纳米蒙脱土改性沥青路用性能分析

王艳军， 高大鹏， 房孝丰

（1.吉林省交通规划设计院，长春 130021；2.吉林省彩虹人才开发咨询服务有限公司，长春 130021）

0 引言

改性沥青作为现代高等级公路沥青路面混凝土的重要组成部分，对于防止重交通荷载和恶劣自然环境下沥青路面的早期损害具有重要的意义［1，2］。目前国内外常用的改性沥青包括聚合物改性和无机填料改性两种。其中聚合物改性沥青包括橡胶类、热塑性橡胶类和树脂类改性沥青，应用最为广泛［3］，但也存在聚合物改性沥青易发生离析、改性剂原材料与改性工艺造价高等缺点。近年来，无机填料类改性剂，如纳米材料（纳米二氧化钛，纳米蒙脱土，纳米碳酸钙等）、炭黑、钨酸锆、超细火山灰等由于具有比表面积大且具有各种热物力学特性，开始被用以对沥青进行改性，以改善沥青的物理力学及耐老化性能［4］。其中由于具有优异的抗车辙和抗老化性能，纳米蒙脱土近年来开始成为国内外填料型改性沥青的研究重点和热点。蒙脱土是一种硅酸盐的天然矿物，主要矿物成分包括Al2O3、MgO和SiO2，属于膨胀型三层状薄片结构［5］。孙思萌等［6］通过沥青单质基本试验和动态剪切流变（DSR）试验确定，单质中加入纳米蒙脱土会使沥青的高温性能得到明显改善。国外学者Schmets等［7］研究发现因蒙脱土具有特殊的片层结构，当将其加入沥青结合料后，对外界环境的光热水等都具有较好的阻隔作用，此外国内学者有研究表明，加入的片层纳米蒙脱土还可以在一定程度上阻止微裂纹在沥青及沥青混合料中的扩展，因此纳米蒙脱土改性沥青显示出优异的抗高温变形、抗疲劳开裂和耐环境老化性能［8-10］。然而，目前针对纳米蒙脱土改性沥青的研究仍偏向于混合料性能验证，即通过分析混合料物理力学性能指标的变化来验证路用性能，但对于纳米蒙脱土改性沥青的高低温流变性能研究仍较少。因此针对这一问题，文中采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪，对纳米蒙脱土改性沥青的基本物理力学性能和在高低温范围内的模量参数和流变性能开展了试验研究，同时对纳米蒙脱土的离析性能进行了验证，以全面分析纳米蒙脱土改性沥青的使用性能。

1 试验原材料性质

试验用沥青包括盘锦90号基质沥青，具体技术指标见表1。

表1 沥青技术指标测试结果

文中所用的改性填料为浙江某公司生产的DK-3型纳米蒙脱土，该纳米蒙脱土的基本技术指标见表2。

表2 纳米蒙脱土技术指标

2 试验方法

2.1 纳米蒙脱土改性沥青的制备

纳米蒙脱土改性沥青的制作工艺过程如下：

（1） 将90号基质沥青155℃加热至流动状态，保温备用。将纳米蒙脱土在105℃条件下，烘干至质量恒定备用。按照占沥青质量的0%、1%、2%、3%、4%和5%准备纳米蒙脱土试样。

（2） 为了拌合均匀，每次拌合质量不应过多。每次称取300g沥青与相应比例的纳米蒙脱土进行拌和。拌和时使用高速剪切拌和机，拌合速率由慢到快（首先2000rpm搅拌20min，然后5000rpm搅拌80min），尽量避免搅拌过程中的有氧老化。搅拌完成时应保证沥青表面无气泡、结团和沉淀，即制得纳米蒙脱土改性沥青。

2.2 纳米蒙脱土改性沥青的试验方法

（1） 常规物理力学性能试验：对掺加不同比例质量纳米蒙脱土的改性沥青，按照规范要求开展了针入度（15、25、30℃）、软化点和延度试验。

（2） 粘度试验：粘度是确定改性沥青的制备、运输、拌和、摊铺和碾压适宜温度的重要指标。文中采用布式旋转粘度仪测试了不同温度和不同比例下纳米蒙脱土改性沥青的旋转粘度。

（3） 动态剪切流变试验：采用DSR设备，对不同使用比例的纳米蒙脱土改性沥青进行了动态剪切流变试验，按照时温等效准则得到了对应温度的动态剪切模量主曲线。

（4） 低温蠕变试验：采用BBR弯曲梁蠕变试验设备，对不同使用比例的纳米蒙脱土改性沥青进行了低温蠕变试验，并计算得到了蠕变柔量、松弛模量变化规律。

（5） 抗离析试验：针对纳米蒙脱土改性沥青，开展了其抗离析性能的室内试验，以不同部位的软化点和粘度表征其抗离析特性。

3 试验结果与分析

3.1 纳米蒙脱土改性沥青常规物理力学性能

对掺配不同比例的纳米蒙脱土改性沥青进行了三大指标试验，试验结果如图1～图3。图中MMT代表纳米蒙脱土。

图1 不同掺量下沥青物理力学性能变化规律

图1（a）为不同温度和不同掺量纳米蒙脱土改性沥青的针入度，可以看到在不同温度下，随着纳米蒙脱土含量的增加，针入度都先逐渐降低，到3%掺量达到最低值，再缓慢有所上升。根据不同温度下的针入度值，即可按照下式计算针入度指数。

式中，A为沥青针入度对数与温度进行线性回归的直线斜率。

由图1（b）针入度指数变化规律可以看到，加入纳米蒙脱土后，改性沥青针入度指数均大于-1.0，满足最小PI值的要求。综合针入度及针入度指数变化规律，掺入纳米蒙脱土将使沥青逐渐变硬，但纳米蒙脱土与沥青之间的物化反应存在一定限值，即添加超过一定比例（3%）的纳米蒙脱土后，多余的蒙脱土较少再与沥青反应，因此导致针入度和针入度指数变化较小。

图1（c）、图1（d）软化点和延度的变化规律与针入度类似，随着纳米蒙脱土掺量的增加，沥青逐渐变得更粘稠，表现为软化点增大，而延度降低。当超过一定比例（3%）后，多余的蒙脱土较少与沥青发生反应，表现为软化点和延度变化不明显。

3.2 纳米蒙脱土改性沥青的粘度

对掺配不同比例纳米蒙脱土的改性沥青，采用布式旋转粘度计进行了不同温度下的粘度试验，结果见图2。

图2 不同温度和纳米蒙脱土掺量下的沥青粘度

可以看到，随着纳米蒙脱土掺配比例的增加，沥青的粘度逐渐增大。随着测试温度的提高，纳米蒙脱土对沥青粘度的影响显得更为显著。因此纳米蒙脱土的掺入尽管在一定程度上不利于拌和和压实，但将有助于提高沥青及沥青混凝土高温下的抗变形能力。

3.3 纳米蒙脱土改性沥青的动态剪切复合模量及其主曲线

对掺配不同比例纳米蒙脱土的改性沥青，采用动态剪切流变仪DSR进行了不同温度及不同测试频率下的动态剪切流变试验。经测试沥青的线粘弹性区，最后动态剪切试验中选择最大剪切应变为1.0%。测试温度包括5、10、15、20、25、30、35、40℃这8种温度，测试加载频率由0.1～60Hz，在得到不同加载温度和频率下的复合模量后，采用sigmoidal函数模型进行转化得到其模量主曲线，其函数形式为：

式中，a、b、c、d为模型参数；G*为沥青动态剪切模量，MPa；f为修正频率，Hz，lgf=aTlgf0；f0为对应每种温度下的试验频率，Hz；aT为移位因子。

不同加载温度和频率下未改性沥青的复合模量及其在20℃下的模量主曲线见图3。由图3可知，加载频率与温度存在等效关系，高温与低加载频率都将减小测得沥青试样的复合模量。按照时温等效准则，可以将不同温度和加载频率下的复合模量值通过沿频率或温度坐标轴左右移动，即可得到某一温度或频率下的复合模量主曲线。按照同样的拟合方式，对掺配不同比例纳米蒙脱土的改性沥青进行了动剪切模量测试，并得到了相应的主曲线，结果如图4所示。

图3 不同测试温度和加载频率下的复合模量

图4 不同掺量改性沥青的动态剪切复合模量

由图4可以看到，随着纳米蒙脱土掺配比例的增加，改性沥青的复合模量有明显的提高。因此，纳米蒙脱土的掺入将可以有效提高沥青及其混合料的抗高温变形能力。表3为按照sigmoidal函数模型拟合的模型参数。表4为在拟合复合模量主曲线时各个温度数据的移位因子。

表3 sigmoidal函数模型参数

表4 不同比例纳米蒙脱土改性沥青的移位因子

材料的移位因子和模型拟合参数实际上反映了其基本的粘弹特性，由于纳米蒙脱土改性沥青中的纳米蒙脱土仅占较少比例，沥青对于改性后沥青的粘弹特性有重要的影响。

3.4 纳米蒙脱土改性沥青的低温松弛特性

采用弯曲梁流变仪BBR，对掺配不同比例纳米蒙脱土的改性沥青在不同温度下开展了低温蠕变试验，根据测得的小梁弯曲变形即可计算某一测试时间点材料的蠕变劲度模量S（t）和蠕变速率m值。对于沥青基材料，劲度模量是温度和时间的函数，已有研究显示，材料的松弛特性是影响材料低温性能的主要因素，因此明确材料的松弛模量对于研究材料的低温性能有重要价值。由于松弛试验较难实现，文中通过低温蠕变试验得到不同温度的蠕变劲度曲线，进而得到其倒数蠕变柔量J（t），同样采用sigmoidal模型建立蠕变柔量某一温度下的模量主曲线。进而，采用式（3）、式（4）将蠕变柔量转为松弛模量，从而得到松弛模量主曲线。

式中，J（t）为蠕变柔量，MPa-1；t为时间，s；n为权值；a为幂指数系数；E（t）为松弛模量，MPa。

研究测试的低温包括-6、-12、-18、-24℃，测得蠕变劲度模量随加载时间的变化曲线后，转化为蠕变柔量主曲线，在-18℃下的不同掺量纳米蒙脱土改性沥青数据见图5。同时通过计算蠕变劲度模量的对数与时间对数曲线的斜率的绝对值，可得到蠕变速率值m，在-18℃时不同加载时间点的m值可见图6。由图5、图6可知，随着纳米蒙脱土掺量的增加，改性沥青在低温时具有更大的变形能力和应力松弛性能，因此可以据此预测纳米蒙脱土的添加可以在一定程度上提高沥青的低温抗裂性能。

图5 纳米蒙脱土改性沥青蠕变柔量主曲线（-18℃）

图6 不同加载时长下的m值（-18℃）

同时，按照式（3）、式（4）可以计算得到纳米蒙脱土改性沥青的松弛模量，文中以-18℃下的数据为例，如图7所示，随着纳米蒙脱土掺配比例的增加，改性沥青具有更小的低温松弛模量，也说明低温下抗开裂性能更佳。

图7 纳米蒙脱土改性沥青松弛模量主曲线（-18℃）

综合以上高低温性能评价，掺配纳米蒙脱土可以在一定程度上同时提高沥青的高低温性能。分析其原因，由于其片层结构特征，当外界环境温度变化时，纳米蒙脱土首先可以减弱温度对于改性沥青整体性能的影响程度，其次片层状结构也可以对高低温下改性沥青自身的变形行为特性产生有效的约束，减弱其温度敏感性。

3.5 纳米蒙脱土改性沥青的抗离析特性

作为填料型改性剂，纳米蒙脱土改性沥青在搅拌成型、拌和、运输和摊铺过程中都可能出现类似于聚合物改性沥青易出现的离析现象，因此有必要对此进行分析。试验时参考国外相关研究，采用长20cm、直径2.5cm的玻璃圆柱，将制备好的不同掺量纳米蒙脱土的改性沥青浇注入玻璃柱，然后放置于163℃烘箱中静置48h，随后破碎玻璃柱，取上1/3和下1/3部位的改性沥青，进行软化点和135℃粘度试验，以判别是否出现离析。试验结果如图8所示。

图8 纳米蒙脱土改性沥青抗离析性能

可以看到，在高温下静置较长时间后，纳米蒙脱土改性沥青上下部位的结合料性能并没有明显差异，这说明只要成型时搅拌均匀，纳米蒙脱土与沥青间有着很好的相容性，在使用过程中并不会出现太严重的离析现象。

4 结语

文中采用控制变量法，对纳米蒙脱土改性沥青，在不同掺量及不同温度下，沥青的各项使用性能进行研究，主要研究结论如下：

（1） 通过常规物理力学性能及粘度试验研究，发现了不同掺量及不同温度下，三大指标及粘度变化规律，证实纳米蒙脱土的掺入量要合适比例才能起到最佳改善作用。

（2） 通过动态剪切流变试验及低温蠕变试验，分析了纳米蒙脱土在一定程度上同时改善沥青的高温抗变形和低温抗开裂能力的作用机理，得到了动态剪切模量及松弛模量变化规律。

（3） 通过离析性能试验，证明纳米蒙脱土与沥青之间有着良好的相容性，在使用过程中不易出现明显的离析现象。