纳米复合改性沥青路面灌缝密封胶性能测试研究

彭 燕

(杨凌职业技术学院,陕西 咸阳 712100)

沥青路面因其优点而被广泛应用于道路工程,包括施工期短、噪音低、安全、驾驶舒适、可回收性等。随着交通量和车辆负荷的快速增长,发生了严重的沥青路面损坏,道路维护措施逐渐成为保证服务绩效的关键。在许多类型的路面损坏中,路面开裂是最常见的损坏形式之一,不仅破坏了路面的完整性,还会导致水渗透,软化了底座,削弱了底座的承载力,并对道路造成结构性损坏。沥青路面造成的大多数污染是由沥青耐用性差造成的路面损坏造成的二次环境污染。使用沥青覆盖地球作为路面曾经被认为与环境友好性背道而驰。然而,道路破坏造成的翻新造成的环境污染无疑将导致更严重的环境退化。工程实践表明,裂纹密封是处理路面开裂类型损坏的有效方法。因此,人们越来越关注对密封材料的研究,并按照时代的要求出现了各种类型的密封胶。其中,加热沥青密封胶因其出色的裂纹密封效果和低廉的价格而被广泛应用于道路维护项目。鉴于橡胶改性沥青具有优异的抗变形和抗裂纹性能,本文使用CNTs/SBS对沥青进行改性,以研究沥青路面灌缝密封胶材料的优化性能。

1 沥青路面灌缝密封胶的应用现状

裂缝是沥青路面的主要问题。密封胶是最常用的裂纹修复材料之一,其性能是影响沥青路面使用寿命的关键。然而,填充道路裂缝后留在表面的密封材料将直接暴露在自然环境中,并不断暴露在阳光下。现场调查表明,暴露在阳光直射下的沥青路面的最大温度可以超过60摄氏度。连续的高温可能会导致密封胶老化,机械性能过早下降,以及与道路的粘合力降低,这意味着沥青很容易被车辆带走。因此,提高密封材料的高温稳定性很重要[1-2]。

沥青密封胶材料主要由基质沥青、橡胶粉末、各种聚合物、软化剂、填料等组成,并通过引入不同的废料/原始聚合物来提高沥青密封胶/乳剂的性能。有多种聚合物改性沥青,其中最常见的是使用橡胶粉末作为改性剂的橡胶改性沥青。热塑性橡胶改性沥青包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-异戊二烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)和其他嵌段共聚物的改性。基于树脂的沥青改性包括添加聚乙烯(PE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)。Zhang等人选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)作为改性剂,制备了一种新型的沥青路面密封胶,研究发现,SBS可以在沥青中形成稳定的网络结构,提高沥青的柔性。不过,由于使用单一聚合物制备的改性密封胶材料在性能上存在缺陷(例如缺乏抗热老化能力等),有些研究人员提出将碳纳米管(CNTs)、纳米粘土、纳米二氧化钛等纳米材料作为改性剂添加到沥青中,在纳米维度上改变材料的整体性能。其中,CNTs具有质量轻、稳定性好、强度高等优点,因此在改性沥青材料领域具有较大的应用潜力[3-4]。

2 利用CNTs/SBS对沥青材料灌缝密封胶改性

2.1 准备材料

选择沥青粘合剂作为制备密封胶的基础粘合剂,表1列示该种沥青粘合剂的基本性能指标,即为:针入度、软化点、动力粘度和延度。其中,针入度越大,表示沥青越软,黏度越小; 软化点越高,表示耐热性越好;延度值越大,表示塑性越好;沥青的60 ℃动力黏度越大,则沥青的高温抗车辙效果越好。

表1 纯沥青的基本特性

星形SBS聚合物和99%纯度多壁CNT的特性如表2和表3所示。此外,本研究选用糠醛抽出油(FEO)作为改性密封胶的增容剂,因为FEO中的有机芳香化合物可以改善SBS的溶胀效应,增强SBS和沥青之间的相容稳定性[5-6]。

表2 SBS的主要特性

表3 CNTs的主要特性

表4 CNTs/SBS改性沥青灌缝密封胶的流动值

2.2 制备过程

CNTs呈黑色粉末状,容易形成自聚。SBS的表面是蓬松多孔的白色颗粒,SBS的交联代表了SBS的星形结构。为了避免CNTs的团聚影响其在沥青中的分散效果,同时考虑到CNTs的高比表面积,容易吸附在蓬松多孔材料的表面。因此,在本研究中,首先将SBS加入到含有CNTs的容器中,然后人工搅拌2种改性剂,得到CNTs/SBS复合改性剂。由于2种改性剂的颜色不同,可以通过2种改性剂混合前后的颜色变化来判断2种改性剂是否混合均匀[7-8]。一方面,这种方法可以将CNTs充分吸附在SBS颗粒表面;另一方面,通过研磨可以将结块的CNTs分散在SBS颗粒之间。最后,将CNTs/SBS复合改性剂加入到基质沥青中。然后,进行改性沥青密封胶的制备。

使用电动搅拌器、高速剪切机和加热套制备CNTs/SBS改性沥青密封胶。首先,将基础沥青加热到流动状态,然后在170 ℃下加入FEO,待搅拌均匀后,加入CNTs/SBS复合改性剂,用电动搅拌器以800 rp/m的速度搅拌膨胀30 min。其次,温度上升到180 ℃,用高速剪切机以4 000 rp/m的速度剪切50 min。最后,温度降低到170 ℃,用电动搅拌器以500 rp/m的速度搅拌混合物40 min,得到CNTs/SBS改性的沥青密封胶[9-10]。

过多的CNTs会导致结块的问题,所以结合已有研究设置了不同规格的改性剂含量。在本研究中,根据CNTs含量(0.5%和1%)的不同制备了2种改性沥青密封胶; 另外,SBS改性剂的含量为5%,FEO为3%。上述含量是以占基质沥青质量的百分比计算的。根据CNTs的不同含量,所制备的样品被命名为CS-0.5和CS-1。

3 CNTs/SBS改性沥青灌缝密封胶的性能测试

3.1 转动粘滞系数

密封胶对裂缝的修复效果与施工温度密切相关。温度过低会导致密封胶过于粘稠,难以完全渗入裂缝中[11-12]。施工温度过高虽然可以增加材料的流动性,但也可能加速密封胶的老化,影响其路面性能。密封胶的最佳施工温度可根据其在不同温度下的黏度来确定。另外,通过不同温度下的转动粘滞测试结果,可以分析密封胶的高温敏感性。

在本研究中,记录了同一温度下不同转速的黏度(粘滞系数)和相应的扭矩,并对结果进行对数处理,通过线性拟合得到回归方程。最后,根据回归方程,计算出同一温度下扭矩为50%时的相应粘滞值,作为测量温度下的黏度代表值。

如图1中所示的黏度-温度曲线,表示2种密封胶在不同温度下的黏度。从图中可以看出,在135～160 ℃的较低温度下,CNTs的含量对密封胶的黏度有明显影响,CS-1的黏度明显高于CS-0.5。一方面,这是由于加入CNTs增加了沥青材料的分子间相互作用;另一方面,这与纳米材料的表面能有关。由于CNTs表面有很强的范德华力,在实验过程中可以防止沥青胶体结构的破坏,增加粘滞力。此外,温度在135～160 ℃内,密封胶的温度敏感性比较高,密封胶的黏度随温度变化明显。在160～200 ℃的温度下,CNTs含量的增加对密封胶的黏度没有明显影响[13-14]。这表明密封胶黏度的变化是由CNTs和沥青状态的共同作用造成的。

图1 灌缝密封胶的粘度-温度曲线图

对于密封胶CS-1来说,其在150 ℃时的黏度超过3 Pa·s,因此很难保证材料能够充分填充裂缝,不能达到理想的施工效果。此外,过高的施工温度会加速密封胶的老化,导致材料的路用性能受损[15-16]。因此,考虑到这两种密封胶的实际施工质量,建议施工温度为160～180 ℃。

3.2 常规特性测试

与基质沥青或改性沥青的评估不同,密封胶的性能评估需要进行锥入度试验、弹性恢复试验和流动试验。本研究进行了5 ℃软化点测试(JTG:T 0606)、25 ℃锥入度测试 (JT/T:6.2)、25 ℃弹性恢复率测试(JT/T:6.5)、60 ℃流动测试(JT/T:6.4)以及25 ℃针入度试验(JTG:T 0604)。锥入度测试可以反映材料的柔性和硬度;流动试验和软化点试验都可以反映密封胶的高温性能,而流动测试是为了检验密封胶在高温下是否会出现流动和粘轮的问题。为了使密封胶的老化效果更加明显,本研究选择180 ℃作为老化温度[17-18]。根据《路面加热型密封胶 JT/T 740—2015》的规范要求,需要满足普通密封胶的技术指标。

软化点:≥80 ℃;锥入度:50～90(0.1 mm);弹性恢复率:30%～70%;流动值:≤5 mm。

如图2所示,2种密封胶在老化前(CS)和老化后(ACS)都符合规范要求。比较2种密封胶的软化点,可以发现,随着CNTs含量的增加,密封胶的软化点得到了改善。此外,2种材料的软化点在老化后都有所提高。通过锥入度测试可以发现,CNTs的加入使密封胶的硬度有所提高,CS-1的锥入度略低于CS-0.5的锥入度。针入度的变化规律与锥入度相似。

图2 CNTs/SBS改性密封胶的常规性能

加热老化后,由于沥青中轻质成分(主要是油分,即饱和分和芳香分)的挥发,密封胶的锥入度和针入度都有所下降。CS-0.5的弹性恢复率明显高于CS-1,但老化后CS-0.5的弹性恢复率下降较多。这表明,虽然SBS老化后的降解反应破坏了SBS原本的网络结构,降低了密封胶的弹性恢复率,但CNTs的加入可以有限阻止SBS的降解,在一定程度上抑制材料的老化。弹性恢复率过低的密封胶容易嵌入碎石,而弹性恢复率过高则容易形成二次裂缝[19]。对比2种材料的弹性恢复率,CS-1的弹性恢复率在55%左右,并且具有更好的抗碎石能力和避免二次裂缝的性质。

流动值是为了评估密封胶的高温稳定性而引入的技术指标。如果材料的流动值不达标,在高温下就容易出现粘轮现象。2种样品老化前后的流动值如表6所示。CS-1的流动值比CS-0.5低。一方面,认为随着CNTs含量的增加,密封胶的高温性能得到改善。另一方面,由于CNTs含量较高,CS-1的黏度较高。CNTs在SBS表面的相互作用增加了聚合物的表面粗糙度,从而改善了SBS与沥青界面的相容性,降低了材料在高温下的流动值。

3.3 应变扫描测试

应变扫描试验被用来确定改性沥青密封胶的线性粘弹性,视频引伸计(LVE)可通过拍摄实验过程的图像,分析图像特征变化动态测量试件应变变化。通过应变扫频试验,得到某一温度和频率下密封胶线性粘弹性的极限应变值(γLVE)。

作为一种典型的弹、粘、塑性材料,沥青的流变学参数如复变模量、相位角等都是在线性粘弹性的条件下定义的。一般来说,在同一温度下,频率越高,沥青的线性粘弹性区间越小;在同一频率下,温度越低,沥青的线性粘弹性区间越小。为了在最极端的条件下测试出该材料LVE区间,本研究的应变扫频试验是在高频率、低温度的条件下进行的。因此,在本研究中,选择10 Hz作为应变扫描试验频率,温度条件为25 ℃。模量-应变曲线如图3所示。

图3 应变扫频曲线

假设初始模量下降等于5%时对应的点为LVE极限,纵向虚线的左边是密封胶的线性粘弹性区间,其中材料的应力-应变关系只受温度和频率的影响,而右边是非线性粘弹性区间。图3表明,在较低的应变范围内,模量与应变值有良好的线性关系,模量变化不明显。随着应变的增加,线性关系被破坏,复合剪切模量大大下降。比较CS-1和CS-0.5的数据曲线,可以看出,虽然密封胶的复合模量随着CNTs含量的增加而增加,但密封胶的LVE范围没有明显变化。CS-1的γLVE为2.26%,CS-0.5的γLVE为2.16%。

4 结语

为了解决传统密封胶耐高温变形性低的问题,本文利用碳纳米管和SBS为路面维护工程制备了一种具有优异的高温稳定性和抗变形能力的沥青灌缝密封材料,扩大了碳纳米管在路面维修工程中的应用。此外,还通过进行软化点测试、锥入度测试、针入度扫描测试、弹性恢复率测试以及LVE扫描测试,估计了这种新型CNTs/SBS复合改性沥青灌缝密封胶的高温性能、流变性能和抗老化性能,认为CNTs能够显著改善沥青灌缝密封胶的实用性,对延长沥青路面使用时限有着积极的促进作用。