废食用油/纳米蒙脱土复合改性沥青流变性能研究

李蓓，王冰轩

（1.浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州310000；2.宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波315000）

1 引言

纳米蒙脱土属于一种新型的复合材料，已有研究表明，纳米蒙脱土对沥青的高温性能有显著的改善作用，但会影响低温性能【1】。而部分学者发现将废弃食用油掺入能够明显提高沥青的低温抗裂性能以及低温柔韧性【2】。因此，本文对纳米蒙脱土及废食用油复合改性沥青性能进行研究，进而为纳米蒙脱土及废食用油复合改性的实际应用提供理论依据和技术支持。

2 改性沥青的制备

选用70#沥青作为基质沥青，以纳米蒙脱土、废食用油作为添加剂，分别制备纳米蒙脱土改性沥青、废食用油改性沥青和废食用油/纳米蒙脱土复合改性沥青。

2.1 纳米蒙脱土改性沥青的制备

首先将定量70#基质沥青放入150℃烘箱中加热溶解，然后从烘箱中将70#基质沥青取出，按照室内聚合物改性沥青的制备工艺进行制备。剪切温度160℃，剪切速率4 500r/min，剪切时间20min。最后，在制备纳米蒙脱土改性沥青过程中，需要在剪切完成后，保持不低于160℃的温度条件下，继续手动搅拌15min，以保证沥青材料充分均匀混合。

2.2 废食用油改性沥青的制备

按照室内聚合物改性沥青的制备工艺，首先将定量70#基质沥青放入135℃烘箱中加热溶解，同时，使用油浴加热的方式对定量的废食用油加热，温度控制也是控制在135℃。然后从烘箱和油浴中将70#基质沥青和废食用油同时取出，控制剪切温度150℃，剪切速率4 500r/min，剪切时间30min。

2.3 废食用油/纳米蒙脱土改性沥青的制备

本次制备拟定先掺加废食用油进行高速剪切，然后再添加纳米蒙脱土进行后续的剪切。首先，按照废食用油改性沥青制备工艺进行制备，剪切温度150℃，剪切速率4 500r/min，剪切时间30min。然后，添加定量的纳米蒙脱土，继续控制温度在150℃，进行第二次剪切。剪切速率4 500r/min，剪切时间40min。此时，温度控制较纳米蒙脱土改性沥青的稍低，这是为了保证沥青的性能良好，温度过高可能会引起老化，故而延长20min的剪切时间。剪切完成后，保持不低于150℃的温度条件下，继续手动搅拌15min，以保证沥青材料充分均匀混合。

3 废食用油/纳米蒙脱土改性沥青复配方案的优选

通过沥青的3大指标实验，针对不同掺量条件下针入度、软化点及延度的变化，优选出废食用油/纳米蒙脱土复配的最佳方案。基于现有研究基础，拟定废食用油的掺量为1.0%、1.5%和2% 3个梯度；拟定纳米蒙脱土的掺量为1.0%、3%和5% 3个梯度，试验结果如下：

1）掺入废食用油后，随着掺量增大，沥青针入度有所增加，但增加幅度很小；沥青软化点有所下降，但下降幅度较小；沥青延度明显增大，说明废食用油可以有效改善沥青的低温性能，对高温性能有不利影响，但影响较小。

2）掺入纳米蒙脱土后，沥青针入度随着其掺量的增加而减小，当其掺量超过3%时反而针入度又呈增大趋势，但仍小于基质沥青的原始针入度；沥青软化点随着其掺量增加而增大，但当其掺量超过3%时反而软化点又呈下降趋势，但依旧明显大于基质沥青的原始软化点；沥青的延度随着其掺量的增加而减小，但当其掺量超过3%时反而延度又呈上升趋势，但依旧明显小于基质沥青的原始延度值。说明纳米蒙脱土可以有效改善沥青的高温性能，对低温性能有负面影响。

3）将废食用油和纳米蒙脱土复配后，发现沥青针入度明显小于基质沥青，而软化点则明显大于基质沥青，两者呈现趋势和单独掺入纳米蒙脱土十分相似；而沥青延度明显大于基质沥青，呈现的总体趋势和单独掺入废食用油十分相似。因此，废食用油和纳米蒙脱土复配后，对沥青的高温和低温性能均有改善作用。

本着最大限度地使用废食用油，再综合考虑针入度、软化点和延度3大指标的基础上，拟定复配的方案为：基质沥青+2.0%废食用油+3%纳米蒙脱土。且基于此复配水平下，进行后续的流变性能研究。

4 废食用油/纳米蒙脱土改性沥青流变性能研究

4.1 动态剪切流变试验

按照AASHTO T 315—2012（DRS）《测试标准方法测定沥青粘合剂的使用动态剪切流变仪的流变性能（DSR）》中试验标准，采用动态剪切流变仪（DSR）进行试验。试验温度选取64℃、70℃和76℃3个温度梯度，试验频率为10r/s，控制应变为2.0%条件下进行试验，试验结果如表1所示。

表1动态剪切试验结果

由表1中的试验结果可得到如下结论：

1）复数模量。废食用油的添加，导致其值有所降低；而纳米蒙脱土的添加，其值显著提高；将废食用油和纳米蒙脱土复配添加后，复数模量也有所提高，但提高幅度低于单独添加纳米蒙脱土，说明复配方案对沥青的高温稳定性仍有所改善。

2）相位角。废食用油的添加，导致其值有所增大；而纳米蒙脱土的添加，其值有所降低；将废食用油和纳米蒙脱土复配添加后，相位角也有所降低，但降低幅度小于单独添加纳米蒙脱土，说明复配方案可以显著提高弹性性能，进而改善变形恢复能力。

3）抗车辙因子。废食用油的添加，导致其值有所降低；而纳米蒙脱土的添加，其值显著提高；将废食用油和纳米蒙脱土复配添加后，抗车辙因子也有所提高，但提高幅度低于单独添加纳米蒙脱土，说明复配方案对沥青的高温抗车辙能力仍有所增强。

4.2 弯曲梁流变试验

按照AASHTO TP1—1997《测定沥青粘合剂使用弯曲梁流变仪的抗弯刚度蠕变的标准测试方法》，将沥青样品进行老化处理。采用旋转薄膜烘箱（RTFO）方法人工模拟沥青的短期老化，采用压力老化试验（PAV）模拟现场道路使用10a后的沥青的长期老化。在-12℃和-18℃温度下，控制时间在60s内，进行弯曲梁流度试验，试验结果如表2所示。

表2弯曲梁流变试验结果

由表2中试验结果可得到如下结论：

1）废食用油的添加，可以显著提高蠕变劲度；而纳米蒙脱土的添加，则导致蠕变劲度有所降低；将废食用油和纳米蒙脱土复配添加后，所得的改性沥青的蠕变劲度较基质沥青提高显著，说明复配的方案对沥青的低温稳定性的改善效果明显。

2）废食用油的添加，可以显著增大蠕变速率；而纳米蒙脱土的添加，则导致该值有所降低；将废食用油和纳米蒙脱土复配添加后，所得的改性沥青的蠕变速率较基质沥青提高显著，说明复配的方案对沥青的低温抗裂性能也有一定的帮助。

5 结语

本文通过沥青3大指标试验确定了纳米蒙脱土及废食用油复配方案，然后根据流变性能对复配方案进行了试验，主要得出来了以下结论：

1）本着最大限度地使用废食用油，再综合考虑针入度、软化点和延度3大指标的基础之上，建议复配的方案为：基质沥青+2.0%废食用油+3%纳米蒙脱土。

2）基于DSR试验，废食用油和纳米蒙脱土复配加入基质沥青，可以显著增强其高温抗车辙能力，也对沥青高温等级有所提高。

3）在BBR实验中，废食用油和纳米蒙脱土复配加入基质沥青，对其低温抗裂性能有一定的帮助。