有机坡缕石改性沥青老化性能及流变性能研究*

尹建伟

(郑州市公路工程公司，河南郑州 450000)

坡缕石是一种具链层状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，结构属2：1型粘土矿物。在每个2：1单位结构层中，四面体晶片角顶隔一定距离方向颠倒，形成层链状。具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力，并具有一定的可塑性及粘结力，由于其独特的晶体结构，使之具有许多特殊的物化及工艺性能[1-2]。沥青则是一种成分十分复杂的高分子聚合物，作为胶结材料被广泛应用于道路工程。然而随着我国重载交通以及交通量的逐年增加，沥青路面早期病害层出不穷。沥青改性已成为道路科研工作者的主要关注点之一。而坡缕石的增稠性、悬浮性、摇融性、触变性和环保性，具备改性沥青的基本条件[3]。国内外学者也对坡缕石以及坡缕石改性沥青进行了初步的研究，如霍成立对坡缕石复合功能材料的应用进行了基础性研究，吴寅瑞等人对坡缕石在建材领域的应用进行了分析，杨福兴对坡缕石的有机改性进行了探讨，王有朋、高晓红等人对坡缕石改性沥青的性能进行了初步的探讨[4-7]。然而常规的坡缕石表面极性羟基使得与非极性的高聚物亲和性较差，需要对坡缕石进行有机改性[8]。

基于此，本文针对坡缕石矿物的突出优点，将坡缕石进行有机改性，而后与少量分散剂或稳定剂添加到沥青中，在高温条件下混溶制成一种新型改性沥青，并对有机坡缕石改性沥青的基本性能、老化性能[9]以及流变性能[10-13]进行系统研究。

1 试验部分

1.1 原材料

基础沥青选用SBS改性沥青，矿粉选用石灰石矿粉，其技术指标均满足相关规范的规定，有机坡缕石的主要物化性能指标见表1。

表1 有机坡缕石物化性能指标Table 1 Physical and chemical properties indexes of organic palygorskite

1.2 有机坡缕石及改性沥青制备方法

1.2.1 有机坡缕石的制备

称取100g 325目干燥坡缕石粉，倒入80～90 ℃蒸馏水的烧杯中，在磁力搅拌水浴锅内搅拌，搅拌速度为1000～1200 r/min。搅拌1h后，加入18g十八烷基三甲基氯化铵，维持搅拌温度和速度继续搅拌2h。搅拌完成后取出并自然冷却，采用真空抽滤机将沉淀物反复清洗，直到无残留试剂为止。将清洗过的沉淀物放入烘箱烘干，即得到有机化坡缕石。

1.2.2 有机坡缕石改性沥青的制备

将干燥的有机坡缕石粉和适量钛酸酯偶联剂（有机坡缕石粉质量的1%～3%）缓慢、分批加入到已经升温至160±5 ℃的SBS改性沥青中，采用高速剪切仪，先以1000r/min的转速搅拌10min，再以4000r/min的转速搅拌40min，最后为排除高温时产生的气泡，再以1000r/min的转速搅拌10min。

1.3 试验方法

1.3.1 改性沥青基本性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关操作规定对坡缕石改性沥青进行了基本性能试验，主要对不同掺量的坡缕石改性沥青进行针入度、软化点及延度试验，对坡缕石改性沥青的基本性能进行研究。

1.3.2 改性沥青抗老化性能

根据JTG E20-2011中T0610方法进行老化试验。采用旋转薄膜烘箱进行试验，对坡缕石改性沥青的短期老化进行研究。对薄膜老化前后改性沥青三大指标进行测试比较，分析坡缕石对沥青抗老化性能的影响。

1.3.3 改性沥青黏度试验研究

黏度旨在描述沥青力学特性随着温度和加荷时间的变化规律，通常沥青材料在一般温度和荷载作用时表现出复杂的黏弹性质。由于沥青在加工和施工应用过程中均处于高温状态，所以采用JTG E20-2011的沥青旋转黏度试验方法（T0625）测试在135℃时不同掺量的坡缕石对SBS改性沥青黏度的影响。

1.3.4 改性沥青低温流变性能研究

为系统研究无机微粉坡缕石与SBS改性沥青物理混溶后，对其低温性能的影响，在低温延度的基础上对坡缕石改性沥青混合料进行低温流变性能研究。低弯曲梁流变仪（BBR）是美国SHRP计划中提出的评价沥青胶浆低温流变性能的试验仪器。低温流变性能以沥青胶浆为研究对象，根据学者们的研究成果和工程实际，采用沥青胶浆的粉胶比为1.2，填料中采用坡缕石粉替换部分矿粉量，配制沥青胶浆。

按照ASTM D6648-01试验方法，试验温度为-12℃，测试不同掺量的坡缕石改性沥青在60s时的蠕变劲度S和蠕变速率m。试验小梁试件尺寸采用120mm×12.5mm×6.25mm。

2 结果与讨论

2.1 坡缕石改性沥青基本性能

对不同掺量的坡缕石改性沥青进行针入度、软化点及延度试验，分析坡缕石对沥青基本性能的影响规律，结果如图1～图3所示。

图1 沥青针入度变化曲线Fig.1 Penetration change curve of asphal

图2 沥青软化点变化曲线Fig.2 Softening point change curve of asphalt

图3 沥青延度变化曲线Fig.3 Ductility change curve of asphalt

由图1～图3数据分析可得：

（1）随着坡缕石掺量的增加，改性沥青的针入度呈降低趋势。坡缕石掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比其针入度降低幅度为21.5%。表明坡缕石的掺入，沥青变硬，其黏稠度增加。

（2）沥青中掺入坡缕石后，软化点明显增高，随着坡缕石掺量的增加，其软化点增幅呈减小的趋势。掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的相比其软化点增加了6.4℃，表明坡缕石的掺入使改性沥青具有更高的黏性。

（3）坡缕石改性沥青的延度随坡缕石掺量的增加而明显减小。坡缕石掺量从10%增加到20%，改性沥青的延度下降40%。坡缕石掺量的增加，其延度下降幅度呈减小趋势。

沥青中掺入粉状坡缕石，使得沥青的黏稠度增大，从而导致针入度降低、软化点升高、延度降低，但三个指标均满足相关规范的规定。主要是因为粉状坡缕石与沥青只是物理混溶，坡缕石颗粒的存在阻碍了沥青大分子的流动，从而导致延度的降低。

2.2 坡缕石改性沥青抗老化性能

通过对坡缕石改性沥青老化前后针入度、软化点和延度三大指标进行试验，对其残留针入度、软化点增量以及残留延度进行数据分析。试验结果如图4～图6所示。

图4 沥青残留针入度比变化曲线Fig.4 Residual penetration ratio change curve

图5 沥青软化点增量变化曲线Fig.5 Incremental change curve of softening point

图6 沥青残留延度变化曲线Fig.6 Residual ductility change curve of asphalt

由图4～图6数据分析可得：

（1）坡缕石改性沥青残留针入度比随着坡缕石掺量的增加而不断提高，坡缕石掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比其残留针入度比升高幅度为13.2%。

（2）软化点增量随着坡缕石掺量的增加逐渐降低，坡缕石掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比其软化点增量降低幅度为79%。

（3）坡缕石改性沥青残留延度随着坡缕石掺量的增加而不断降低，坡缕石掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比其残留延度降低幅度为27.8%。

由上述结果分析可得，坡缕石改性沥青的残留针入度比均大于普通SBS改性沥青的残留针入度比，软化点增量小于普通SBS改性沥青的软化点增量，而坡缕石改性沥青的残留延度均小于普通SBS改性沥青的残留延度。这表明随着坡缕石掺量的增加，坡缕石改性沥青的老化程度明显降低。

2.3 坡缕石改性沥青黏度

选择SBS改性沥青和坡缕石改性沥青在10%、15%、18%和20%四个掺量下进行黏度测试。具体试验结果如图7所示。

图7 沥青黏度变化曲线Fig.7 Viscosity change curve of asphalt

由图7数据分析可得，在温度为135℃时，掺量为20%坡缕石改性沥青的黏度比掺量为10%的坡缕石改性沥青升高43.5%，比普通改性沥青黏度升高118%。当掺量为10%时，坡缕石改性沥青黏度比普通改性沥青黏度升高52%；掺量为15%的坡缕石改性沥青黏度比10%掺量改性沥青黏度升高34%；掺量为20%的坡缕石改性沥青黏度比15%掺量改性沥青黏度升高6.7%。表明坡缕石改性沥青在掺量为10%的条件下增黏效果最为明显，增加值为0.442Pa·s。

2.4 改性沥青胶浆BBR试验分析

选择10%、15%、18%和20%四个掺量的坡缕石代替相同质量的矿粉配置沥青胶浆，与不掺坡缕石的沥青胶浆进行低温流变性能试验。具体试验结果如图8和图9所示。

图8 劲度模量S值变化曲线Fig.8 Stiffness modulus change curve of asphalt

图9 蠕变速率m值变化曲线Fig.9 Creep rate change curve of asphalt

由图8、图9数据分析可得，坡缕石改性沥青胶浆的蠕变模量S值小于纯矿粉沥青胶浆，蠕变速率m值大于纯矿粉沥青胶浆，可见坡缕石改性沥青胶浆的低温性能比纯矿粉沥青胶浆的低温性能好，坡缕石的添加有利于改善沥青胶浆的低温性能。当坡缕石替代15%矿粉时，S值小于300MPa，m值大于0.3，坡缕石掺量为20%的沥青胶浆低温性能优于掺量为15%的坡缕石沥青胶浆。因此，添加较大掺量坡缕石更有利于改善沥青胶浆的低温性能。

3 结论

（1）随着坡缕石掺量的增加，改性沥青的针入度和延度呈降低趋势、软化点呈增高趋势，掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比针入度降低幅度为21.5%、软化点增加6.4℃、延度降低40%。表明坡缕石的加入使得改性沥青黏稠度增大。

（2）随着坡缕石掺量的增加，改性沥青的残留针入度比呈增长趋势、软化点增量呈下降趋势、残留延度呈下降趋势，掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比残留针入度比升高幅度为13.2%、软化点增量降低幅度为79%、残留延度降低幅度为27.8%。表明随着坡缕石掺量的增加，坡缕石改性沥青的老化程度明显降低。

（3）随着坡缕石掺量的增加，改性沥青的黏度呈增长趋势，掺量为20%的改性沥青与掺量为10%的改性沥青相比黏度升高幅度为43.5%，随着坡缕石掺量的增加其黏度升高幅度逐渐降低。表明坡缕石改性沥青具有较为明显的增黏效果。

（4）随着坡缕石掺量的增加，改性沥青胶浆的蠕变模量S值呈降低趋势，蠕变速率m值呈增大趋势，且均优于纯矿粉沥青胶浆。坡缕石掺量为20%的沥青胶浆蠕变模量S值为278.4MPa，蠕变速率m值为0.482，性能最优。表明添加较大掺量坡缕石更有利于改善沥青胶浆的低温性能。