納米SiO2乳化瀝青高溫性能研究*

王云

(云南建投路面工程有限公司, 云南 昆明 650032)

隨著交通量的迅猛增加,對瀝青路面質量的要求提高,普通乳化瀝青已無法滿足需求,亟待優化升級。目前SBR改性乳化瀝青應用較普遍,其路用性能雖然優于普通乳化瀝青和普通瀝青,但高溫性能不太理想,軟化點一般低于60 ℃,易造成路面大面積早期損壞,已不能滿足現代交通的要求[1-3]。劉悅、馬秀良、CHEN Z. Q.、欒軼博等利用Pickering乳液形成機制,經過多次嘗試,借助經縮聚物改性后的納米SiO2微粒,創造性地制備出新型Pickering乳化瀝青[4-7],該瀝青具有良好的儲存穩定性。他們主要研究了Pickering乳化瀝青的制備效果和穩定性,未分析其高溫性能。本文研究納米SiO2乳化瀝青的高溫穩定性。

1 試驗方案

1.1 原材料及試驗設備

原材料:平均粒徑28 nm的納米SiO2;縮聚物;十六烷基三甲基溴化銨;鹽酸;蒸餾水。

試驗設備:恒溫磁力攪拌器;掃描電子顯微鏡;光學顯微鏡;Thermofisher Nicolet 6700紅外光譜儀;JJO-2接觸角測定儀;Malvern ZS90;立式膠體磨;烘箱;1.18 mm細篩;三口燒瓶;溫度計;儲存穩定度試驗管;試管;電子分析天平;滴管;燒杯。

1.2 試樣制備

1.2.1 乳化劑制備

按照5%、10%、15%、20%、25%的比例稱取縮聚物和十六烷基三甲基溴化銨,分別添加納米SiO2進行表面改性;取200 g水(去離子水),摻入12.5%質量比例的硅溶膠配制溶液;取10 g改性后納米SiO2添加至上述溶液中,攪拌30 min,并調節其pH值為3,制得納米SiO2乳化劑。

1.2.2 納米SiO2乳化瀝青制備

室溫下啟動膠體磨(JM-L50),加入沸水循環預熱不低于5 min,將上述溶液水浴加熱至85 ℃。加熱基質瀝青至熔流狀態(70#基質瀝青建議加熱至145 ℃)。稱取相同質量的瀝青和納米SiO2水溶液,將其緩緩倒入膠體磨中。膠體磨高速剪切,完成對瀝青的乳化,制得納米SiO2乳化瀝青。

2 納米SiO2乳化瀝青高溫性能分析

由于納米SiO2添加過多會對蒸發殘留物的延度產生一定影響,參考文獻[8],選擇5%納米SiO2摻量,在不同縮聚物摻量下制備乳化瀝青進行軟化點和針入度試驗、蒸發殘留物試驗。以普通SBR乳化瀝青和基質瀝青作為對照。

2.1 軟化點和針入度試驗

對普通SBR乳化瀝青、不同縮聚物摻量的5%納米SiO2乳化瀝青進行軟化點和針入度試驗,試驗結果見表1。

由表1可知:相較于普通改性乳化瀝青,納米SiO2乳化瀝青的軟化點有所提高,說明納米SiO2顆粒有助于提高瀝青的高溫性能;縮聚物摻量對納米SiO2乳化瀝青軟化點的影響較小;與普通改性乳化瀝青相比,納米SiO2乳化瀝青的針入度有所減小,說明納米SiO2顆粒會使瀝青變硬。

表1 不同乳化瀝青軟化點和針入度試驗結果

2.2 差熱分析

瀝青在溫度升高的過程中從固態變為液態,其物理性質發生變化。該過程伴隨著熱量變化,能反映瀝青對溫度變化的敏感性,這是差熱分析的測試原理。

由于瀝青在試驗溫度變化過程中存在相態變化,溫度從低到高分別為玻璃態、黏彈態、黏流態,而參比物沒有相態變化,吸收熱量的變化表現在蒸發殘留物高溫熱性能曲線上就是曲線峰即吸熱峰。吸熱峰的大小和位置能反映瀝青微觀性質的變化,微觀性質的變化可以反映瀝青熱性能的變化。吸熱峰大,說明瀝青加熱后物理性質變化大,瀝青的熱穩定性差;吸熱峰小,瀝青的熱穩定性好。

分析基質瀝青和5%納米SiO2改性乳化瀝青的蒸發殘留物,試驗溫度為20～80 ℃,升溫速率為10 ℃/min,試驗結果見圖1、圖2。從圖1、圖2可以看出:溫度升高至50 ℃左右時,兩種瀝青的蒸發殘留物高溫熱性能曲線出現波動即產生吸熱峰,說明在該溫度范圍內瀝青發生相態變化,從黏彈體變為黏流體。特定溫度下,瀝青不同組分會有不同相態變化,不同組分的吸熱峰會耦合成吸熱峰。穩定的瀝青在溫度變化過程中受到的影響小,其蒸發殘留物高溫熱性能曲線平坦、光滑,吸熱峰很少出現或很小。納米SiO2乳化瀝青的蒸發殘留物高溫熱性能曲線比基質瀝青更平坦,且沒有多余的吸熱峰產生,說明納米SiO2顆粒能均勻地分散在瀝青各組分中。與基質瀝青相比,5%納米SiO2乳化瀝青蒸發殘留物的吸熱峰面積減小70%左右,說明納米SiO2的加入改善了瀝青組分發生相態轉變的數量,吸熱量降低,瀝青的熱穩定性得到提高。

對瀝青蒸發殘留物高溫熱性能曲線上信息(包括吸熱峰面積、吸熱峰溫度范圍等)進行分析,結果見表2。從表2可以看出:與基質瀝青相比,5%納米SiO2乳化瀝青的比熱容、發生相態轉變的溫度區間、吸熱量均減小,主要表現為溫度區間右端值減小。吸熱峰由多種組分吸熱峰疊加而成,各組分的吸熱峰有大有小,轉變溫度有高有低,從蒸發殘留物高溫熱性能曲線來看,50 ℃左右發生相態轉變的組分吸熱峰較大,轉變溫度靠近溫度區間兩端的組分吸熱峰較小,納米SiO2的加入降低了吸熱峰,轉變溫度低的組分的吸熱峰峰值減小,部分轉變溫度較高的組分的吸熱峰更平坦,因而吸熱峰減小的同時溫度區間也減小,瀝青的感溫性和熱穩定性得到提高。

圖1 基質瀝青的蒸發殘留物高溫熱性能曲線

圖2 納米SiO2乳化瀝青的蒸發殘留物高溫熱性能曲線

表2 不同瀝青蒸發殘留物高溫熱性能分析

2.3 蒸發殘留物高溫流變性能分析

采用Superpave體系中動態剪切流變儀(DSR)測定瀝青的復數剪切模量G*和相位角δ,分析高溫條件下瀝青的流變性能。以車轍因子G*/sinδ表征高溫下瀝青抵抗永久變形的能力,在最高路面設計溫度下,其值越大瀝青的抗車轍能力越強。

試驗采用Advanced Rheometer-2000ex流變儀,應變值為12%,試驗頻率為1.592 Hz。試驗溫度為64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。采用直徑為25 mm的平板夾具,厚度為1 mm。分別對普通SBR乳化瀝青和納米SiO2乳化瀝青的蒸發殘留物進行動態剪切流變試驗,結果見表3。

表3 不同乳化瀝青蒸發殘留物的車轍因子

從表3可以看出:5%納米SiO2乳化瀝青的蒸發殘留物原樣滿足車轍因子G*/sinδ>1.0 kPa的要求,老化后滿足車轍因子G*/sinδ>2.0 kPa的要求,納米SiO2乳化瀝青達到76 ℃PG高溫等級,高溫性能改善明顯。

3 結語

根據基質瀝青、普通SBR乳化瀝青、納米SiO2乳化改性瀝青軟化點、針入度常規高溫指標試驗及熱性能和流變性能分析結果,納米SiO2乳化改性瀝青的高溫性能提高較大,能解決普通改性乳化瀝青高溫性能不足的問題,在道路工程領域具有一定推廣應用價值,特別適于用作不黏輪乳化瀝青。