OMMT/SBS复合改性沥青流变性能及改性机理

陈本建

(贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001)

0 引言

沥青路面已经成为公路及城市道路的主要铺装形式。我国公路里程不断增加,随之而来的是对沥青材料的巨大需求。与此同时,我国经济高速发展带来的车辆荷载增加、交通量增大,对沥青材料的路用性能也提出了更高的要求。工程实践中,多采用聚合物改性剂对道路石油沥青进行改性,尤以SBS改性沥青应用范围最广[1],但SBS改性沥青也存在易离析、施工过程易老化等问题。因此,采用性能优良的改性剂与SBS改性沥青复合改性,解决SBS改性剂与基质沥青的相容性问题,提升SBS改性沥青各项路用性能指标,成为了当下沥青材料领域的研究热点。

现有文献对SBS复合改性沥青进行了大量研究,改性剂包括纤维类、固废类、高分子材料等[2-5]。近年来,纳米材料在道路工程领域得到了初步应用,研究机构或研究人员对纳米/SBS复合改性沥青开展了大量研究。其中,纳米蒙脱土产量大、性能稳定,在复合改性SBS沥青方面具有显著的优势。唐新德等[6]对纳米蒙脱土/SBS复合改性沥青开展微观分析,发现纳米蒙脱土能有效改善SBS改性沥青的韧性、强度与热稳定性,且纳米蒙脱土能与SBS改性沥青不发生化学反应,主要为物理混溶。王骁[7]对纳米蒙脱土改性沥青开展制备与性能研究,得出纳米蒙脱土可有效提升沥青的各方面性能,尤其在耐老化方面相较基质沥青有优势的结论。崔亚楠等[8]对蒙脱土改善沥青老化机理开展研究,认为MMT片层结构及形成的纳米复合结构是延缓沥青老化的主要原因。王蒙[9]对纳米蒙脱土改性沥青自愈合性能开展研究,发现纳米蒙脱土可提高沥青的自愈合性能。程培峰等[10]对纳米蒙脱土/SBS复合改性沥青愈合性能开展研究,认为长期老化对MMT改性沥青多次愈合性能的影响显著。上述研究表明纳米蒙脱土可有效提升沥青的各项性能,且在耐老化、自愈合等方面也有改善作用。本文通过在SBS改性沥青中添加纳米蒙脱土,研究纳米蒙脱土/SBS复合改性沥青的流变性能,研究成果有利于纳米蒙脱土在沥青改性领域的应用,可为工程实践提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用70#A级沥青作为基质沥青,用于制备SBS改性沥青和纳米蒙脱土/SBS复合改性沥青。基质沥青相关技术指标见表1。SBS改性剂采用湖南岳阳石化总厂生产的SBS改性剂,相关技术指标及参数见表2。钠基蒙脱土(Na-MMT)为市场上购买所得,纳米蒙脱土(OMMT)由钠基蒙脱土(Na-MMT)在实验室经熔融插层法制得。

表1 70#A级沥青技术指标表

表2 SBS改性剂技术参数表

1.2 改性沥青制备

SBS改性沥青的制备:为避免SBS改性沥青制备过程中基质沥青的老化,采用油浴加热制备SBS改性沥青。具体的制备方法为:将基质沥青加热到170 ℃,添加预定比例的SBS改性剂,本文的SBS改性剂掺量为4%(外掺),利用高速剪切机对沥青进行剪切搅拌30 min,剪切速率为4 000 r/min,然后利用铁制容器盛放制得的SBS改性沥青,并采用锡纸封闭容器口,放于170 ℃烘箱中发育30 min。

OMMT/SBS复合改性沥青的制备:将SBS改性沥青加热到170 ℃,添加预定比例的纳米蒙脱土,纳米蒙脱土设置掺量分别为1.0%、2.0%、3.0%;掺入纳米蒙脱土后,高速剪切机以4 000 r/min剪切搅拌,搅拌30 min后,利用铁制容器盛放制得的OMMT/SBS改性沥青,并采用锡纸封闭容器口,放于170 ℃烘箱中发育30 min。

1.3 试验方法

为分析经过有机化处理后的纳米蒙脱土OMMT插层间距是否增大形成以及OMMT/SBS复合改性沥青是否形成剥离型结构,采用X射线衍射仪对Na-MMT、OMMT以及OMMT/SBS复合改性沥青进行微观结构表征。试验仪器为转靶X射线衍射仪,生产产家为日本RIGAKU公司,相关技术参数见表3。

表3 转靶X射线衍射仪技术参数表

为分析OMMT/SBS复合改性沥青改性机理,采用红外光谱对SBS改性沥青、OMMT/SBS复合改性沥青开展红外光谱试验。红外光谱测试方法参考内蒙古地方标准《公路沥青红外光谱快速检测试验规程》(DB15T 2494-2021)[11]。

流变试验可获得沥青在各温频下的流变性能,采用的仪器为美国TA公司生产DHR-3型动态剪切流变仪和Cannon公司生产的沥青低温弯曲梁流变仪。根据美国规范ASTM D6648-2008[12]、AASHTO T 315-2019[13]、AASHTO TP 101-2015[14]开展相关测试。

2 试验结果及分析

2.1 微观结构表征

对Na-MMT、OMMT以及2%掺量的OMMT/SBS复合改性沥青开展X射线分析,试验结果见图1。根据Bragg方程λ=2dsinθ可获得Na-MMT、OMMT以及OMMT/SBS复合改性沥青的样品层间间距,具体见表4。表4的结果表明Na-MMT、OMMT、OMMT/SBS复合改性沥青层间距是依次增大的。对比Na-MMT和OMMT的X射线图谱发现:OMMT的X射线图谱衍射峰值相比Na-MMT有非常明显的向左移动现象,该现象表明对Na-MMT有机化处理后可增大蒙脱土的层间间距。对比OMMT和OMMT/SBS复合改性沥青X射线图谱发现:OMMT/SBS复合改性沥青X射线图谱未能发现d001面衍射峰,表明复合改性沥青已经形成剥离型结构,沥青及SBS改性剂的分子在微观层面上插入了OMMT片层。

图1 X射线分析图谱示意图

表4 试验样品层间距计算结果表

2.2 红外光谱试验

SBS改性沥青及2%掺量的OMMT/SBS复合改性沥青红外光谱试验结果见图2。从图2可知:SBS改性沥青与OMMT/SBS复合改性沥青的红外光谱特征类似,仅在吸收强度上有差别,因此可以认为OMMT对SBS改性沥青的改性原理为物理混溶,未发生化学反应产生新的官能团。值得注意的是,在3 620 cm-1处,OMMT/SBS复合改性沥青出现了较强的吸收峰,该特征峰产生的主要原因为OMMT骨架八面体中羟基和键合水的伸缩振动。

图2 SBS改性沥青及OMMT/SBS复合改性沥青红外光谱示意图

2.3 高温流变性能试验

依据规范AASHTO T315-2019,试验温度为46 ℃～82 ℃,间隔6 ℃,试验结果见下页图3和图4。从图3、图4可知:

图3 车辙因子随温度变化曲线图

图4 相位角随温度变化曲线图

(1)随着温度增加,SBS改性沥青以及不同掺量OMMT/SBS复合改性沥青车辙因子均有所下降,且变化趋势一致。随着OMMT掺量不断增加,相同温度下OMMT/SBS复合改性沥青车辙因子线性增加。

(2)SBS改性沥青的相位角随温度增加而缓慢增加,在温度较低时(<64 ℃)增加较快,但>64 ℃后变化平缓,而OMMT/SBS复合改性沥青相位角随温度增加而不断增加,在>64 ℃后依然快速增加。

(3)随着OMMT掺量增加,OMMT/SBS复合改性沥青的相位角逐渐降低,因此OMMT掺入SBS改性沥青增加了OMMT/SBS复合改性沥青的弹性成分。

上述结论表明OMMT掺入SBS改性沥青后改变了SBS改性沥青的粘弹特性,且OMMT/SBS复合改性沥青高温性能优于SBS改性沥青,OMMT掺量越高,高温性能改善越明显。

2.4 中温流变性能试验(LAS)

采用LAS试验评价SBS改性沥青及OMMT/SBS复合改性沥青的疲劳性能,试验过程参考规范AASHTO TP 101-2015,试验温度为15 ℃,试验结果见图5和表5。

图5 LAS试验结果曲线图

表5 LAS试验指标表

从图5和表5可知:

(1)OMMT掺入SBS改性沥青后,OMMT/SBS复合改性沥青的峰值平台宽度增加,表明OMMT改善了SBS改性沥青的应力敏感性,从而提升SBS改性沥青的疲劳性能。

(2)随着OMMT掺量增加,OMMT/SBS复合改性沥青最大剪应力τmax对应的屈服应变εf不断增加,SBS改性沥青抗疲劳性能得到改善。

2.5 低温流变性能试验(BBR)

采用BBR试验评价SBS改性沥青及OMMT/SBS复合改性沥青的低温性能,试验过程参考规范ASTM D6648-2008,试验温度为-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃,试验结果见表6。从表6可知:

表6 BBR试验结果表

(1)随着温度降低,SBS改性沥青及OMMT/SBS复合改性沥青的S值增加、m值降低,低温性能逐渐降低,且该现象不随OMMT掺量增加而改变,表明低温是沥青胶结料破坏的主要因素。

(2)随着OMMT掺量增加,OMMT/SBS复合改性沥青S值有所降低、m值增加,表明OMMT掺入SBS改性沥青中后,对SBS改性沥青的低温抗裂性能有改善作用,且掺量越大,改善作用越明显。

3 结语

通过对SBS改性沥青、OMMT/SBS复合改性沥青开展微观试验、流变试验,分析OMMT/SBS复合改性沥青的改性原理以及高中低温流变性能,得出结论如下:

(1)OMMT掺入SBS改性沥青后,形成了剥离型结构,SBS改性剂及基质沥青的分子链插入了OMMT的分子层间。

(2)红外光谱试验表明,OMMT掺入SBS改性沥青中后并未产生新的官能团,OMMT与SBS改性沥青的混合状态为物理混溶,未发生化学反应。

(3)流变试验表明,OMMT对SBS改性沥青高中低温流变性能均有改善作用,且OMMT改变了SBS改性沥青的粘弹特性。在本文掺量范围内(≤3%),OMMT掺量越高,OMMT/SBS复合改性沥青高中低温流变性能越优。