纳米碳酸钙用量对改性沥青性能指标的影响研究

路勇、李华峰

（聊城市公路事业发展中心,山东聊城252000）

1 改性沥青的作用与性能

1.1 改性沥青的定义

沥青是由不同分子量的碳氢化合物组成的复杂混合物，它是一种大分子的具有防水防潮性质的有机材料，天然沥青存于地下，还有一些是经过石油蒸馏取得，改性沥青是指在沥青中加入某些高分子聚合物或者改良剂，来对原沥青进行加工改造制成沥青结合料，使它的使用性能得到改善和提升。改性沥青的机理有两种：一是改变沥青的化学组成，二是改性剂，化学性质不改变，使混合分子均匀地分布于沥青中，形成一定的空间网络结构。

1.2 改性沥青的分类及作用

1.2.1 改性沥青的分类

橡胶及热塑性弹性体改性沥青。主要是天然的橡胶改性沥青，有较高的持久抗变形能力。

合成类橡胶改性沥青。例如，塑料等聚乙烯改性沥青，它具有较高的抗低温变形能力。

加入改良剂的沥青结合料。通常是指对基础沥青进行性能提升，加入纳米碳酸该等改良剂来提升基础沥青的性能指标，使其更好地被应用到道路建设中。

1.2.2 改性沥青的应用

改性沥青主要应用于高档建筑物的防水工程和公路网的养护建设中，用于机场的跑道、防水桥面、停车场、运动场、大型的交通路面、交叉路口和路面转弯处等特殊场合。

2 纳米碳酸钙与沥青的研究分析

2.1 纳米碳酸钙的作用及用途

纳米碳酸钙是指超细的粉末碳酸钙，其粒度介于0.01～0.1μm 之间，由于碳酸钙分子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生了变化，它广泛应用于塑料、橡胶、涂料、油墨等产业结构中。

在塑料工业中可以改善塑料母料的流动性，提高成型性，用作塑料填料，具有增韧补强的作用。

在油墨产品中体现出了优异的分散性、透明性以及光泽性、优异的油墨吸收性和高干燥性，在纸型油墨中作油墨填料可以提高油墨的光洁度，用于高速印刷。

纳米碳酸钠可以提高纸张的松密度、表现细腻性以及吸水性，在造纸方面也具有开发的潜力。

涂料的应用中可以作为颜料填充剂就细腻均匀，白度高，光学性能好的优点，同时具有防沉降的作用，成本低。

由于纳米碳酸钙有巨大的表面特殊性，因而可以大规模工业产化的生产，尤其在改性沥青方面，纳米碳酸钙作为沥青的改性剂，发挥着重要作用。

2.2 纳米碳酸钙与沥青改性效果的影响

纳米碳酸钙对沥青有一定的改性效果，能提高沥青性能。具体体现在改性前后的指标变化上。

以基础沥青为原材料，以纳米碳酸钙为改良剂。将沥青加热约160℃左右至沥青软化，按不同的剂量（1%、3%、5%、7%质量比为改性剂与沥青的质量之比）将改良剂纳米碳酸钙加入融化的基础沥青中，并快速搅拌均匀，此过程要在短时内完成，防止时间过久温度下降，沥青凝固导致混合料不均匀，影响实验结果，得出改性沥青的性能指标不准确等，同一方向搅拌15min 左右后，让其自然冷却放置24h 左右，制得的沥青混合料在第二天充分冷却后重新加热至160℃的温度下制成改性沥青，通过车辙、马歇尔等试验来对比基础沥青与改性沥青的性能指标研究改良剂的数量多少与沥青之间的相互适应与改性效果的变化规律[1]。

以基础沥青掺加改良剂纳米碳酸钙为主要研究对象，通过对基础沥青的性能指标测定来对比分析加入改良剂的改性沥青的指标测定，分析研究纳米碳酸钙对沥青性能指标的影响程度，研究改性沥青的温感性、黏度、针入度、软化点等路用性能的核心指标。根据不同剂量的纳米碳酸钙得出改性沥青相应的性能指标变化规律，研究纳米碳酸钙的最佳掺和量与最佳温度。经试验研究表明15℃时沥青的针入度值和沥青掺加改性剂后，前后基本保持不变，在加热改性沥青至30℃时，其针入度较基础沥青有了明显的增加。因此可以得出，随着温度的升高改性沥青的黏度变小趋势越快，软化点也随纳米碳酸钙的量的增加越来越高。根据马歇尔稳定度试验结果表明，纳米碳酸钙的改性沥青混凝土比普通沥青混凝土的稳定性大大提高。纳米碳酸钙的加入使沥青软化点有一定的提高，同时沥青的高温稳定性有了一定程度的改善，如表1所示。

表1 为加入纳米碳酸钙后指标对比

2.3 纳米碳酸钙改进沥青性能试验

将基础沥青加热融化，以8% 的掺和比例加入纳米碳酸钙，搅拌均匀进行实验研究，经研究表明加入纳米碳酸钙的沥青改性良好，其性能大大提高，如针入度降低、软化点和黏度明显增高，由此表示加入8%的纳米碳酸钙沥青经改性后，温度敏感性降低，其稳定性更高。

3 纳米碳酸钙与改性沥青的原理探析

3.1 纳米碳酸钙与改性沥青的原理

沥青是一种大分子化合物，其结构中分子质量不同，与溶剂反应可以形成结构不相等的复杂有机物。纳米碳酸钙作为改性沥青的改良剂是一种高分子材料的化合物。通过沥青与纳米碳酸钙的融合加热相互作用的过程，沥青在纳米碳酸钙的表层形成一定厚度的扩散溶剂，在此膜厚度以内的为结构沥青，以外的称为自由沥青。这就使得纳米碳酸钙与沥青的接触促使沥青混合物中结构沥青的黏度更大。经实验表明，纳米碳酸钙的量越多越细，在一定的温度下，沥青的结构形成重新分布越快，沥青混合料的黏度和强度也越大[2]。

纳米复合材料的制造方法是纳米复合材料开发研究的首要问题。纳米碳酸钙改良沥青是一种全新的纳米复合材料及制备方法，改良剂的掺入是影响其性能的重要环节。在此实验中要充分地使纳米碳酸钙粒子均匀地分布于滤清中并确保不结团，才能使纳米材料充分发挥其特殊性质，使沥青的性能得到最好的改善。

3.2 纳米碳酸钙对沥青性能的影响

3.2.1 改性沥青的综合性能提高

根据实验结果分析沥青组分变化，基础沥青中的各组分含量与改性后的沥青性质之间存在一定的关系。纳米碳酸钙改性剂的加入使沥青各方面的技术性能获得了不同程度的改善与提高。它使沥青混合料的稳定度比改性前提高。

改性剂纳米碳酸钙的加入，对不同的沥青软化点都有普遍的提高。单从一定程度上来讲，对沥青的黏度几乎没有影响。

改性沥青的热稳定性与抗老化性明显提高，在一定程度上，提高了路面的耐久性、抗变形性及路面的稳定性[3]。

3.2.2 生产成本低

纳米碳酸钙是一种高分子化合物，它提供了一种添加水溶性高分子和高分子乳液作为控制结晶的过程。纳米碳酸钙颗粒均匀、分散性好，在进行改性沥青的过程中，可以均匀轻松地与沥青完成反应，提高了沥青的性能指标。纳米改性产品价格便宜，可以降低客户的成本，并且使用比较方便，因此很受客户的欢迎。

3.2.3 操作简单

纳米碳酸钙改性沥青是一个物理混融的过程，其间并无化学反应的发生。它们之间的作用是基于分子间的作用力，由于粒径小，因此混融体系均匀稳定。操作过程简单方便可以将纳米碳酸钙一起加入沥青改性罐中直接搅拌即可或在改性沥青拌料之前，加入改性容器中，需要进行高温软化直接搅拌即可。这两种操作方式灵活性较大，要根据客户的要求或者性能指标进行操作。

4 结语

综上所述，采用纳米碳酸钙改性沥青能使沥青的性能指标得到提升，根据纳米碳酸钙的使用量与沥青进行了实验对比，改性沥青的软化点随纳米碳酸钙剂量的增加而增加；在一定的温度下，针入度随剂量的增加而增加；延展度随纳米碳酸钙的增加而降低，使沥青的热稳定性提高。此外，在沥青中加入掺和率8%的纳米碳酸钙可以使沥青混合料的性能得到良好改善的同时工艺简单、操作方便、价格合适，符合社会的可持续发展，值得广泛应用。