王樹新

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.廣西中交浦清高速公路有限公司，廣西 玉林 537000）

0 引言

瀝青作為混合料的膠結(jié)材料已廣泛應(yīng)用于各等級(jí)的路面中，但由于交通荷載和車輛軸重明顯增加，使得瀝青路面易出現(xiàn)車轍等高溫病害。因此，為了保障瀝青路面的正常使用，有必要對(duì)瀝青進(jìn)行一定的改性。目前，通常采用有機(jī)高分子聚合物作為瀝青材料的改性劑[1-4]，但由于聚合物改性劑與瀝青在密度、極性和溶解度等方面存在一定的差異，使得聚合物改性瀝青在儲(chǔ)存和加熱過程中可能會(huì)出現(xiàn)離析或分層的現(xiàn)象[5-6]。

近年來，納米材料發(fā)展迅速，因其具有化學(xué)活性高、比表面積大和與瀝青相容性好等特性，許多研究學(xué)者嘗試將納米材料與聚合物制成復(fù)合材料，以改善瀝青的相關(guān)性能。蘇曼曼等[7]對(duì)納米氧化鋅、納米二氧化鈦和SBS 聚合物復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行了小型加速加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明納米聚合物復(fù)摻改性的方法能改善瀝青混合料的抗車轍性能。趙寶俊等[8]采用SBR 和納米CaCO3對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，并對(duì)其高低溫性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明SBR 納米CaCO3復(fù)合材料改性瀝青能滿足夏熱冬寒地區(qū)的要求。

鑒于此，擬采用氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）聚合物和納米蒙脫土（OMMT）來制備不同的聚合物改性瀝青和復(fù)合改性瀝青，通過離析試驗(yàn)來對(duì)比聚合物改性瀝青和復(fù)合材料改性瀝青的高溫儲(chǔ)藏穩(wěn)定性差異，通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)等來分析不同摻量的復(fù)合材料改性瀝青的彈性恢復(fù)性能和高溫抗永久變形能力，以期為聚合物納米復(fù)合材料改性劑的應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青選用70 號(hào)道路石油瀝青，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法對(duì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)結(jié)果如表1 所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of asphalt

1.2 SEBS 聚合物

該例研究所使用的SEBS 是以聚苯乙烯為末端，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯為中間段的三嵌共聚物，呈線形結(jié)構(gòu)，具有較高的韌性、穩(wěn)定性和抗紫外線輻射的能力，其主要物理性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 SEBS 的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical performance indexes of SEBS

1.3 納米材料

該研究選用的納米材料為Closite 15A 型OMMT，其主要的技術(shù)性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 OMMT 的技術(shù)性能指標(biāo)Table 3 Technical performance indexes of OMMT

1.4 改性瀝青制備

配制聚合物改性瀝青時(shí)，先將基質(zhì)瀝青加熱至約185 ℃，再往其中分別加入摻量為3%、4.5%和6%的SEBS，以4 500 r/min 的速度剪切2 h；制備納米復(fù)合材料改性瀝青時(shí)，在SEBS 改性瀝青的基礎(chǔ)上按OMMT ∶SEBS = 10 ∶100 的比例來添加OMMT，以4 000 r/min 的速度再剪切45 min。

2 SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青性能評(píng)價(jià)

2.1 常規(guī)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)

對(duì)基質(zhì)瀝青、SEBS 改性瀝青和SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青樣品進(jìn)行常規(guī)的性能指標(biāo)測(cè)試，其結(jié)果如表4 所示。

表4 不同瀝青的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of technical indexes from different asphalt

從表4 可以看出：與基質(zhì)瀝青樣品相比，兩種改性瀝青樣品均有相對(duì)更高的針入度指數(shù)和軟化點(diǎn)等指標(biāo)，這說明改性劑的加入提高了瀝青的高溫性能；對(duì)于兩類改性瀝青而言，復(fù)摻了OMMT 之后的聚合物改性瀝青的針入度指數(shù)和黏度等指標(biāo)變化更明顯，溫度敏感性進(jìn)一步降低，這是由于OMMT 有著較高的表面活性，能更好地吸附瀝青中的輕質(zhì)成分，可加快結(jié)構(gòu)形成凝膠體系。由此可得，SEBS 納米復(fù)合材料能更好地改善瀝青的高溫性能。

2.2 高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)兩類改性瀝青進(jìn)行離析試驗(yàn)：將它們分別倒入特制的鋁質(zhì)容器中，放置在163 ℃的烘箱中加熱48 h，之后迅速拿出放入-5 ℃的冰箱中冷凍4 h。在此之后將容器內(nèi)的瀝青分成上中下三等分，測(cè)定它們的軟化點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5 可知，未添加有OMMT 的SEBS 改性瀝青離析現(xiàn)象較為嚴(yán)重，當(dāng)SEBS 的摻量變化時(shí)，頂部與底部之間的軟化點(diǎn)差分別為19.8 ℃、25.7 ℃和32.7 ℃，均大于JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中2.5 ℃的要求，高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差；復(fù)摻一定量的OMMT 可以降低瀝青在離析試驗(yàn)前后的軟化點(diǎn)差，這是由于OMMT 可阻礙SEPS 聚合物大分子的聚集，因而可以改善聚合物改性瀝青的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性。由此可知，SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青具有更好的高溫儲(chǔ)存性能?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，下文僅對(duì)基質(zhì)瀝青和SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青進(jìn)行研究。

表5 不同改性瀝青離析試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Segregation test results of different modified asphalt

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)綜合考慮了瀝青材料的黏彈性能，能較好地模擬瀝青所經(jīng)歷的實(shí)際荷載作用。其中，復(fù)數(shù)模量G*越大，說明瀝青的高溫抗變形能力越強(qiáng)，相位角δ越大，說明瀝青高溫時(shí)的彈性性能占比越小。該例采取應(yīng)變控制模式，目標(biāo)應(yīng)變水平設(shè)定為10%，荷載作用頻率為10 rad/s，對(duì)經(jīng)RTFO 短期老化試驗(yàn)后的70 號(hào)基質(zhì)瀝青和復(fù)合材料改性瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2 所示。

圖1 復(fù)數(shù)模量與溫度的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between complex modulus and temperature

圖2 相位角與溫度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between phase angle and temperature

由圖1 和圖2 可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，各瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量逐漸降低，相位角逐漸增大，各瀝青的高溫性能均有著不同程度的減弱；與70 號(hào)基質(zhì)瀝青相比，當(dāng)試驗(yàn)溫度為82 ℃時(shí)，各復(fù)合改性瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量分別增加了0.53 倍、2.92 倍和4.42 倍，而相位角則分別下降了5.0%、13.5%和19.7%，這表明復(fù)合材料改性劑能提高基質(zhì)瀝青的高溫抗變形能力和高溫彈性性能。由試驗(yàn)結(jié)果可知，6%SEBS+OMMT 復(fù)合材料改性劑的改善效果最明顯。

SHRP 引入了車轍因子G*/sinδ這一參數(shù)作為評(píng)估瀝青抗永久變形的指標(biāo)：該參數(shù)綜合考慮了瀝青的剛度與彈性性能的影響，其值越大，說明瀝青的抗永久變形性能越優(yōu)異。兩類瀝青的車轍因子參數(shù)G*/sinδ隨溫度的變化情況如圖3 所示。

圖3 瀝青樣品車轍因子與溫度的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between rutting factor and temperature of asphalt sample

可以看出，在同樣的溫度下，添加有納米復(fù)合材料改性劑的瀝青樣品車轍因子G*/sinδ這一指標(biāo)較70 號(hào)基質(zhì)瀝青而言，有著不同程度的增加，當(dāng)添加6%的SEBS 和對(duì)應(yīng)量的OMMT 時(shí)，效果最明顯；對(duì)于車轍因子G*/sinδ= 2.2 kPa 處，各瀝青樣品的試驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)為：6%SEBS+OMMT 改性瀝 青＞4.5%SEBS+OMMT 改 性 瀝 青＞3%SEBS+OMMT 改性瀝青＞基質(zhì)瀝青，這表明6%SEBS+OMMT 改性瀝青的高溫抗車轍的能力最佳，能適用于更高溫度環(huán)境下的瀝青路面設(shè)計(jì)當(dāng)中。

2.4 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)即采用動(dòng)態(tài)彎曲流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行“加載-卸載”的間歇式循環(huán)加載，1 個(gè)周期10 s，前1 s 為加載階段，后9 s 為卸載恢復(fù)階段。選擇0.1 kPa 和3.2 kPa 兩種應(yīng)力水平，對(duì)經(jīng)RTFO 短期老化后的各瀝青樣品分別加載10 個(gè)周期，試驗(yàn)溫度為58 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 兩種應(yīng)力水平下不同瀝青樣品的應(yīng)變恢復(fù)率Fig.4 Strain recovery rate of different asphalt samples under two stress level

圖5 兩種應(yīng)力水平下不同瀝青樣品的蠕變?nèi)崃恐礔ig.5 Creep compliance value of different asphalt samples under two stress level

各瀝青樣品在兩種應(yīng)力水平作用下的應(yīng)變恢復(fù)率情況如圖4 所示，其值越高，說明瀝青的彈性恢復(fù)性能越好?？梢钥闯?，在0.1 kPa 的應(yīng)力水平作用下，6%SEBS+OMMT 這一改性瀝青樣品的應(yīng)變恢復(fù)率最高，為72.2%；在較高的應(yīng)力水平下，3 種復(fù)合改性瀝青樣品的應(yīng)變恢復(fù)率變化不明顯，但總體變化趨勢(shì)和0.1 kPa 時(shí)類似。

圖5示出了兩種應(yīng)力水平作用下各瀝青樣品不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃恐?，其值越小，說明瀝青樣品的抗永久變形性能越好，試驗(yàn)結(jié)果顯示6%SEBS+OMMT 改性瀝青樣品在兩種應(yīng)力水平作用下均有著最低的蠕變?nèi)崃恐?。此外，可以看出，通過施加更高的應(yīng)力水平，所有瀝青樣品的蠕變?nèi)崃烤鶗?huì)增加，但改性瀝青樣品的蠕變?nèi)崃吭黾勇拭黠@要低于基質(zhì)瀝青，由此可得使用SEBS 納米復(fù)合材料改性劑的瀝青能較好地適應(yīng)高溫重載的作用環(huán)境。

3 結(jié)語

1）SEBS 納米復(fù)合材料改性劑的使用增加了瀝青的針入度指數(shù)等指標(biāo)，其溫度敏感性得到了較大的改善。

2）離析試驗(yàn)的結(jié)果表明，相比SEBS 聚合物改性瀝青，SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青有著更好的高溫儲(chǔ)藏穩(wěn)定性能。

3）DSR 試驗(yàn)結(jié)果表明：添加SEBS 納米復(fù)合材料改性劑可增大瀝青的復(fù)數(shù)模量和車轍因子指標(biāo)，能改善瀝青的高溫抗車轍能力；對(duì)于車轍因子G*/sinδ= 2.2 kPa 處， 6%SEBS+OMMT 的改性瀝青樣品對(duì)應(yīng)的溫度最高，能適用于更高溫度環(huán)境下的瀝青路面設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4）MSCR 的試驗(yàn)結(jié)果表明：在兩種應(yīng)力水平的作用下，SEBS 納米復(fù)合材料改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率有著明顯的增加，這說明其具有更好的彈性恢復(fù)性能；蠕變?nèi)崃康臏p小說明SEBS 納米復(fù)合材料改性劑能提高瀝青的抗永久變形的能力；該文中6%SEBS+OMMT 改性瀝青樣品的高溫性能最佳。