納米膨潤土/SBS復合改性瀝青的制備及其性能研究

摘要：為評價納米膨潤土和SBS對瀝青性能的影響，文章通過將表面處理后的納米膨潤土與SBS混合制備納米膨潤土/SBS復合改性瀝青（MBSA），采用針入度、軟化點、延度、黏度、儲存穩定性、動態剪切流變儀（DSR）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等試驗，研究了MBSA的常規性能、高溫流變性能和老化性能。結果表明：納米膨潤土與SBS復合改性的瀝青性能最佳，二者復合改性瀝青的性能明顯優于單一改性瀝青，MBSA的高溫流變性能與微觀老化性能具有良好的線性模型關系。該研究為開發和優化低碳、綠色型改性瀝青提供了新思路。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；納米膨潤土；SBS；流變性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

瀝青作為瀝青路面的重要組成部分，其性能優劣與瀝青路面的使用壽命密切相關［1］。SBS改性瀝青是瀝青路面最常用的改性材料，而SBS改性瀝青的抗老化與耐熱性能有待進一步優化。同時，納米材料對瀝青進行改性是目前的研究熱點，以期提高瀝青的高溫性能和抗老化性能［2-3］。然而，高摻量下的納米材料因自身的團聚現象，在瀝青中的分散極不穩定［4］。這需要研究者開發新的復合改性方法，以改善復合改性瀝青體系中的分散性和穩定性。

為提高納米材料與瀝青的相容性，目前已開發多種表面處理納米材料的方法，并制備了相應的納米材料復合改性瀝青［5］。納米膨潤土作為硅酸鹽材料，對瀝青具有較強的吸附性和分散性，已被用于制備復合改性瀝青［6-7］。然而，關于納米膨潤土與SBS復合改性機理的研究很少，如何利用納米膨潤土的插層構造改善瀝青性能，是目前面臨的重大挑戰［8］。

本文采用表面修飾預處理納米膨潤土，改善其層間結構以提升瀝青路用性能，制備出性能穩定的膨潤土/SBS復合改性瀝青（MBSA）；采用常規性能試驗（針入度、軟化點、延度、黏度、儲存穩定性）、動態剪切流變儀（DSR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR），對MBSA的常規性能、流變性能和老化性能進行測試。研究成果有助于促進納米材料的綜合利用，開發新型低成本的復合改性瀝青材料。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選擇倫特70#A級道路石油瀝青作為基質瀝青，其性能指標見表1。納米膨潤土與SBS改性劑均由湖南某新材料有限公司提供，二者性能指標如表2和表3所示。[KH-*1]

1.2 MBSA的制備

（1）納米膨潤土的表面處理方法：將烘干后的膨潤土和廢機油按照1.5∶1的重量比例，倒入球磨機的容器中研磨30 min，將碾磨后的混合物采用微波輻射處理10 min，在室溫下冷卻后將混合物用丙酮洗凈，將清洗過的混合物烘干，以得到表面處理后的納米膨潤土。

（2）復合改性劑的制備方法：采用球磨機將納米膨潤土（改性或未改性）與SBS研磨30 min，將混合物油浴處理并采用微波輻射10 min，再次研磨、水洗、篩分，將混合物烘干，以得到復合改性劑。

（3）分開添加制備方法：將基質瀝青加熱至熔融狀態，再加入定量的納米膨潤土（改性或未改性），采用高速剪切攪拌機，在150 ℃的溫度下以1 000 rpm的轉速剪切40 min，隨后加入定量的SBS，并升溫至170 ℃以4 500 rpm的轉速剪切60 min。

（4）聯合添加制備方法：將基質瀝青加熱至熔融狀態，再將制得的復合改性劑加入到瀝青中，通過高速剪切儀進行溶脹、剪切和發育，剪切溫度、剪切時間和剪切速率分別為170 ℃、4 500 rpm和60 min。

本文所使用的SBS與納米膨潤土的摻量均為5%（基質瀝青質量的5%），對單一改性瀝青（SBS改性瀝青、納米膨潤土改性瀝青）也采用上述制備過程處理，控制制備過程的熱老化對試驗結果的影響，所有制備的瀝青試樣如表4所示。[KH-*1]

1.3 試驗方案

本文對表4所示的7種瀝青進行一系列瀝青性能測試，包括瀝青的常規性能、流變性能、微觀性能及老化性能。軟化點、針入度和延度分別按照美國材料試驗協會標準ASTM D36、ASTM D5、ASTM D113進行測試。瀝青黏度是瀝青制備和應用過程中的關鍵指標，對瀝青的性能有重要影響。將瀝青加熱至流動狀態后，用旋轉式黏度計以60 r/min的固定轉速進行測試。采用聚合物離析試驗來表征復合改性瀝青的儲存穩定性。FTIR老化試驗用于測試和分析瀝青表面的基團。根據ASTM D7175規范，DSR試驗采用溫度掃描模型測試瀝青的高溫性能，掃描溫度范圍為45 ℃～90 ℃，掃描時間為2 min，頻率固定為10 rad/s。短期老化試驗采用旋轉薄膜烘箱試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 儲存穩定性試驗

改性劑在改性瀝青中儲存穩定性的好壞，直接影響改性瀝青的性能表征，因此對7種瀝青進行聚合物離析試驗，儲存穩定性結果如表5所示。由表5可知，7種瀝青的軟化點差值均小于《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）要求的＜2.5 ℃，說明這7種瀝青的高溫儲存穩定性均滿足要求。同時，可以發現MBA的軟化點差值低于BA，MBSA2的軟化點差值低于MBSA1，MBSA4的軟化點差值低于MBSA3，說明表面處理可以改善膨潤土在瀝青中的儲存穩定性。針對不同的制備方式，MBSA3與MBSA4的軟化點差值低于MBSA1和MBSA2，說明采用聯合添加的制備方法，相比于分別添加更適用于制備MBSA。[KH-*1]

2.2 三大指標試驗

瀝青的三大指標可以直接反映其常規性能，7種瀝青的針入度、軟化點和延度結果如圖1～3所示。由圖1可知，納米膨潤土和SBS均可提高基質瀝青的軟化點，且SBS的改善效果更好。與單一改性瀝青相比（SBSA、BA、MBA），MBSA的軟化點更高，這是因為SBS和納米膨潤土的耦合作用對瀝青的影響更強，納米膨潤土在瀝青中的插層結構增強了SBS的三維網絡結構，進一步提高了瀝青的高溫穩定性，且表面處理后納米膨潤土的改善效果進一步提高。

由圖2可知，SBS和納米膨潤土加入瀝青后，均能使瀝青針入度下降，這是由于SBS增加了瀝青的粘彈性，而納米膨潤土屬于層狀硅酸鹽，其中的無機組分可以提高瀝青的剛度，二者的復合改性能提升SBS在瀝青中的分散狀態和網絡結構化程度。

由圖3可知，SBS屬于彈性體聚合物結構，SBS的添加可以增加瀝青的延度，而納米膨潤土屬于無機材料，無論表面處理與否，其改性瀝青的延度值均低于SBSA。與BA和MBA相比，MBSA的延度值有所提升，說明復合改性優于納米膨潤土的單一改性，而對比MBSA的制備方法，采用表面處理后的納米膨潤土和SBS聯合制備改性劑，在熔融過程中可以用保證改性劑的完整性，還能促進SBS的充分溶脹，從而使其延度值達到最高（MBSA4）。

2.3 旋轉黏度試驗

如表6所示為7種瀝青的黏度試驗結果。由表6可知，SBS加入到瀝青后，瀝青內部會形成潛在的穩定結構，從而改善瀝青的高溫性能，納米膨潤土是一種二維層狀結構材料，可以提升瀝青的剛度，從而增強瀝青的抗剪切性能。與三大指標試驗結果相同，復合改性瀝青的黏度值均大于單一改性，且表面改性處理后的膨潤土對黏度的提高更顯著，說明采用聯合添加改性劑的制備方法優于分開添加的制備方法。因此，該結果表明MBSA在剪切應力下能夠抵抗更顯著的高溫變形。

2.4 DSR試驗

圖4和圖5顯示了7種瀝青在未老化和老化狀態下的車轍因子結果。在45 ℃～90 ℃的測試溫度下，7種瀝青均表現出正常牛頓流體的特性，并選擇76 ℃的車轍因子作為高溫流變評價指標。由圖4和圖5可知，無論表面改性與否，納米膨潤土對瀝青高溫性能的改善效果均低于SBS，這是因為聚合物組成的三維結構效果優于無機材料的填充效果。與SBSA相比，MBSA的車轍因子有所提高，參考儲存穩定性試驗結果，說明納米膨潤土與SBS組成的交聯體系可以進一步提高改性劑的均勻性與高溫穩定性。同時，表面改性處理后納米膨潤土與SBS組成的體系更加穩固，進一步提高了瀝青的粘彈性能，在膨潤土、SBS和瀝青組成的復合系統中，改性納米膨潤土具有較大的活性，瀝青內部結構有適當的松弛性能，有助于減少瀝青制備過程中能耗過大的缺陷，并且改性納米膨潤土和SBS的耦合效應有助于在瀝青中形成穩定的多相結構。

2.5 FTIR老化試驗

采用FTIR試驗對未老化和短期老化的7種瀝青進行測試，測試瀝青中的亞砜基和羰基吸光度，結果如圖6所示。由圖6可知，短期老化后7種瀝青的亞砜基與羰基的吸光度均明顯增加。在同一老化狀態下，每種瀝青的亞砜基吸光度均高于其羰基，且在短期老化后差異更加明顯。與SBSA相比，BA和MBA的亞砜基和羰基吸光度更低，這說明納米膨潤土比SBS對瀝青的抗老化性能更強，可以延緩瀝青的短期老化。與單一改性瀝青相比，納米膨潤土和SBS的復合改性顯著提升了瀝青的抗老化性能，這與納米膨潤土的層狀結構、SBS的溶脹以及瀝青中形成穩定的網狀結構有關。納米膨潤土與SBS均勻分散在瀝青中形成的獨特結構優勢，能有效阻斷氧氣和熱量的滲透和流通，并且經表面改性后納米膨潤土和SBS的耦合作用有所提高。

為進一步評價7種瀝青的老化性能，建立微觀和宏觀之間的老化評價模型，宏觀老化數據采用未老化和短期老化瀝青的76 ℃的車轍因子，微觀老化指標為上述瀝青的亞砜基和羰基結果，二者的模型關系如圖7所示。由圖7可知，車轍因子與吸光度有很強的正相關關系，隨著亞砜基和羰基吸光度的增加，瀝青的車轍因子增大，瀝青的彈性增加，瀝青的高溫穩定性增強，線性關系的斜率也能直觀反映瀝青的抗老化性能，即斜率越大瀝青的抗老化性能越差。

3 結語

（1）納米膨潤土和SBS均可改善瀝青的高溫性能和老化性能，且二者在瀝青中的儲存穩定性滿足技術要求。納米膨潤土/SBS復合改性瀝青最佳的制備方案為表面處理納米膨潤土+SBS的聯合添加法。

（2）納米膨潤土/SBS復合改性瀝青的DSR試驗高溫流變指標（車轍因子），與FTIR的老化評價指標（亞砜基與羰基吸光度），可建立宏觀流變與微觀老化的評價關系，進一步真實表征瀝青的抗熱老化性能。

（3）僅憑短期老化不能充分反映瀝青的老化性能，后續應開展不同老化程度下的長期老化試驗，進一步完善納米膨潤土/SBS復合改性瀝青的老化評價體系。

參考文獻

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收稿日期：2024-03-10

作者簡介：盧姿晨（1990—），工程師，主要從事道路工程建設試驗檢測管理工作。