有机坡缕石改性沥青的高温性能研究

2020-02-28高昆

北方交通 2020年1期

高昆

(新疆交建公路规划勘察设计有限公司乌鲁木齐市 830011)

0 引言

随着我国经济的快速发展，重载交通以及交通量不断增大，给高等级公路的服役性能带来更大的挑战，传统的沥青胶结料已经难以满足沥青路面建设的需求，特别是高温性能不足严重制约着道路使用性能[1]。高分子聚合物改性沥青的出现暂时弥补了这一弊端，但是如何进一步提高聚合物改性沥青的储存稳定性一直是业内研究人员关注的重点。近几年，层状硅酸盐材料的出现吸引了很多研究者的目光。坡缕石又被称作凹凸棒土，是一种纤维链层状富铝镁硅酸盐粘土矿物，其资源存量在我国十分丰富[2]。坡缕石独特的晶体结构赋予其优异的流变性、吸附性、火山灰活性、催化特性及填充性。用坡缕石来对沥青进行改性，坡缕石自身优异的物理性能可以使得改性沥青具备较好的稳定性，在改善沥青技术性能的同时，具有较好的热储存稳定性能[3]。坡缕石乳化改性沥青可以有效解决乳化沥青的耐候性差的问题，同时降低改性沥青的经济成本[4-5]。将坡缕石与环氧树脂复合对沥青进行改性，可以弥补环氧树脂质脆、耐冲击性能差的缺陷[6]。高晓红等[7]将有机化处理的坡缕石与SBS、溶剂油等复合对基质沥青进行改性，研究认为加入坡缕石后沥青的抗老化性能得以改善。王有朋等[8]对坡缕石进行有机处理后对基质沥青进行改性，发现经过处理的坡缕石与沥青具有良好的相容性，并能提高沥青的高温性能。坡缕石的经济成本相对较小，且具有良好的物理、化学性质，其改性沥青在道路工程中的应用将会有巨大的前景。

为研究坡缕石改性沥青的高温性能，对比有机化处理对其高温性能的影响，采用有机化试剂对坡缕石进行处理，使用处理前后的坡缕石进行改性沥青制备，通过旋转粘度试验、动态剪切流变试验对改性沥青的高温性能进行研究。

1 原材料及改性沥青制备

1.1 试验原材料

采用的基质沥青为SK70#沥青，其技术指标如表1所示。坡缕石产地为江苏，其基本技术指标如表2所示。作为一种无机物材料，理论上坡缕石与沥青组分的相容性不会太好，因此选用十八烷基三甲基氯化铵(C21H46ClN，简称1831)对坡缕石进行有机化处理，该有机化试剂的基本性能指标如表3所示。

表1 基质沥青基本性能

表2 坡缕石基本指标

表3 有机化试剂基本指标

1.2 坡缕石有机化处理

称取一定量的坡缕石干燥后研磨，倒入装有去离子水的烧杯中，在磁力搅拌水浴锅(HCJ-4D)内搅拌1h，搅拌温度为80℃，搅拌速度为1200rpm。搅拌完毕加入适量的1831后，维持搅拌温度和速度继续搅拌2h。完成后取出并冷却，采用真空抽滤机将沉淀物反复清洗，直到无残留试剂为止。将清洗过的沉淀物放入烘箱烘干，然后取出研磨经300目筛过滤得到有机化凹凸棒土(OPAL)。

1.3 改性沥青制备

在150℃条件下，将SK70#基质沥青加热至热融状态，然后取一定量的凹凸棒土PAL或有机化凹凸棒土OPAL加入沥青中，使用高速剪切机在3000r/min的条件下剪切40min，剪切完毕发育2h后可得到改性沥青。

2 试验方案

为研究坡缕石改性沥青的高温流变性能，首先采用布氏旋转粘度计对不同掺量(1%～5%)的PAL、OPAL改性沥青的粘度进行测量，测试温度控制为135℃；采用动态剪切流变仪，对不同掺量的OPAL改性沥青进行温度扫描试验，对固定掺量的OPAL和PAL改性沥青的温度扫描结果进行对比分析，基于抗车辙因子指标研究其高温流变性能的影响因素，确定其PG分级温度。

3 结果与讨论

3.1 改性沥青的粘温特性

不同PAL、OPAL掺量的改性沥青在135℃条件下的粘度变化如图1所示。可以发现，随着PAL、OPAL掺量的增加，改性沥青的粘度逐渐增加，当掺量增加至3%时，粘度增加的趋势逐渐变缓。此外，经过有机化处理的坡缕石改性沥青的粘度均大于普通坡缕石改性沥青，随着掺量增加，这种差异越发明显。这表明，坡缕石经过有机化处理后，能与沥青组分进行较好地融合，沥青的分子链结构能更好地与有机化坡缕石的结构进行互嵌，这就使得沥青分子结构更为稳固，从而表现出更大的粘度。根据图1所示的粘度变化趋势，3%掺量是一个较为合适的改性掺量。

3.2 改性沥青的抗车辙因子分析

沥青作为混合料的胶结料，其高温性能直接影响着路面的抗车辙性能，因此采用动态剪切流变仪对改性沥青的高温性能进行试验。温度扫描试验的频率为10rad/s，控制温度为58℃、64℃、70℃、76℃。首先对3%掺量的PAL、OPAL改性沥青进行温度扫描试验，并与基质沥青进行对比。经过温度扫描得到沥青的复数模量和相位角，复数模量与相位角正弦值的比值为抗车辙因子。如图2显示了基质沥青、PAL以及OPAL改性沥青在不同温度下的抗车辙因子，可以发现，随着温度的升高，抗车辙因子均呈现下降趋势，表明温度的升高导致沥青的抗车辙性能下降。在相同的温度下，OPAL改性沥青的抗车辙因子均为最大，其次是PAL改性沥青，这表明，PAL的加入能提高沥青的高温性能，而经过有机化处理的坡缕石能进一步改善改性沥青的高温性能。这是由于坡缕石本身具有较好的吸附能力，这对于沥青分子间的稳定性具有积极作用，提升了沥青分子间的热运动阈值，从而改善了其高温性能。经过有机化处理，无机的坡缕石变为有机材料从而能与沥青进行更好地相容，坡缕石的空间结构因为有机化处理而扩大，从而能使得沥青分子链能够更好地相嵌，加强了坡缕石与沥青组分的吸附作用，因此表现为改性沥青的性能进一步提升。

为了解OPAL掺量对改性沥青高温性能的影响，对1%～5%掺量的OPAL改性沥青进行温度扫描后计算其抗车辙因子，结果如图3所示。可以看出，所有掺量改性沥青的抗车辙因子均大于基质沥青的抗车辙因子，这说明OPAL的掺加明显提升了沥青的高温性能。在同样的温度条件下，随着OPAL掺量的增加，抗车辙因子逐渐增大，但也可以发现，掺量超过3%后，抗车辙因子进一步增大的幅度相对较小。可见，在进行沥青改性时，3%的OPAL掺量确为一个较为合适的掺量。

3.3 PG分级

根据沥青的抗车辙因子看可以确定其PG分级，沥青老化前对应的抗车辙因子大于1kPa且老化后其抗车辙因子大于2.1kPa条件下的最高温度即为沥青PG分级的高温等级。通过试验，对3%OPAL、PAL掺量下的改性沥青及SK70#沥青进行PG高温等级的确定，试验结果如表4所示。可以看出，相较于SK70#沥青的PG高温等级，坡缕石加入后其高温性能等级均提升一个PG等级，这也表明，OPAL和PAL的掺加可以显著提高沥青的高温性能。