OMMT/SEPS复合改性沥青的性能研究

2021-07-22邹桂花

湖南交通科技 2021年2期

邹桂花

(长沙理工大公路工程试验检测中心，湖南长沙 410076)

0 前言

高温条件下，沥青路面的主要破坏原因之一是车辙。车辙可定义为反复荷载下柔性路面不可恢复的变形量。为了防止或减轻这些破坏，许多研究者通过加入改性剂改善沥青性能，进而提高沥青路面性能。

近年来最常见和最成功的方法之一是利用聚合物对沥青粘结剂进行改性。Khodaii等[1]采用动态蠕变试验评价了不同含量SBS对沥青混合料的车辙影响，研究发现SBS改善了沥青混合料的车辙性能，并且5%SBS为最佳掺量。Ameri等[2]研究了EVA对沥青粘合剂和其混合料性能的影响，发现4%EVA改性的沥青性能最佳。马峰等[3]研究发现，SEBS聚合物加入沥青中可以显著改善沥青的高温稳定性和低温抗裂性，推荐的最佳掺量为5%。刘宽河等[4]将SEPS作为一种沥青改性剂，研究其对沥青抗永久变形能力的效果，发现SEPS聚合物可有效地改善沥青粘结剂的抗车辙潜力。

本文研究了SEPS纳米复合材料对沥青粘结剂常规性能及流变性能的影响。选择了0%、2%、4%和6%这4种SEPS掺量，加入质量比为25%(mSEPS∶mOMMT=100∶25)的OMMT，以此制备SEPS纳米复合改性沥青。采用常规试验(针入度、软化点、储存稳定性)和高低温流变试验(DSR和BBR)评价SEPS纳米复合改性沥青的性能变化，以及SEPS纳米复合材料掺量对沥青路用性能的影响，为指导SEPS纳米复合改性沥青应用提供了实际方案。

1 原材料和试验方案

1.1 原材料

采用的沥青粘结剂为70#道路石油沥青，其基本性质见表1。使用的SEPS型号为Kraton G1780M。SEPS外观为无色粉末，是一种以苯乙烯和乙烯/丙烯为原料的杂化聚合物，其中聚苯乙烯含量为7%，其力学性能指标如表2所示。纳米蒙脱土由灵寿县奥太矿产提供，相关物理性质如表3所示。

表1 70#道路石油沥青基本性质试验项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm软化点/℃延度(5 cm/min,25 ℃)/cm测试结果6453>100

表2 SEPS力学性能指标试验项目邵氏A硬度密度/(g·cm-3)拉伸断裂强度/MPa拉断延长率/%脆化温度/℃测试结果350.893.7>65051

表3 纳米蒙脱土性能指标试验项目蒙脱土含量/%密度/(g·cm-3)径厚比含湿量/%测试结果97.01.66200≤3

1.2 试验方案

采用高速剪切仪制备SEPS纳米复合改性沥青，SEPS掺量分别为沥青质量的2%、4%和6%。将70#道路石油沥青加热至(180±5)℃，然后向沥青中逐渐添加SEPS改性剂。高剪切搅拌机的转速为4 500 r/min，高速剪切2 h后，将质量比为25%的OMMT缓慢地加入到SEPS改性沥青中，在180 ℃条件下以4 000 r/min的剪切速率剪切45 min。此外，将基质沥青在相同试验条件下剪切，以达到与改性沥青类似的老化效果。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)对SEPS纳米复合改性沥青进行针入度、软化点、离析、DSR温度扫描和BBR等多项试验,对比分析高温稳定性、低温抗裂性、储存稳定性等。

2 结果与讨论

2.1 高温稳定性

通过针入度和软化点指标初步反映不同掺量SEPS纳米复合材料对沥青高温性能的影响，见图1～2。由图可知，与基质沥青相比，加入SEPS能降低沥青的针入度、升高软化点，即能提高沥青的高温性能，这是由于纳米材料具有高表面能，可增加吸收沥青组分的能力，SEPS还具有较高的聚合物刚度。与常规70#道路石油沥青相比，改性沥青针入度和软化点的变化说明了SEPS纳米复合材料能增强沥青粘结剂的永久变形抵抗力。

图1 针入度随SEPS掺量的变化图

图2 软化点随SEPS掺量的变化图

而随着SEPS掺量增加，沥青的高温性能逐渐提升。同时在相同SEPS掺量下，加入纳米蒙脱土能进一步提高沥青的高温稳定性。由于单位体积沥青粘结剂的颗粒数增加，层间摩擦增加，改性沥青粘结剂的针入度比基质沥青降低了40%左右。然而，仅仅通过针入度不能表征沥青的力学性能和温度敏感性。为此，使用针入指数(PI)评价改性沥青的温度敏感性，见图3。PI值在-3～7之间，数值越接近极限越则越合适。由图3可知，使用SEPS纳米复合材料增加了改性沥青的PI值，降低了沥青的温度敏感性。同时，加入6%SEPS纳米复合材料的改性沥青PI值最高，该值反映了胶态体系变化，沥青中悬浮颗粒趋于融合，形成凝胶型沥青粘结剂。

图3 PI值随SEPS掺量的变化图

采用DSR试验进一步评价短期老化后改性沥青的高温稳定性，如图4所示。车辙因子越大，表明沥青在高温下抗永久变形能力越大。由图4可知，不同掺量纳米复合材料改性后沥青的车辙因子均较高，都远远大于基质沥青，同时改性剂掺量增加对沥青车辙因子的影响也比较显著。通过对比基质沥青和改性沥青的车辙因子，发现加入纳米蒙脱土可以进一步提高改性沥青的刚度，使其车辙因子进一步增大，这主要因为纳米材料促进了改性沥青中聚合物网状结构产生。车辙因子反映了沥青粘结剂对剪切载荷引起变形的抵抗能力，因此，经过SEPS纳米复合材料改性的沥青粘结剂在更宽温度范围内具有较好抗车辙能力。根据美国SHRP计划规定，通过RTFO老化后的沥青车辙因子必须大于2.2 kPa才能抵抗路面发生车辙。由图4所示结果可知，基质沥青在64 ℃以下的车辙因子值大于2.2 kPa，同时掺量2%、4%、6%SEPS纳米复合材料改性的沥青分别在70 ℃、76 ℃、76 ℃条件下车辙因子均大于2.2 kPa。这说明加入SEPS纳米复合材料显著提高了沥青的高温破坏温度，提高了其抗车辙能力。

图4 不同SEPS掺量下车辙因子随温度的变化图

2.2 储存稳定性

采用聚合物改性沥青离析试验来评价SEPS纳米复合改性沥青粘结剂的储存稳定性，试验结果见表4。

表4 软化点差试验结果℃试样上部软化点下部软化点软化点差值2%SEPS6147.213.82%SEPS+OMMT6463.30.74%SEPS7047.222.84%SEPS+OMMT73.972.11.86%SEPS87.653.933.76%SEPS+OMMT8986.42.6

由表4可知，SEPS改性沥青的上、下两部分软化点差较大，且随SEPS掺量增加，软化点差越大，聚合物与沥青之间离析越严重。这是由于SEPS与基质沥青相容性较差，尽管SEPS能显著提高沥青高温稳定性，然而在储存过程中容易与沥青发生相分离，聚合物离析问题限制了SEPS进一步发展。加入纳米蒙脱土后能显著降低SEPS改性沥青的软化点差，说明纳米蒙脱土能提高SEPS改性沥青的储存稳定性。因为纳米蒙脱土能降低SEPS与沥青之间的性质差异性，改善二者储存稳定性问题，使SEPS在沥青中不易分层。同时，纳米蒙脱土的片层结构可以阻止SEPS和沥青组成的分子链运动，以此改善聚合物与沥青之间的离析问题。聚合物改性沥青通常被认为是一种悬浮剂，其中改性剂的悬浮颗粒暴露在浮力、拉力和重力作用下，其下落速度根据Stocks定律并使用公式(1)进行评价。

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(1)

式中：v为悬浮粒子的下落速度；ρ0为沥青密度；ρ1为SEPS密度；g为万有引力常数；r为SEPS粒子半径平均值；η为改性沥青黏度。

根据式(1)，当聚合物与沥青之间密度相差较大时，悬浮颗粒沉降速度和厚度会增大。SEPS和沥青的密度分别为0.89、1.02 g/cm3，因此在室温下，二者密度之间的差异性显著。材料密度差一般随温度升高而增大，这是因为在沥青粘结剂中，SEPS悬浮体积会增大。同时，材料密度取决于温度，如公式(2)所示：

(2)

由式(2)可知，材料密度与热膨胀系数呈反比例关系。液体的热膨胀系数通常比固体高，因此，如果改变恒温条件，SEPS和沥青的密度变化率会有所不同。但是，当SEPS与纳米蒙脱土结合时，由于纳米蒙脱土密度较大，添加后产生的纳米复合材料密度也随之增大。因此，纳米复合材料密度会更接近沥青密度，从而降低改性颗粒的沉积速率。添加纳米材料能解决聚合物改性沥青的主要问题，即聚合物改性沥青的高温储存不稳定。

2.3 低温抗裂性

采用BBR试验研究了SEPS纳米复合改性沥青的低温抗裂性能。经过PAV老化后的沥青样品在温度-12 ℃条件下测试，得到沥青的劲度模量(S)和蠕变速率(m)。美国SHRP规定沥青在固定温度下S值应小于300 MPa，m值应大于0.30。较低S值和较高m值的沥青样品具有较高低温抗裂能力，其中BBR结果如图5、图6所示。

图5 劲度模量随SEPS掺量的变化图

图6 蠕变速率随SEPS掺量的变化图

由图5、图6可知，所有沥青在-12 ℃的温度条件下S值均小于300 MPa，m值大于0.30。与基质沥青相比，SEPS改性沥青具有更低的S值和更高的m值，说明加入SEPS聚合物能增强粘结剂的韧性，提高低温抗开裂能力。同时，随SEPS掺量增加，S值不断减少,而m值不断增大，说明SEPS掺量对沥青低温抗裂性有着明显影响。加入OMMT后，改性沥青的S值增大，而m值减少，说明添加OMMT会对沥青低温性能有着不利影响。这是因为OMMT会提高沥青刚度，使沥青变得更硬，从而减少了沥青柔韧性，降低了低温性能。