纳米有机蒙脱土和纳米ZnO对沥青性能的影响研究

罗文欢

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

道路石油沥青在我国公路沥青铺面中被广泛应用，但随着公路建设场景的扩大，在极端气候环境下的路面铺筑需要综合考虑高温、低温条件及路面的抗疲劳性能等因素。一直以来，提升沥青及沥青混合料的耐久性、稳定性及温度敏感性是公路工程领域研究者关注的热点［1-3］。国内外学者通过添加不同的纳米材料提升沥青的耐久性，降低温度敏感性，并取得一定的研究成果。彭天鹤等［4］对不同掺量的纳米ZnO改性沥青开展研究，得出随着纳米ZnO掺量的增加，改性沥青的各项性能先提升后降低的结论，并通过红外光谱试验揭示了纳米ZnO 与沥青的作用机理。王琼［5］对有机蒙脱土改性沥青及沥青混合料进行全面研究，认为有机蒙脱土改善了沥青及沥青混合料的路用性能。JIN 等［6］研究有机膨润土对不同沥青性能的影响，试验结果表明，掺加有机膨润土后的改性沥青的软化点和抗车辙能力略有提高，但疲劳因子和低温抗裂性能有所降低。崔亚楠等［7］对纳米有机蒙脱土改性沥青抗老化性能开展研究，认为纳米有机蒙脱土的层状结构插入沥青分子后，对纳米有机蒙脱土改性沥青的抗老化性能有很大的改善作用。黄娟［8］对纳米ZnO/SBS 复合改性沥青进行研究，得出纳米ZnO改善了SBS改性沥青的储存稳定性，并提升了SBS 改性沥青的高温稳定性和低温抗裂性的结论。以往的研究发现纳米有机土和纳米ZnO 改性剂的加入可以改善沥青及沥青混合料性能，但低温和疲劳性能可能有所下降。上述研究多对纳米有机土和纳米ZnO 用于改性基质沥青或与其他改性剂对沥青进行复合改性，但鲜有文献研究对比2种改性剂在改性沥青后的高、低温性能和疲劳性能等。因此，本文选用纳米蒙脱土和纳米ZnO 2种改性剂，用于改性70#沥青，并对改性后的沥青性能进行比较分析，确定沥青流变性能方面改性更好的一者。本研究对纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 在沥青改性剂领域获得更好的应用有一定的参考价值。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

选用70#A 级沥青作为基质沥青，相关技术指标见表1。

表1 70#A级沥青技术指标

纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 均购自市场，相关技术指标见表2和表3。

表2 纳米有机蒙脱土技术指标

表3 纳米ZnO技术指标

参考现有文献［9-10］的研究结果，将纳米有机蒙脱土的掺量设置为基质沥青质量的8%、10%和12%，纳米ZnO的掺量设置为沥青质量的1%、2%和3%。为方便绘制图表，纳米有机蒙脱土以M 表示，纳米ZnO以Z表示。

1.2 改性沥青制备方法

为制备纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 改性沥青试样，选择高速剪切仪将基质沥青与2种改性剂分别按照相应的重量混合。为确保所有样品均匀混合，纳米蒙脱土与基质沥青的混合时间设置为120 min，混合温度为（150±5）℃，剪切速率为3 000 rpm。纳米ZnO在（160±5）℃的混合温度下和2 000 rpm 的剪切速度下与基质沥青搅拌20 min，然后在（170±5）℃混合温度和4 500 rpm 剪切速率下，再次搅拌40 min，最后将2 种改性沥青的所有试样放入150 ℃烘箱中采用锡纸密封发育30 min，制得成品。

1.3 试验方法

1.3.1 常规性能试验

采用针入度、软化点和布式旋转黏度评价纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青常温下的稠度、高温性能及施工性能。相关试验过程参考我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［11］。

1.3.2 动态剪切流变性能试验

采用动态剪切流变仪测试纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的黏弹特性，主要是通过测试复数模量G*和相位角δ表征沥青的高温性能和中温性能。使用TFOT 进行短期老化，并测试原样、TFOT短期老化后的沥青试样复数模量G*和相位角δ。相关试验过程参考规范JTG E20—2011。

1.3.3 弯曲梁流变仪（BBR）试验

按照我国规范JTG E20—2011中的要求，“T0627”采用弯曲梁流变仪（BBR）试验测试沥青混合料的低温性能，采用弯曲蠕变劲度蠕变速率（S）和蠕变速率（m）评价沥青结合料的低温性能。S越小，m越大，表明沥青的低温性能越好。要求在规定试验温度下，S＜300 MPa，m＞0.3。

2 试验结果及分析

2.1 常规性能试验结果及分析

2.1.1 软化点

软化点试验结果如图1 所示。由图1 可知：①随着纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 掺量的增加，纳米有机蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的软化点均不断增大，并且增大过程为线性提升，与改性剂掺量有显著相关性。②纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 均提升了70#沥青的软化点，改善了70#沥青的高温性能。纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 均会增大70#沥青的稠度，纳米蒙脱土对70#沥青软化点的提升高于纳米ZnO。

图1 软化点试验结果

2.1.2 针入度

25 ℃针入度试验结果如图2 所示。从图2 可知，当在改性沥青中添加更多的纳米有机蒙脱土时，观察到较低的针入度。当纳米有机蒙脱土从8%的掺量增加到12%时，针入度从62.3 下降到45.1，相比70#基质沥青，针入度下降幅度从9%变化到34%。此外，纳米ZnO 和纳米有机蒙脱土的变化趋势相同，针入度随着纳米ZnO 掺量的增加而降低。随着从1%纳米ZnO 掺量提升至3%，针入度值由61.6下降至49.8。纳米有机蒙脱土或纳米ZnO 的所有针入度均低于70#基质沥青。随着纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 掺量的增加，针入度呈下降趋势，这是因为纳米有机蒙脱土和纳米ZnO 加入沥青后会分散，使沥青变得更硬，从而提高了沥青的常温稠度。

图2 针入度试验结果

2.1.3 布式旋转黏度试验结果及分析

布式旋转黏度试验结果如图3 所示。由图3 可知，随着纳米有机蒙脱土掺量的增加，布式旋转黏度增大，表明纳米有机蒙脱土改性沥青在高温下具有更低的流动能力（更高的阻力）。纳米ZnO 改性沥青和纳米有机蒙脱土改性沥青有相同的变化趋势，二者的布式旋转黏度均高于基质沥青，并且其流动阻力随着纳米ZnO 或纳米有机蒙脱土改性剂的掺入量增加而提升。然而，较高的布式黏度意味着较低的可施工性。纳米有机蒙脱土改性沥青软化点和布式旋转黏度的增大是由于纳米有机蒙脱土在沥青中形成层状插入结构导致的，沥青分子通过层状插入结构后在高温下的流动能力被抑制。尽管纳米有机蒙脱土试样的布式旋转黏度高于基质沥青，但是所有试样均未超过我国规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF 40—2004）中对改性沥青低于3 000 mPa·s（3 Pa·s）的要求。这意味着用2 种选定的改性剂中的任何一种改性70#沥青，均不会对70#沥青的布式旋转黏度产生较大的负面影响。

图3 布式旋转黏度试验结果

2.2 流变性能试验结果及分析

2.2.1 高温流变性能试验结果及分析

对短期老化的沥青开展高温流变性能试验，试验温度范围为58～82 ℃，间隔温度为6 ℃。其中，复数模量G*试验结果如图4 所示。由图4 可知，任何掺量的纳米蒙脱土改性沥青或纳米ZnO，其G*值都会随着测试温度的升高而降低，表明温度上升不利于改性沥青的高温性能。向70#沥青中添加纳米蒙脱土或纳米ZnO，能小幅度提升G*，意味着添加纳米蒙脱土改性沥青或纳米ZnO 能提升70#沥青的高温性能。试验结果表明，当纳米蒙脱土的含量为12%、纳米ZnO 的含量为3%时，能够更好地提升70#沥青的高温性能。

图4 复数模量G＊试验结果

相位角δ试验结果如图5所示。由图5可知，随着纳米蒙脱土改性沥青或纳米ZnO 的掺量增加，改性沥青相比70#沥青的相位角δ逐渐减小，表明纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 的掺加提高了70#沥青的弹性成分，使沥青的高温性能增强。

图5 相位角δ试验结果

车辙因子G*/sinδ由复数模量G*和相位角δ计算得出，车辙因子是评价沥青结合料高温性能的指标，因此根据上文试验获得的复数模量G*和相位角δ计算车辙因子，用于评价纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的高温性能。计算结果如图6 所示。由图6可知，纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO改性沥青的车辙因子均随着温度升高而降低，随着纳米蒙脱土改性或纳米ZnO 掺量的增加而提升，表明温度不利于改性沥青的高温性能，并且随着温度升高呈快速下降的趋势，而改性剂掺量的增加，使车辙因子呈线性增长，这与上文的软化点试验结果类似，进一步反映出车辙因子与软化点2 个指标具有一定的内在相关。

图6 车辙因子G＊/sinδ的计算结果

2.2.2 中温流变性能试验结果及分析

长期老化沥青的温流变性能试验采用3个试验温度，分别为25 ℃、28 ℃、31 ℃。试验结果通过复数模量G*和相位角δ反映，通过这2个指标计算G*·sinδ，即疲劳因子，该指标能反映沥青在常温下的抵抗疲劳荷载能力，疲劳因子越低，表明沥青的抗疲劳性能越好。中温条件下，复数模量G*和相位角δ的试验结果如图7 和图8 所示。从图7 和图8 可知，随着温度上升，复数模量G*下降，相位角δ 上升；随着纳米蒙脱土和纳米ZnO 掺量的增加，复数模量G*下降，相位角δ 降低。中温条件下，复数模量G*较低有利于沥青的抗疲劳性能，因此温度升高会影响沥青的疲劳性能，而纳米蒙脱土和纳米ZnO 掺量的提升有利于提升沥青的疲劳性能。为更好地对比不同掺量的纳米蒙脱土和纳米ZnO 改性沥青的疲劳性能，采用疲劳因子G*·sinδ进行分析，疲劳因子G*·sinδ计算结果如图9 所示。从图9 可知，疲劳因子G*·sinδ随着纳米蒙脱土和纳米ZnO 改性剂含量的增加而降低，反映了在所有试验温度下，添加改性剂后沥青的抗疲劳性能提高。所有G*·sinδ均小于5 000 kPa，符合JTG E20—2011 中规定的最大值。2 种改性沥青的G*·sinδ的试验结果差距较小，表明在本文设定掺量下的2种改性沥青对沥青的抗疲劳性能的影响相似。

图7 复数模量G＊试验结果

图8 相位角δ试验结果

图9 疲劳因子G＊·sinδ计算结果

2.2.3 低温流变性能试验结果及分析

低温流变性能试验温度设定为-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃，结果如图10 和图11 所示。分析图10 和图11可知：①在-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃温度条件下，70#沥青的m均未达到0.3，掺加纳米蒙脱土和纳米ZnO后，m均高于0.3，并且在掺加纳米蒙脱土和纳米ZnO 后，S均有所降低，表明纳米蒙脱土和纳米ZnO 均能改善70#沥青的低温性能。②纳米蒙脱土和纳米ZnO 改性沥青的S和m随改性剂的掺量增加而提升，其S和m呈现相同的变化规律，即随着改性剂掺量增加，S降低，m增加，表明纳米蒙脱土和纳米ZnO掺量越高，改性沥青的低温性能越好。③8%～12%掺量的纳米蒙脱土8%～12%与1%～3%掺量的纳米ZnO 的S与m相当，表明这2种改性剂在上述掺量范围内对沥青的低温性能的影响相似。

图10 m试验结果

图11 S试验结果

3 结论

本文通过开展常规性能试验和高、中、低温流变性能试验，对8%～12%掺量的纳米蒙脱土改性沥青与1%～3%掺量的纳米ZnO 改性沥青的性能开展研究，得出如下结论：纳米蒙脱土和纳米ZnO 改性70#沥青后，改性沥青的性能随着纳米蒙脱土和纳米ZnO 的掺量而变化，其变化趋势相同，并且8%～12%掺量的纳米蒙脱土改性沥青与1%～3%掺量的纳米ZnO 改性沥青的性能相当。本文所选择的纳米蒙脱土和纳米ZnO 掺量使纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的各项性能均有所提升，并且布式旋转黏度均未超出相关规范的允许范围，因此在工程实际应用中可在本文研究结果的基础上适当地提升纳米蒙脱土和纳米ZnO 的掺量。本文仅对比研究纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的常规性能和流变性能，未对其微观特性和化学特性开展研究，在后续研究中将进一步对纳米蒙脱土改性沥青和纳米ZnO 改性沥青的微观特性和化学特性开展研究，以期揭示纳米蒙脱土、纳米ZnO 改性沥青的微观机理和化学机理。