納米黏土與溫拌劑改性瀝青物理特性研究

尚勤超

（河南永明市政園林建設(shè)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453800）

引言

隨著瀝青路面使用范圍的擴大，極端荷載及氣候條件對瀝青路面路用性能提出了更高的要求。如何提高瀝青產(chǎn)品品質(zhì)，針對性地提高其高溫抗變形性能、中溫疲勞性能或低溫抗裂性能具有重要意義。瀝青改性技術(shù)作為改變?yōu)r青品質(zhì)的直接方法，得到了廣泛應(yīng)用。已有研究表明，與未改性基質(zhì)瀝青相比，通過遴選合適的改性劑及摻量，加入改性劑會提高其物理性能和流變性能。

隨著我國“碳達峰”理念的提出，溫拌技術(shù)受到了更為持續(xù)的關(guān)注。溫拌劑的核心機理在于可有效降低瀝青黏度而不顯著降低瀝青或瀝青混合料其它性能。據(jù)現(xiàn)有研究顯示，納米黏土可以有效改善瀝青的物理力學(xué)、老化等各項性能[5-7]，但目前研究采用的納米黏土種類繁雜，表面改性工藝不盡相同，對瀝青改性效果有待進一步研究。

1 原材料及試驗設(shè)計

1.1 原材料

瀝青采用70#基質(zhì)瀝青，其PG 分級為PG64-28。采用三種不同改性劑對瀝青進行改性：N1（納米黏土1）、N2（納米黏土2）、溫拌劑。兩種納米黏土采用原材料、改性方式及主要技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。（1）納米黏土N1：35%～45%二甲基二烷基銨（C14-C18）表面改性處理的蒙脫土。（2）納米黏土N2：35%～45%硬脂酰胺（即十八胺）與0.5%～5.0%氨基丙基三乙氧基硅烷表面改性蒙脫土。

表1 70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 改性劑主要成分

1.2 樣品制備

為了探究納米黏土作為瀝青溫拌劑使用的可行性，通過前期試驗比選，遴選兩種表面改性納米黏土，擬將兩種納米黏土制備成改性瀝青，并與目前常用溫拌劑制備的改性瀝青進行性能對比分析，其中溫拌瀝青的摻量為1%、2%、3%、4%，納米黏土改性瀝青N1 和N2 的摻量為3%、4%、5%。改性瀝青制備方法：將基質(zhì)瀝青加熱熔融至163℃±5℃?zhèn)溆?，將各改性劑少量多次加入瀝青中，并采用高速剪切機以2 000 r/min 進行剪切混合5 ～10 min。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 物理性能

對基質(zhì)瀝青、各復(fù)配改性瀝青進行軟化點、針入度等常規(guī)指標(biāo)測試，采用布魯克菲爾德黏度計測試瀝青高溫黏度，測試溫度范圍選取為120 ～180 ℃。

1.3.2 儲存穩(wěn)定性

參照聚合物改性瀝青離析試驗方法進行各瀝青試樣儲存穩(wěn)定性試驗，將制備瀝青試樣澆灌至鋁質(zhì)試樣管中，然后連同固定架放置于163 ℃±5 ℃烘箱中48 h，加熱結(jié)束后取出置于冰箱≮4 h。最后，將試樣管切割成三段，取上、下兩端試樣進行軟化點試驗，若二者軟化點差＜2.5 ℃，則認為該試樣不會發(fā)生離析、儲存穩(wěn)定性良好。

2 物理性能結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)指標(biāo)

采用針入度、軟化點、135 ℃黏度以及針入度指數(shù)PI、針入度- 黏度指數(shù)PVN對基質(zhì)瀝青及不同摻量改性瀝青物理性能進行評價，測試結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知，兩種納米黏土降低了瀝青針入度、增加了軟化點，而溫拌劑則提高了瀝青針入度，降低了軟化點，且當(dāng)溫拌劑摻量較低（≤2%）時影響較小。針入度指數(shù)PI及針入度-黏度指數(shù)PVN可表征瀝青溫度敏感性，二者值越大表明瀝青溫度敏感性越低，一般具有更好的抗變形性能。對比基質(zhì)瀝青感溫性能指標(biāo)，加入納米黏土后PI值增大，且納米黏土N1 影響更加明顯，而加入溫拌劑后PI值降低。加入納米黏土N1 后，PVN值也增大，加入納米黏土N2 后先增大后減小但影響幅度較小，加入溫拌劑后PVN減小。綜合分析，加入納米黏土后，瀝青溫度敏感性降低，對瀝青路用性能發(fā)揮具有有利影響。

2.2 旋轉(zhuǎn)黏度

不同摻量的改性瀝青高溫（120 ～180 ℃）黏度測試結(jié)果見圖1。

圖1 各試樣旋轉(zhuǎn)黏度測試結(jié)果

由圖1 可知，在單對數(shù)坐標(biāo)下，瀝青黏度與溫度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。相較基質(zhì)瀝青，納米黏土N1提高了瀝青黏度，且摻量越大黏度越大，但納米黏土N2 與溫拌劑降低了瀝青黏度。盡管兩種納米黏土均采用蒙脫土，但不同的表面改性方式使其影響效果截然相反，表明化學(xué)處理有助于提高納米黏土潤滑效果，減少顆粒團聚現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)墓に嚫男杂兄讷@得同溫拌劑一樣的瀝青降黏效果。而納米黏土N1 改性瀝青黏度增大，可能是由于納米材料比表面積大宜團聚導(dǎo)致，團聚導(dǎo)致高溫條件下瀝青之間流動受阻，反映為旋轉(zhuǎn)黏度增大。

2.3 儲存穩(wěn)定性

為了實現(xiàn)改性瀝青的工廠化加工，需要求其具有良好的儲存穩(wěn)定性，以保證運輸、儲存過程中瀝青性能的穩(wěn)定。各摻量改性瀝青儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果見圖2。

圖2 各試樣儲存穩(wěn)定性試驗測試結(jié)果

根據(jù)圖2 可知，瀝青中摻加改性劑后增加了瀝青成分，發(fā)生離析現(xiàn)象概率變大。隨著各改性劑摻量的增大，離析軟化點差逐漸增大。但整體而言，各摻量改性瀝青離析軟化點差均在0.4 ℃以內(nèi)，低于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對于聚合物改性瀝青儲存穩(wěn)定性要求（≤2.5℃），表明試樣具有良好的儲存穩(wěn)定性，具備遠距離或長時間運輸與儲存的潛力。

3 結(jié)語

（1）兩種納米黏土降低了瀝青針入度、提高了軟化點，且納米黏土N2 影響效果更為明顯。溫拌瀝青影響效果相反，隨溫拌劑摻量增大，針入度增大、軟化點降低。儲存穩(wěn)定性試驗表明，所有改性瀝青均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。（2）兩種納米黏土提高了瀝青針入度指數(shù)PI，溫拌劑則降低了PI，表明納米黏土可以改善瀝青溫度敏感性。納米黏土N2 與溫拌劑降低了瀝青黏度，納米黏土N1 顯著提高了瀝青黏度，表明納米黏土N2 改性劑與該溫拌劑具有相似的降黏特性。