膨潤土納米材料改性瀝青的可行性及路用性能研究

劉 軻，許寧乾

（1.山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

膨潤土是一種片層硅酸鹽的天然礦物，主要成分是蒙脫石，在國內外的資源十分豐富，分布甚廣[1]。天然膨潤土以及經過機械加工、無機化學處理后的天然膨潤土均屬于無機膨潤土，無機膨潤土具有較好的黏結性和吸附性[2]。但這種特性只能在極性較強的溶劑如水中才能體現，對于非極性或弱極性溶劑如溶劑油、苯和瀝青等則表現不出這種特性[3]。近些年，眾多研究發現有機化改性后的膨潤土很容易與聚合物基體形成納米復合材料，且有機化膨潤土不會改變膨潤土的納米材料特性，從而達到納米材料所具備的優異性能[4]。這相當于有機化膨潤土充當了中介作用，架起了膨潤土與聚合物形成納米復合結構的橋梁。同時膨潤土有機化過程簡單易行，有機插層劑廉價易獲取[5]。

因此，基于納米材料的優勢，本文以膨潤土為試驗材料，制備了無機膨潤土和有機化膨潤土納米材料改性瀝青，展開了常規性能、儲存穩定性能等系統的路用性能測試，正確地認識膨潤土對瀝青的改性效果，為膨潤土改性瀝青在后續的研發中奠定理論基礎。對于膨潤土在瀝青路面的推廣應用和我國公路交通事業的可持續發展具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 原材料及改性瀝青的制備方法

1.1 原材料

膨潤土的微觀結構及其參數見圖1及表1。

圖1 膨潤土微觀結構

表1 膨潤土技術參數

1.2 改性瀝青制備方法

a）按照瀝青三大常規物理性能指標、儲存穩定性等試驗要求的瀝青用量大約計算每種摻量下的基質瀝青用量為400 g左右。

b）根據a）中瀝青用量及膨潤土摻配比例（外摻），準備膨潤土試驗樣品。

c）將稱好的基質瀝青放入金屬容器中，并在電爐上加熱至140℃～150℃，稱取膨潤土并緩慢加入瀝青中（控制在5 min內），添加結束后升溫至170℃～180℃，利用高速剪切乳化機攪拌，控制剪切速率5 000 r/min，剪切時間50 min。

d）高速剪切乳化機剪切結束后，人工攪拌60 min以確保良好的發育，即得膨潤土瀝青基納米復合材料（人工攪拌過程保持溫度170℃～180℃）。

2 試驗結果

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ E20—2011）[6]的試驗方法測試了不同摻量膨潤土改性瀝青的三大指標的變化，以及膨潤土對不同標號基質瀝青的適用性情況。其基本物理性能見表2、表3。

表2 不同摻量無機膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青的試驗指標

表3 不同摻量有機膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青的試驗指標

由表2和表3可以看出：a）針入度隨膨潤土摻量的增加呈降低趨勢，表明無機、有機膨潤土均可以改善基質瀝青的高溫性能；b）對于同種基質瀝青而言，相同摻量下有機膨潤土的針入度要低于無機膨潤土，表明有機膨潤土對瀝青高溫性能的改善作用要優于無機膨潤土；c）有機膨潤土摻量增加到3%～4%以后，針入度降低程度不明顯，表明有機膨潤土的摻量不宜超過一定的范圍。

由表也可得到10℃延度隨膨潤土摻量的增加而降低，說明膨潤土對瀝青的低溫抗裂性能有負面影響。尤其是在摻量為3%～4%以后，延度下降幅度變大，這是瀝青稠度增加從而變得硬而脆的結果。膨潤土摻量在3%～4%時，10℃延度大約降低25%左右，在可控范圍內，可通過復配橡膠類添加劑來改善。

3 膨潤土改性瀝青的儲存穩定性

3.1 相容性

無論是無機膨潤土還是有機膨潤土，其與瀝青的相容性很大程度上和親水性、親油性有關[7]。瀝青是經過石油加工提煉得到的有機材料，屬于油類[8]。無機膨潤土屬于天然無機礦物，具有親水性、疏油性[2]。而本文有機膨潤土是無機膨潤土經過有機季銨鹽類加工處理得到。一般而言，親水性越差則親油性越好，和瀝青的相容性就越優。為探究無機膨潤土和有機膨潤土與水、油的相容性狀況，對兩種膨潤土進行了親水、親油性測試。具體步驟為：

a）取4支相同的試管并編號為1、2、3、4，使其放置在有載管臺的天平上。向試管1、2中分別加入相同質量的蒸餾水，向試管3、4中分別加入相同質量的煤油。使4支試管中的液體高度大約占試管高度的3/4。

b）向試管1、4中加入質量分數為3%的無機膨潤土，試管2、3中加入相同質量分數的有機膨潤土。完成后將4支試管攪拌均勻，可用手指捂住試管口，使試管上下倒置、晃動，使溶液和溶劑完全接觸。經過1 min、1 h后觀察其沉淀狀況，如圖2所示。

圖2 膨潤土親水性、親油性測試

由圖2a所示，短時間內試管1、3中的溶液保持均勻狀態，試管2中的有機膨潤土迅速分層，試管4屬于部分分層，表明有機膨潤土與水的相容性較差，即有機膨潤土有較強的疏水性，無機膨潤土有較強的疏油性，但其疏油性要小于有機膨潤土的疏水性。由圖2b可看出，隨時間的延長，4支試管均趨于穩定狀態。其中試管1、3仍保持均勻狀態，試管2、4有明顯的分層，充分說明了無機膨潤土具有親水性和疏油性，有機膨潤土具有較強的疏水性和親油性，該結論為有機膨潤土能與瀝青較好地相容奠定了基礎。

3.2 儲存穩定性

對不同摻量的無機、有機膨潤土瀝青納米復合材料進行離析試驗。通過軟化點差值來評價無機膨潤土、有機膨潤土對瀝青儲存穩定性的影響。由測試得到的軟化點差值繪制成柱狀圖，如圖3。

圖3 膨潤土摻量及種類對瀝青儲存穩定性的影響

隨著摻量的增加，兩種膨潤土瀝青基納米復合材料的軟化點差值均有提高；相同摻量下摻無機膨潤土要明顯高于摻有機膨潤土，表明無機膨潤土與瀝青的相容性較差。這是由于無機膨潤土的疏油性以及有機膨潤土經過有機季銨鹽插層處理表現為親油性所致，摻有機膨潤土的軟化點差在4%摻量以后會有大幅度的上升。

4 結論

a）膨潤土降低了倫特70號、盤錦90號瀝青的針入度，提升了軟化點，表明膨潤土可以提高瀝青的高溫性能，但同摻量下有機膨潤土對高溫性能的提升要優于無機膨潤土。

b）在有機膨潤土改善倫特70號、盤錦90號瀝青中，摻量分別達到4%、3%以后，針入度、軟化點的變化量逐漸變小，即有機膨潤土到一定摻量后，對瀝青高溫性能的提升不明顯。10℃延度隨膨潤土摻量的增加而降低，說明膨潤土對瀝青的低溫抗裂性能有負面影響。

c）無機膨潤土具有較好的親水性和疏油性，而有機膨潤土具有較強的疏水性和親油性。

d）膨潤土的加入影響了瀝青的儲存穩定性，且摻量越大，儲存穩定性越差。相同摻量下，有機膨潤土的軟化點差要遠小于無機膨潤土，有機膨潤土與瀝青的相容性較好。