纳米CaCO3/SBS复合改性沥青及混合料性能研究

2022-11-24程培峰李世为张展铭杨宗昊

森林工程 2022年6期

程培峰李世为张展铭杨宗昊

(东北林业大学土木工程学院,哈尔滨 150040)

0 引言

道路材料是影响道路服务质量和使用寿命的关键因素,沥青材料因具有良好的特性被广泛应用于道路工程中[1]。为提升沥青路面路用性能,在沥青中添加改性材料已然成为了发展趋势[2-3]。聚合物改性剂SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)可以提升沥青路面的路用性能,在高等级公路沥青路面中被大量采用[4]。但SBS与沥青的相容性不佳,使SBS改性效果下降,沥青容易出现抗老化性能不足的问题[5-6]。近年来,纳米材料因其具有诸多优良特性被应用于各个领域。有关研究表明,纳米材料可以较好地融于沥青中,能够在沥青中形成稳定的结构进而改善沥青结合料的宏观性能[7-8]。

纳米CaCO3是一种应用前景广阔的纳米材料,具有优良的补强能力,且造价低,在橡胶、造纸等产业中广泛应用[9]。近年来,有学者研究了纳米CaCO3作为沥青改性剂的可行性。杨仲尼等[10]研究了纳米CaCO3对沥青流变特性的影响,试验结果表明纳米CaCO3对改善沥青高温稳定性起到积极作用,而对沥青低温性能影响的效果不显著;李增杰等[11]对沥青进行薄膜老化试验和压力老化试验,证明了纳米Ca-CO3能够改善基质沥青的抗老化性能;李诗琦等[12]通过室内试验对纳米CaCO3沥青混合料路用性能进行了研究,结果表明纳米CaCO3可以改善基质沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和抗变形能力。

本文以纳米CaCO3/SBS复合改性沥青及混合料作为研究对象,针对复合改性沥青的物理性能、高温流变性能、低温流变性能、抗老化性能和相容性进行试验分析,并对混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和抗水损害性能进行试验评价,以探究纳米CaCO3对SBS改性沥青及混合料性能的影响规律。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)SBS改性沥青:试验用SBS改性沥青由山东某沥青加工厂生产,SBS质量分数为4%,等级为I-C级,主要技术指标见表1。

(2)纳米CaCO3:采用上海某公司产品,常温下为白色粉末状固体,主要技术指标见表2。

表1 SBS改性沥青主要技术指标Tab.1 Main technical index of SBS modified asphalt

表2 纳米CaCO3主要技术指标Tab.2 Main technical index of nano CaCO3

(3)混合料级配:采用AC-16型沥青混合料,级配组成见表3。粗集料、细集料材质为玄武岩,矿粉材质为石灰岩。由混合料配合比设计确定SBS改性沥青混合料及纳米复合改性沥青混合料的最佳沥青用量分别为4.7%、5.0%。

1.2 纳米CaCO3复合改性沥青的制备

将SBS改性沥青在160 ℃的条件下加热至熔融状态,首先使用搅拌仪以800 r/min搅拌沥青,按照沥青质量的2%、4%、6%、8%缓慢加入纳米CaCO3,待沥青表面无气泡后,使用高速剪切仪对其进行剪切,剪切速率为5 000 r/min,剪切时间为30 min,制得纳米CaCO3/SBS复合改性沥青,同时取一份未掺入纳米CaCO3的SBS改性沥青进行同样条件下的搅拌剪切处理,以此作为试验用SBS改性沥青。

表3 AC-16沥青混合料级配组成Tab.3 Aggregate gradation of AC-16

1.3 试验方法

(1)三大指标试验:按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的试验方法进行。

(2)流变性能试验:采用Anton Paar公司生产的MCR302型号的动态剪切流变仪,试件的直径为25 mm,与试验板的间隙为1.0 mm±0.005 mm,采用温度扫描(TS)控制应变模式,加载频率为10 rad/s,温度范围为52 ～76 ℃,温度梯度为6 ℃;沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)用的弯曲梁流变仪是由美国CANNON公司生产,沥青试件尺寸长、宽、高分别为101.6、12.7、6.4 mm,测试温度为-12、-18、-24 ℃;沥青多重应力蠕变恢复试验(MSCR)同样采用动态剪切流变仪,试件的直径为25 mm,与试验板的间隙为1.0 mm±0.005 mm,在控制应变模式下进行加载,频率为10 rad/s,温度范围为52 ～76 ℃,温度梯度为6 ℃,应力水平为0.1 kPa和3.2 kPa。

(3)离析试验:将加热至熔融状态的沥青加入直径为25 mm、高度为140 mm的离析管中,将离析管封闭后放入160 ℃的烘箱中储存48 h,测定离析管顶部和底部沥青的软化点之差。

2 沥青试验结果与分析

2.1 物理性能分析

通过针入度、延度和软化点3个试验指标对沥青的物理性能进行评价。测试SBS改性沥青和4种纳米CaCO3掺量的复合改性沥青的三大指标,具体试验结果如图1—图3所示。

由图1可知,随着纳米CaCO3掺量的增加,复合改性沥青的针入度数值逐渐下降,针入度的下降意味着材料稠度的提高,说明纳米CaCO3能够使SBS改性沥青的抗变形能力增强。就变化趋势来看,当纳米CaCO3掺量由2%增加至4%时,复合改性沥青的针入度下降了0.36 mm,下降幅度最大;当纳米CaCO3掺量由4%增加至8%时,复合改性沥青的针入度下降了0.18 mm,下降幅度放缓。说明纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青针入度的影响效果显著,当纳米CaCO3掺量大于4%时,虽然针入度仍在降低,但影响效果减弱。

图1 纳米CaCO3的掺量对沥青针入度的影响Fig.1 Effect of nano CaCO3 dosage on penetration of asphalt

由图2可知,随着纳米CaCO3掺量的增加,复合改性沥青的延度呈现下降趋势,低温抗变形能力变差,说明纳米CaCO3对SBS改性沥青的低温性能产生一定的负面作用。就变化趋势来看,当纳米CaCO3掺量由0增加至6%时,纳米复合改性沥青的延度下降幅度相对较缓;当纳米CaCO3掺量由6%增加至8%时,复合改性沥青的延度下降了2.6 cm,下降幅度变大。说明当纳米CaCO3掺量小于6%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青延度的影响效果相对较小,当纳米CaCO3掺量大于6%时,复合改性沥青的延度降幅较大。

图2 纳米CaCO3的掺量对沥青延度的影响Fig.2 Effect of nano CaCO3 dosage on ductility of asphalt

由图3可知,随着纳米CaCO3掺量的增加,复合改性沥青的软化点逐渐升高,说明纳米CaCO3能够改善SBS改性沥青的高温性能。就变化趋势来看,当纳米CaCO3掺量由0增加至2%,由2%增加到4%时,复合改性沥青的软化点上升明显,分别上升了3.1 ℃和4.5 ℃;当纳米CaCO3掺量由4%增加至8%,复合改性沥青的软化点仅上升了2.1 ℃,上升趋势放缓。说明当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青软化点的影响效果显著,当纳米CaCO3掺量大于4%时,对软化点的影响效果减弱。

图3 纳米CaCO3的掺量对沥青软化点的影响Fig.3 Effect of nano CaCO3 dosage on softening point of asphalt

图4 纳米CaCO3的掺量对沥青Jnr的影响Fig.4 Effect of nano CaCO3 dosage on Jnr of asphalt

2.2 流变性能分析

2.2.1 高温性能分析

改性沥青的可恢复变形和不可恢复变形可表征其高温性能[13]。相关研究表明,MSCR试验的应力和应变的范围较大,能够使聚合物内部结构发生变化,因此可以对聚合物改性沥青的性能进行客观评价[14]。该试验评价聚合物改性沥青的高温性能的指标主要有:不可恢复蠕变柔量(Jnr)和蠕变恢复率(R)。Jnr能够表征沥青的残余变形,Jnr越小,沥青的残余变形越小,说明在高温条件下,沥青具有更好的抗变形能力。纳米CaCO3的掺量对沥青Jnr的影响情况如图4所示。

由图4可知,在相同的温度条件下,沥青在0.1 kPa和3.2 kPa应力等级下的Jnr随着纳米CaCO3掺量的增加而逐渐降低,说明纳米CaCO3的加入促进了SBS改性沥青高温下抗变形能力的提高。就变化趋势来看,当纳米CaCO3的掺量小于4%时,Jnr下降的幅度较大,当掺量超过4%时,Jnr下降的幅度放缓。以温度为64 ℃的试验结果为例,纳米CaCO3掺量由0增加至4%,Jnr0.1和Jnr3.2分别降低了5.2 kPa-1和6.8 kPa-1,纳米CaCO3掺量由4%增加至8%,Jnr0.1和Jnr3.2分别降低了0.7 kPa-1和1.2 kPa-1,说明过大的纳米CaCO3掺量不能对提升沥青高温性能起到明显的效果,与沥青软化点试验反映的结果一致。在相同温度及纳米CaCO3掺量的条件下,改性沥青在3.2 kPa应力等级下的Jnr高于0.1 kPa应力等级下的Jnr,原因是高应力导致沥青产生了较大的形变,随着荷载的累积,沥青会产生较大的变形。同一种沥青在相同的应力等级下,温度越高,沥青的Jnr越大,说明沥青高温抗永久变形能力随温度升高而逐渐降低,表现为改性沥青对高温具有一定敏感性,在高温下更容易变形。

沥青的变形可分为2部分,即弹性变形和塑性变形。蠕变恢复率(R)是除去外力后的可恢复应变与加载时的最大应变之比。R可以较好地判断沥青弹性变形的强弱。一般来说,R越大,说明沥青在荷载累积作用的影响下弹性变形越大,累积形变越小,其高温抗车辙能力就越强。纳米CaCO3的掺量对沥青R的影响情况如图5所示。

图5 纳米CaCO3的掺量对沥青R的影响Fig.5 Effect of nano CaCO3 dosage on R of asphalt

由图5可知,在相同的温度条件下,各个沥青在0.1kPa和3.2 kPa应力等级下的R均随着纳米Ca-CO3掺量的增加而逐渐增大,说明纳米CaCO3能够有效地增加SBS改性沥青的弹性变形,降低黏性变形,进而表现为高温变形恢复能力提高。就变化趋势来看,当纳米CaCO3的掺量小于4%时,R增大的幅度较大,当掺量超过4%时,R增大的幅度放缓。以温度为64 ℃的试验结果为例,纳米CaCO3掺量由0增加至4%,R0.1和R3.2分别增大了18.5%和11.7%,纳米CaCO3掺量由4%增加至8%,R0.1和R3.2分别增大了7.5%和5.2%,说明纳米CaCO3掺量过大不能对提升沥青高温性能起到明显的效果。随着温度的升高,改性沥青在2种应力等级下的R均逐渐减小,这表明在高温的影响下,改性沥青的黏弹性组成发生改变,对高温抗变形能力和变形恢复能力均产生负面影响;在相同温度及纳米CaCO3掺量的条件下,R随应力水平的提高而减小,在相同应力等级及纳米CaCO3掺量的条件下,R随温度的提高而同样减小,这证明了在研究应力和温度对沥青抗变形能力的影响时,二者具有等效性。

2.2.2 低温性能分析

对沥青试样进行BBR试验,采用蠕变劲度模量(S)和蠕变速率(m)对沥青的低温性能进行评价。S表征沥青对恒定载荷的抵抗能力,m表征荷载作用时劲度的变化率,二者能够反映温度和时间对沥青低温流变性能的影响[15]。S越小,m越大,说明沥青在低温条件下柔性越好,其抗低温开裂性能越好。纳米CaCO3的掺量对沥青S和m的影响情况如图6所示。

由图6可知,在相同的温度条件下,随着纳米CaCO3掺量的增加,沥青的S提高,m降低,说明纳米CaCO3会对SBS改性沥青的低温抗变形能力产生一定不利影响。以温度为-18 ℃的试验结果为例,相较于SBS改性沥青,纳米CaCO3掺量为8%的复合改性沥青的S仅提高了58 MPa,m仅降低了0.07,说明纳米CaCO3虽然减弱了SBS沥青的低温性能,但影响程度不大。在相同的纳米CaCO3掺量下,温度越低,S越大,m越小,说明低温使沥青柔性降低,易发生开裂,当试验温度从-18 ℃下降到-24 ℃时,S和m变化幅度加大,说明改性沥青对低温有一定敏感性。

图6 纳米CaCO3的掺量对沥青S和m的影响Fig.6 Effect of nano CaCO3 dosage on S and m of asphalt

2.3 抗老化性能分析

为了研究纳米CaCO3/SBS复合改性沥青的抗老化性能,本文对沥青试样进行短期热氧老化,对老化前后的沥青试样进行温度扫描试验(TS),采用车辙因子老化指数(RAI,公式中为RAI)作为评价指标。RAI按公式(1)计算。RAI越小,沥青性能受老化的影响越小,抗老化性能越好[16]。纳米CaCO3的掺量对沥青RAI的影响情况如图7所示。

式中:G*/sinδ为沥青老化后的车辙因子;G*0/sinδ0为沥青老化前的车辙因子。

图7 纳米CaCO3的掺量对沥青RAI的影响Fig.7 Effect of nano CaCO3 dosage on RAI of asphalt

由图7可知,在同一温度下,随着纳米CaCO3掺量的增加,沥青的RAI逐渐降低,说明沥青抗老化性能逐渐升高,纳米CaCO3有助于提升SBS改性沥青的抗老化性能。就变化趋势来看,当纳米CaCO3的掺量小于4%时,RAI降低的幅度较大,当掺量超过4%时,RAI降低的幅度放缓。以温度为64 ℃的试验结果为例,当纳米CaCO3掺量由0增加至4%时,复合改性沥青的RAI降低了0.43,降低的幅度较大,当纳米CaCO3掺量由4%增加至8%时,复合改性沥青的RAI降低了0.11,降低的幅度放缓。说明当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青抗老化性能的改善效果较为显著。

2.4 合理掺量确定

上文对SBS改性沥青和4种掺量的纳米CaCO3复合改性沥青进行三大指标试验、MSCR试验、BBR试验和老化前后的TS试验。分析结果显示,纳米CaCO3对SBS改性沥青的物理性能、高低温流变性能、抗老化性能均有影响,综合考虑各试验结果,推荐出纳米CaCO3/SBS复合改性沥青中纳米CaCO3的合理掺量。

对于针入度指标,当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青针入度的影响效果显著;对于延度指标,当纳米CaCO3掺量小于6%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青延度的影响效果相对较小;对于软化点指标,当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青软化点的影响效果显著。

对于高温流变性能,当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青高温抗变形能力影响较大。对于低温流变性能,纳米CaCO3会对SBS改性沥青的低温抗变形能力产生一定不利影响,但影响程度较小。

对于抗老化性能,当纳米CaCO3掺量小于4%时,纳米CaCO3掺量的增加对复合改性沥青抗老化性能的改善效果较为显著。

综上,考虑纳米CaCO3掺量对复合改性沥青性能的影响效果,建议复合改性沥青中纳米CaCO3的合理掺量为4%。

2.5 相容性分析

SBS改性剂与沥青的相容性不佳,导致SBS改性沥青在使用过程中易发生离析,使沥青的性能变差[17]。为此,有必要对其相容性进行分析研究。

通过离析试验,测定沥青试样顶部与底部软化点的差值评价沥青的相容性。规范规定,沥青顶部与底部软化点之差(△T)小于2.5 ℃,说明沥青具有较好的相容性。SBS改性沥青和纳米Ca-CO3掺量为4%的复合改性沥青的离析试验结果见表4。

表4 离析试验结果Tab.4 Results of segregation test ℃

由表4可知,SBS改性沥青顶部与底部软化点之差为3.1 ℃,不符合规范要求;纳米CaCO3掺量为4%的复合改性沥青顶部与底部软化点之差为1.2 ℃,符合规范要求,较SBS改性沥青降低了61.2%,说明纳米CaCO3能够有效改善SBS改性沥青的相容性。2种沥青顶部软化点高于底部软化点,原因是沥青的密度大于SBS聚合物的密度,部分未与沥青较好相容的SBS聚合物浮于沥青的顶部。

3 沥青混合料试验结果与分析

3.1 高温稳定性分析

当路面温度升高到一定程度,再加上车辆荷载作用,沥青混合料中的沥青会开始软化,甚至流动,导致路面强度下降,产生局部变形,例如车辙、拥包等[18]。目前,车辙试验因其技术成熟、可模拟实际路面环境情况被普遍地应用于评定沥青混合料的高温稳定性。本文对2种改性沥青混合料进行车辙试验,并进行对比。采用轮碾成型法制备了尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的沥青混合料车辙板,在自动车辙仪上进行试验,试验结果见表5。

由表5可知,SBS改性沥青混合料和纳米复合改性沥青混合料的车辙动稳定度均满足规范要求;由上文对沥青性能的研究可知,纳米CaCO3能够改善SBS改性沥青的高温性能,通过沥青混合料车辙试验可知,相较于SBS改性沥青混合料,纳米复合改性沥青混合料具有更好的高温性能,动稳定度相比于SBS改性沥青混合料提高了约23.4%,证明了纳米CaCO3对SBS改性沥青及其混合料高温性能的改善作用具有一致性,原因是纳米CaCO3具有较高的表面活性,能够吸附沥青和SBS聚合物,使复合改性沥青混合料形成更加稳定的整体,提升了其高温稳定性。

表5 车辙试验结果Tab.5 Results of wheel track rutting test 次·mm-1

3.2 低温抗裂性分析

在我国,特别是我国北方大部分地区,良好的低温抗裂性是沥青混合料应当具备的重要性能之一。沥青混合料的低温性能表现为其抗拉强度和抗变形能力。通常情况下,混合料的抗弯拉强度和最大破坏弯拉应变越大,累积应力增加得越慢,说明材料的低温性能越好[19]。本文采用国内常用的低温小梁弯曲试验来对比评价2种改性沥青混合料的低温抗裂性,试验结果见表6。

由表6可知,纳米复合改性沥青混合料较SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大破坏弯拉应变略有降低,降低比例分别为3.1%和2.6%,2种沥青混合料的最大破坏弯拉应变均满足规范规定的不小于2 800 με的要求。劲度模量反映了材料的应力-应变关系,对于沥青材料而言,在低温条件下,劲度模量越小,松弛能力越强,低温性能更优异。相较SBS改性沥青混合料,复合改性沥青混合料的劲度模量增大了2.9%。上述分析表明,纳米CaCO3对SBS改性沥青混合料的低温性能有一定不利影响,但影响程度较小。

表6 低温小梁弯曲试验结果Tab.6 Results of low temperature trabecular bending test

3.3 水稳定性分析

路面在服役过程中,因气温的变化,环境中的水分会发生冻融循环,加之车辆动荷载的反复作用,水分受到动水压力或抽吸压力而进入沥青与集料的结合界面,会减弱沥青与集料的黏结作用,导致集料从混合料中脱离出来,形成松散、坑槽等病害[20]。本文采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验来对比评价2种改性沥青混合料的水稳定性,试验结果见表7—表8。

表7 浸水马歇尔试验结果Tab.7 Results of water-immersed Marshall test

表8 冻融劈裂试验结果Tab.8 Results of freeze-thaw indirect tensile strength test

由表7—表8可知,2种沥青混合料浸水48 h的马歇尔稳定度小于浸水0.5 h的马歇尔稳定度,说明浸水时间与水损害程度呈正相关关系。2种沥青混合料的残留稳定度均大于85%,符合规范要求,相比于SBS改性沥青混合料,纳米复合改性沥青混合料的残留稳定度提升约4.9%。2种沥青混合料冻融后劈裂强度小于冻融前劈裂强度,证明冻融循环会对沥青混合料水稳定性产生不利影响。纳米复合改性沥青混合料冻融前后劈裂强度相较于SBS改性沥青混合料均有所降低,2种沥青混合料的残留稳定度均大于80%,符合规范要求,相比于SBS改性沥青混合料,纳米复合改性沥青混合料的残留稳定度提升约5.6%,说明纳米CaCO3能够改善SBS改性沥青混合料的水稳定性能。