稳定度试验以及冻融劈裂试验，研究了膨润土掺量对高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等路用性能的影响。

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

选用的SBS改性沥青技术指标满足要求，测试结果如表1所示。采用的钠基膨润土，最大粒径为120 nm，显微镜观测的平均粒径为70～80 nm，激光离子分布仪测试的超大比表面积为750 m2/g、径厚比大于200。按照规范，采用高速剪切仪在4000 rad/min的转速下制备膨润土/SBS复合改性沥青，其三大指标如表2所示。

表1 SBS改性沥青主要技术指标类别针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm软化点(TR&B)/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm布氏旋转粘度(135 ℃)/Pa·s检测结果51.966.224.61.032技术要求40～60≥60≥20≤3

表2 不同膨润土掺量复合改性沥青三大指标试验结果膨润土掺量针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm软化点/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm0%51.966.224.62%48.364.823.74%47.663.422.16%45.461.720.4

1.2 沥青混合料及试验试件成型

集料为玄武岩，矿粉与粗、细集料技术指标均符合现行相关规范技术要求。研究对象为AC-13C沥青混合料，级配采用现行相关规范推荐的级配范围中值，具体如图1所示。采用马歇尔试验，确定最佳油石比，SBS改性AC-13C沥青混合料和不同掺量膨润土/SBS复合改性沥青混合料的马歇尔试验结果如表3所示。

图1 矿料级配曲线

表3 不同膨润土掺量的AC-13C马歇尔试验结果混合料类型油石比/%毛体积相对密度/(g·cm-3)空隙率/%马歇尔稳定度/kN流值/mm沥青饱和度/%SBS改性AC-13C4.82.4544.311.93.8682%掺量膨润土/SBS复合改性AC-13C4.92.4724.113.23.2714%掺量膨润土/SBS复合改性AC-13C4.92.4994.013.63.0716%掺量膨润土/SBS复合改性AC-13C5.02.5024.013.32.972

根据所选定的矿料级配曲线与最佳油石比，采用气动型压实机振动成型300 mm×300 mm×50 mm车辙板试件，用于车辙试验，同时将车辙板切割成250 mm×50 mm×50 mm的小梁试件作为弯曲试验；通过钻心，获取直径为(100±2)mm的沥青混合料圆柱体试件，进行马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验。每种试验至少进行5个平行试验，取平均值作为试验结果进行分析。

2 测试结果与试验分析

2.1 不同掺量膨润土/SBS复合改性沥青48 h热存储性能试验

将不同膨润土掺量的复合改性沥青存储管放入163 ℃烘箱，保温48 h，进行软化点试验与DSR试验，测试结果如图2、图3所示。

图2 48 h热存储软化点试验结果

图3 48 h储存下车辙因子

由图2、图3可知：

根据用途分类，肠内营养制剂有普通型和疾病特异型两类。普通型成分全面，由均衡的氮源、糖类和脂肪组成。疾病特异型针对各种疾病的特点，如肿瘤特异型为低脂制剂，因为肿瘤患者体内缺乏关键酶降解脂肪，难以通过脂肪供能，能量的获得依赖于葡萄糖；糖尿病特异型肠内营养制剂可提高胰岛素的敏感性，降低糖化血红蛋白水平，从而减少胰岛素用量；肺病特异型为糖类能占比较低的制剂；脓毒血病、大型手术、烧伤等高代谢疾病特异型为高氮源制剂，该类型制剂可使患者迅速达到正氮平衡。

1)随着膨润土掺量增加，储存管下部沥青软化点显著增大。当膨润土掺量为2%时，相比SBS改性沥青，软化点增大了8.1%；当掺量为2%～4%时，软化点增大趋势稍稍变缓，相比2%掺量，4%掺量时仅增大了3.5%；当掺量为4%～6%时，下部沥青软化点增长趋势又变明显，但缓于0%～2%时增长状态，相对于膨润土掺量4%，6%掺量时增大了5.3%。储存管上部沥青软化点整体呈微微降低趋势，仅当掺量为0%～2%时，顶部沥青软化点有略微明显降低，之后随着膨润土掺量增加趋于稳定。而在两个试验温度下，储存管下部沥青的车辙因子呈略微降低趋势，当掺量超过4%时，降低幅度明显增大；储存管上部沥青车辙因子随膨润土掺量增加整体上呈单峰变化趋势，且皆在掺量为4%左右达到峰值。

2)随着膨润土掺量的增加，储存管上部沥青与下部沥青软化点、车辙因子曲线都逐渐靠近，这表明随着膨润土的掺入，改性沥青的离析程度逐步减小，沥青的热储存稳定性逐步提高。

上述研究结果表明，膨润土作为复合改性剂能够有效解决SBS改性沥青储存性差的问题，但膨润土的掺入是否影响SBS改性沥青混合料的各项路用性能，需通过进一步试验进行探究。故进一步对0%、2%、4%、6%等4种不同膨润土掺量的沥青混合料开展高温车辙试验、低温弯曲试验、马歇尔稳定度试验以及冻融劈裂试验，研究膨润土掺量对高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等路用性能的影响。

2.2 膨润土/SBS复合改性沥青混合料高温稳定性

依据规范要求,进行车辙试验，以动稳定度及60 min变形量综合评价膨润土/SBS复合改性沥青混合料高温性能。不同膨润土掺量膨润土/SBS复合改性沥青混合料车辙试验结果如图4所示。

图4 不同膨润土掺量沥青混合料车辙试验结果

由图4可知，随着膨润土掺量增加，复合改性沥青混合料的动稳定度显著增大，当掺量为0%～4%时，增幅尤为明显，4%掺量的动稳定度相比SBS改性沥青增加了140.3%；当掺量超过4%，动稳定度的增幅逐渐平缓，60 min变形量逐渐减小。当掺量为0%～4%时，减幅尤为明显，4%掺量的60 min变形量相比SBS改性沥青降低了37.9%；当掺量超过4%，60 min变形量的减幅逐渐平缓。说明膨润土的掺入对高温稳定性能提升较大，且掺量在4%以内效果最为明显。

随着膨润土掺入，车辙试件的动稳定度与60min变形量走势均逐渐缓和，这是因为高温稳定性能主要由粗骨料间的骨架作用与沥青胶浆的粘结力组成，将膨润土掺入SBS改性沥青中能够增大沥青的粘稠度，也就阻碍了沥青分子与SBS聚合物高分子链的相对运动，能够有效提高沥青混合料的高温稳定性能；但随着膨润土掺量增加，过多的膨润土并不能与沥青分子、SBS聚合物高分子链构成有效的桥接作用，剩余的膨润土聚集后分散性有所下降，从而影响聚合物的改性效果。当膨润土掺量大于4%时，膨润土对改性沥青高温稳定性的改善效果逐渐稳定，故建议采用膨润土对SBS改性沥青进行复合改性时，掺量不宜超过4%。

2.3 膨润土/SBS复合改性沥青混合料低温抗裂性

依据规范要求，进行低温弯曲试验，通过试件的最大弯拉应变、弯拉强度及弯曲劲度模量综合评价不同膨润土掺量的沥青混合料低温性能，低温弯曲测试数据如图5、图6所示。

图5 膨润土掺量与沥青混合料的最大弯拉应变、弯拉强度间关系

图6 膨润土掺量与沥青混合料弯曲劲度模量的关系

由图5可以发现，随着膨润土掺量增大，沥青混合料的变形能力逐步下降，当膨润土掺量为0%～2%时，最大弯拉应变及强度皆产生轻微下降；掺量增大到4%时，下降幅度显著增大，较2%掺量时分别减少12.2%与11.7%；当掺量超过4%时，其变化趋势又逐渐平缓。

由图6可知，随着膨润土掺量增大，复合改性沥青的弯拉劲度模量逐步增大。当膨润土掺量为0%～3%时，弯拉劲度模量缓慢增大，增幅不超过20 MPa， 当掺量超过3%，弯拉劲度模量显著增大，与3%相比，6%掺量的弯拉劲度模量增大了近5.2%，增幅约为225 MPa。

综上可知，膨润土的掺入导致SBS改性沥青低温抗裂性能下降，主要是因SBS高分子链、沥青分子以及膨润土片层三者之间的桥接作用导致，膨润土限制了SBS高分子链与沥青分子之间的自由运动，使延展性受到了一定程度抑制，从而导致沥青混合料极限抗弯拉应变能力与极限抗弯拉强度均有一定程度的减小。此外，在高温剪切作用下，膨润土片层部分以颗粒状分布在沥青中，增大了应力集中现象的发生几率，更易产生裂缝。

2.4 膨润土掺量对水稳定性能影响分析

根据规范，通过浸水马歇尔试验的残留稳定度和冻融劈裂试验的强度比，综合评价不同膨润土掺量的膨润土/SBS复合改性沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图7所示。

图7 不同膨润土掺量沥青混合料水稳定性测试结果

由图7可知，膨润土/SBS复合改性沥青混合料的强度比(TSR)与残留稳定度(MS0)均随膨润土掺量增大而呈单峰变化趋势。残留稳定度在掺量为4%左右达到峰值，即掺量为4%时，复合改性沥青的水稳定性最好;且膨润土掺量为2%～4%时，残留稳定度的增幅最为明显，此掺量范围的膨润土对SBS改性沥青水稳定性改善效果最为显著；强度比在2.2%左右达到峰值，表示在膨润土掺量为2.2%左右时，沥青混合料的水稳定性最好；而掺量大于3%时，强度比的减幅尤为明显，即掺量大于3%时复合改性沥青的水稳定性会受到明显的不利影响。综合来说对于复合改性沥青混合料水稳定性而言，存在一个最佳的膨润土掺量，综合这两指标，膨润土最佳掺量在2%～3%之间。

2.5 机理分析

对基质沥青、SBR改性沥青、纳米CaCO3改性沥青和纳米CaCO3/SBR复合改性沥青分别进行红外光谱试验，结果如图8所示。从图8可以看出，纳米CaCO3特征峰508、3 700 cm-1处的吸收峰减弱了;这些特征峰的消失或减弱，表明在熔融共混过程中羟基与经过表面活化的纳米粒子发生了化学反应。SBR改性沥青的吸收峰与基质沥青的吸收峰应该有差距，但红外光谱中二者的图谱较为相似，其原因可能是基质沥青中的基团将聚合物特征峰覆盖的缘故。而其他吸收峰所处位置基本保持一致，并没有新的吸收峰出现。聚合物特征峰并未消失，表明聚合物与沥青改性时以物理改性为主；纳米材料特征峰的减弱或消失，表明纳米粒子在沥青改性中以化学改性为主。利用经表面活化的纳米粒子对聚合物改性沥青进行复合改性是一个非常复杂的物理化学过程，既产生物理变化，也发生化学反应。SBR与沥青主要产生物理变化，而纳米CaCO3与沥青主要发生化学反应。

图8 红外光谱试验结果图

3 结论

为改善聚合物改性沥青热储存稳定性不足的问题，采用膨润土对SBS改性沥青进行复合改性，并进一步对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等路用性能进行了研究，主要得到以下结论：

1)采用膨润土作为复合改性剂，能明显改善SBS改性沥青的热储存稳定性能，但掺量不宜超过4%。

2)采用适宜的膨润土掺量可以提高膨润土/SBS复合改性沥青混合料的高温稳定性能和水稳定性能，但随着掺量增加，其高温稳定性能提升幅度有限，水稳定性能却呈现下降趋势。

3)采用膨润土作为改性沥青的改性剂会对沥青混合料低温抗裂性产生不利影响，综合各路用性能指标，推荐膨润土最佳掺量范围为2%～3%。