SEBS 纳米复合材料改性沥青高温性能研究

2022-08-04王树新

中国港湾建设 2022年7期

王树新

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

0 引言

沥青作为混合料的胶结材料已广泛应用于各等级的路面中，但由于交通荷载和车辆轴重明显增加，使得沥青路面易出现车辙等高温病害。因此，为了保障沥青路面的正常使用，有必要对沥青进行一定的改性。目前，通常采用有机高分子聚合物作为沥青材料的改性剂[1-4]，但由于聚合物改性剂与沥青在密度、极性和溶解度等方面存在一定的差异，使得聚合物改性沥青在储存和加热过程中可能会出现离析或分层的现象[5-6]。

近年来，纳米材料发展迅速，因其具有化学活性高、比表面积大和与沥青相容性好等特性，许多研究学者尝试将纳米材料与聚合物制成复合材料，以改善沥青的相关性能。苏曼曼等[7]对纳米氧化锌、纳米二氧化钛和SBS 聚合物复合改性沥青混合料进行了小型加速加载试验，试验结果表明纳米聚合物复掺改性的方法能改善沥青混合料的抗车辙性能。赵宝俊等[8]采用SBR 和纳米CaCO3对基质沥青进行改性，并对其高低温性能进行研究，试验结果表明SBR 纳米CaCO3复合材料改性沥青能满足夏热冬寒地区的要求。

鉴于此，拟采用氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）聚合物和纳米蒙脱土（OMMT）来制备不同的聚合物改性沥青和复合改性沥青，通过离析试验来对比聚合物改性沥青和复合材料改性沥青的高温储藏稳定性差异，通过动态剪切流变试验和多应力蠕变恢复试验等来分析不同掺量的复合材料改性沥青的弹性恢复性能和高温抗永久变形能力，以期为聚合物纳米复合材料改性剂的应用提供借鉴与参考。

1 试验材料及方法

1.1 基质沥青

基质沥青选用70 号道路石油沥青，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的方法对沥青的技术指标进行测试，相关结果如表1 所示。

表1 沥青技术指标Table 1 Technical indexes of asphalt

1.2 SEBS 聚合物

该例研究所使用的SEBS 是以聚苯乙烯为末端，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯为中间段的三嵌共聚物，呈线形结构，具有较高的韧性、稳定性和抗紫外线辐射的能力，其主要物理性能指标检测结果见表2。

表2 SEBS 的物理性能指标Table 2 Physical performance indexes of SEBS

1.3 纳米材料

该研究选用的纳米材料为Closite 15A 型OMMT，其主要的技术性能指标如表3 所示。

表3 OMMT 的技术性能指标Table 3 Technical performance indexes of OMMT

1.4 改性沥青制备

配制聚合物改性沥青时，先将基质沥青加热至约185 ℃，再往其中分别加入掺量为3%、4.5%和6%的SEBS，以4 500 r/min 的速度剪切2 h；制备纳米复合材料改性沥青时，在SEBS 改性沥青的基础上按OMMT ∶SEBS = 10 ∶100 的比例来添加OMMT，以4 000 r/min 的速度再剪切45 min。

2 SEBS 纳米复合材料改性沥青性能评价

2.1 常规技术指标试验

对基质沥青、SEBS 改性沥青和SEBS 纳米复合材料改性沥青样品进行常规的性能指标测试，其结果如表4 所示。

表4 不同沥青的技术指标对比Table 4 Comparison of technical indexes from different asphalt

从表4 可以看出：与基质沥青样品相比，两种改性沥青样品均有相对更高的针入度指数和软化点等指标，这说明改性剂的加入提高了沥青的高温性能；对于两类改性沥青而言，复掺了OMMT 之后的聚合物改性沥青的针入度指数和黏度等指标变化更明显，温度敏感性进一步降低，这是由于OMMT 有着较高的表面活性，能更好地吸附沥青中的轻质成分，可加快结构形成凝胶体系。由此可得，SEBS 纳米复合材料能更好地改善沥青的高温性能。

2.2 高温储存稳定性试验

对两类改性沥青进行离析试验：将它们分别倒入特制的铝质容器中，放置在163 ℃的烘箱中加热48 h，之后迅速拿出放入-5 ℃的冰箱中冷冻4 h。在此之后将容器内的沥青分成上中下三等分，测定它们的软化点，试验结果见表5。

由表5 可知，未添加有OMMT 的SEBS 改性沥青离析现象较为严重，当SEBS 的掺量变化时，顶部与底部之间的软化点差分别为19.8 ℃、25.7 ℃和32.7 ℃，均大于JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中2.5 ℃的要求，高温储存稳定性较差；复掺一定量的OMMT 可以降低沥青在离析试验前后的软化点差，这是由于OMMT 可阻碍SEPS 聚合物大分子的聚集，因而可以改善聚合物改性沥青的高温储存稳定性。由此可知，SEBS 纳米复合材料改性沥青具有更好的高温储存性能。考虑到经济性，下文仅对基质沥青和SEBS 纳米复合材料改性沥青进行研究。

表5 不同改性沥青离析试验结果Table 5 Segregation test results of different modified asphalt

2.3 动态剪切流变（DSR）试验

动态剪切流变试验综合考虑了沥青材料的黏弹性能，能较好地模拟沥青所经历的实际荷载作用。其中，复数模量G*越大，说明沥青的高温抗变形能力越强，相位角δ越大，说明沥青高温时的弹性性能占比越小。该例采取应变控制模式，目标应变水平设定为10%，荷载作用频率为10 rad/s，对经RTFO 短期老化试验后的70 号基质沥青和复合材料改性沥青进行DSR 试验，试验结果如图1和图2 所示。

图1 复数模量与温度的关系图Fig.1 Relationship between complex modulus and temperature

图2 相位角与温度的关系图Fig.2 Relationship between phase angle and temperature

由图1 和图2 可以看出，随着试验温度的升高，各沥青样品的复数模量逐渐降低，相位角逐渐增大，各沥青的高温性能均有着不同程度的减弱；与70 号基质沥青相比，当试验温度为82 ℃时，各复合改性沥青样品的复数模量分别增加了0.53 倍、2.92 倍和4.42 倍，而相位角则分别下降了5.0%、13.5%和19.7%，这表明复合材料改性剂能提高基质沥青的高温抗变形能力和高温弹性性能。由试验结果可知，6%SEBS+OMMT 复合材料改性剂的改善效果最明显。

SHRP 引入了车辙因子G*/sinδ这一参数作为评估沥青抗永久变形的指标：该参数综合考虑了沥青的刚度与弹性性能的影响，其值越大，说明沥青的抗永久变形性能越优异。两类沥青的车辙因子参数G*/sinδ随温度的变化情况如图3 所示。

图3 沥青样品车辙因子与温度的关系图Fig.3 Relationship between rutting factor and temperature of asphalt sample

可以看出，在同样的温度下，添加有纳米复合材料改性剂的沥青样品车辙因子G*/sinδ这一指标较70 号基质沥青而言，有着不同程度的增加，当添加6%的SEBS 和对应量的OMMT 时，效果最明显；对于车辙因子G*/sinδ= 2.2 kPa 处，各沥青样品的试验温度对应为：6%SEBS+OMMT 改性沥青＞4.5%SEBS+OMMT 改性沥青＞3%SEBS+OMMT 改性沥青＞基质沥青，这表明6%SEBS+OMMT 改性沥青的高温抗车辙的能力最佳，能适用于更高温度环境下的沥青路面设计当中。

2.4 多应力蠕变恢复（MSCR）试验

多应力蠕变恢复（MSCR）试验即采用动态弯曲流变仪对沥青进行“加载-卸载”的间歇式循环加载，1 个周期10 s，前1 s 为加载阶段，后9 s 为卸载恢复阶段。选择0.1 kPa 和3.2 kPa 两种应力水平，对经RTFO 短期老化后的各沥青样品分别加载10 个周期，试验温度为58 ℃，试验结果如图4 和图5 所示。

图4 两种应力水平下不同沥青样品的应变恢复率Fig.4 Strain recovery rate of different asphalt samples under two stress level

图5 两种应力水平下不同沥青样品的蠕变柔量值Fig.5 Creep compliance value of different asphalt samples under two stress level

各沥青样品在两种应力水平作用下的应变恢复率情况如图4 所示，其值越高，说明沥青的弹性恢复性能越好。可以看出，在0.1 kPa 的应力水平作用下，6%SEBS+OMMT 这一改性沥青样品的应变恢复率最高，为72.2%；在较高的应力水平下，3 种复合改性沥青样品的应变恢复率变化不明显，但总体变化趋势和0.1 kPa 时类似。

图5示出了两种应力水平作用下各沥青样品不可恢复的蠕变柔量值，其值越小，说明沥青样品的抗永久变形性能越好，试验结果显示6%SEBS+OMMT 改性沥青样品在两种应力水平作用下均有着最低的蠕变柔量值。此外，可以看出，通过施加更高的应力水平，所有沥青样品的蠕变柔量均会增加，但改性沥青样品的蠕变柔量增加率明显要低于基质沥青，由此可得使用SEBS 纳米复合材料改性剂的沥青能较好地适应高温重载的作用环境。