纳米黏土与温拌剂对改性沥青流变特性的影响

常 哲

（河南省公路工程监理咨询有限公司，河南 郑州 450000）

引言

沥青改性技术作为改变沥青品质的直接方法，能够有效提高沥青的抗变形性能、抗疲劳性能以及抗裂性能。近年来，国内外学者在沥青改性方面进行了不少研究，总结出与未改性基质沥青相比，通过遴选合适的改性剂及掺量，加入改性剂会提高其物理性能和流变性能，但从工程应用角度而言，理想的改性剂应使沥青具有良好的高温、低温及水稳定等综合性能，同时也应具有良好的储存稳定性以满足运输储存需要。

温拌技术由于其降黏作用可增强沥青混合料的和易性、提升沥青路面施工质量，以及降低拌合站燃料消耗等优点得到了广泛应用。纳米黏土可以通过合适的表面改性，使其具备降黏特性，考虑到现阶段研究采用的纳米黏土种类繁杂，且表面改性工艺不尽相同，故需对沥青改性效果进一步研究。

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

（1）沥青。采用PG 分级为PG64-28 的70#基质沥青，其主要技术指标均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求。（2）改性剂。①纳米黏土N1（35%～45%二甲基二烷基铵（C14-C18）表面改性处理的灰白色粉状蒙脱土，溶于水）；②纳米黏土N2（35%～45%硬脂酰胺与0.5%～5.0%氨基丙基三乙氧基硅烷表面改性的灰白色粉状蒙脱土，溶于水）；③RH 温拌剂（棕色液体，不溶于水）。

1.2 试验设计

试验以基质沥青为参照组，设计了三种不同改性剂（常用RH 温拌剂和两种表面改性纳米黏土N1、N2）制备的改性沥青，其中温拌沥青的掺量为1%、2%、3%、4%，纳米黏土改性沥青N1 和N2 的掺量均为3%、4%、5%，并分别对其流变性能进行对比分析。试验沥青制备首先将基质沥青进行加热，待其熔融至158～168 ℃时备用，然后将三种改性剂按设计掺量分别加入熔融沥青中，同时采用高速剪切机剪切混合300～600 s，剪切速率为2 000 r/min，最后依次对其开展流变特性测试。

1.3 试验方法

动态剪切流变仪（DSR）采用应力控制方式测定基质沥青及三种改性沥青的流变特性。测试温度范围为18～85 ℃（水浴加热），加载频率为1.59 Hz（10 rad/s）。采用车辙因子G*/sinδ、疲劳因子G*·sinδ以及PG 分级破坏温度进行高温、疲劳等性能表征。其中车辙因子试验试样直径为25 mm、测试板间隙为1 mm。疲劳因子试验试样直径为8 mm、测试板间隙为2 mm。

为模拟施工作业期间发生的短期老化，以及铺筑完成后继续发生的长期老化，分别采用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）、压力老化试验（PAV）两种老化方式进行模拟，并制备两种老化处理后试样。采用弯曲梁流变仪（BBR）蠕变试验对沥青的低温劲度和松弛性能进行评价，沥青试样尺寸为125 mm×12.5 mm×6.25 mm。测定8 s、15 s、30 s、60 s、120 s、240 s 时的挠度，并计算沥青蠕变劲度和蠕变速率。其中，蠕变速率为加载60 s 时沥青试样劲度变化速率，可由蠕变劲度-时间双对数坐标斜率得到。

2 流变特性结果

2.1 车辙因子

在Superpave 规范中，车辙因子可有效表征沥青高温稳定性，车辙因子越大，抗高温性能越好。对各掺量改性沥青进行未老化与短期老化（RTFOT）车辙因子测试，测试温度为64 ℃，试验结果见图1。

图1 车辙因子测试结果

根据图1 可知，对比老化前后沥青试样，不同改性剂车辙因子大小关系、改性沥青车辙因子随掺量变化规律相似。（1）车辙因子大小顺序。纳米黏土N1 改性沥青＞纳米黏土N2 改性沥青＞基质沥青＞RH 温拌沥青。（2）随改性剂掺量变化规律。两种纳米黏土改性沥青均随改性剂掺量会增加而增大，温拌沥青随温拌剂掺量增大而减小。（3）根据SHRP 试验规程要求，在64 ℃条件下，沥青车辙因子应满足：老化前≥1.0 kPa、老化（RTFOT）后≥2.2 kPa。基于这两种条件，所有改性沥青试样在选定测试温度下均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）要求。

2.2 失效温度

车辙因子试验结果分析显示，改性剂对沥青高温性能具有一定影响。为进一步量化分析，采用温度扫描进行车辙因子测试，并将各试样失效温度（老化前车辙因子＜1.0 kPa、短期老化后车辙因子＜2.2 kPa 对应临界温度）测试结果见图2。

图2 高温失效温度测试结果

根据PG 分级划分标准，每6 ℃为一划分步长，各试样PG 分级高温温度等级见表4。

表4 各试样PG 分级对应高温温度等级

由表4 可知，高温时效温度与前述车辙因子变化规律一致。整体而言，纳米黏土改性剂可提高沥青PG 分级高温温度等级，由64 ℃提高至70 ℃。而RH 温拌沥青车辙因子虽然随着温拌剂掺量增大有所降低，但其仍与基质沥青保持相同的PG 分级高温温度等级。

2.3 疲劳因子

根据SHRP 研究成果，沥青疲劳因子越小，表明沥青疲劳抗裂性能越好。按照测试要求，采用DSR 测定短期老化（RTFOT）与长期老化（PAV）后各试样在25 ℃下疲劳因子，测试结果见图3。

图3 各试样疲劳因子测试结果

随着改性剂掺量增大，RH 温拌沥青疲劳因子逐渐减小，而两种纳米黏土改性沥青疲劳因子则逐渐增大。但当纳米黏土N2 改性剂掺量≤4%时，其疲劳因子仍小于基质沥青。表明温拌剂及4%以内纳米黏土N2 改性剂降低了沥青疲劳因子，预期对应改性沥青具有更好的疲劳抗裂性能。这可能是由于温拌剂和纳米黏土N2 改性剂与基质沥青发生化学反应的结果，改性剂使沥青硬度降低，弹性增加。

2.4 低温抗裂性

按照方案对各试样进行弯曲量流变仪（BBR）试验，结果见图4。

图4 BBR 测试结果

由图4 可知，随着改性剂掺量增大，RH 温拌沥青、纳米黏土N2 改性沥青蠕变劲度逐渐增大、m 值逐渐减小，纳米黏土N1 改性沥青呈现相反的变化规律。根据Superpave 规范，在试验温度下，蠕变劲度应≤300 MPa，蠕变速率值应≥0.300。因此，蠕变劲度的减小沥青受到拉应力减小，可降低低温开裂风险。对比发现，加入改性剂后，所有试样蠕变劲度均增大、蠕变速率值均减小。除3%、4%温拌沥青、5%纳米黏土改性沥青外，其它改性沥青试样均满足Superpave 规范要求。综合分析表明，温拌剂与纳米黏土对沥青低温抗裂性能具有一定不利影响。

3 结语

（1）两种纳米黏土显著提高了沥青车辙因子、失效温度，而RH 温拌剂则降低了上述指标，但其PG 分级仍与基质沥青保持一致。（2）RH 温拌剂与纳米黏土N2 降低了沥青车疲劳因子，纳米黏土N1提高了沥青疲劳因子，表明温拌剂与纳米黏土N2改性沥青具有良好的中温疲劳抗裂性能。（3）三种改性剂提高了沥青劲度、降低了蠕变速率值，表明改性剂均降低了沥青低温抗裂性能，但降低幅度有限。