纳米SiO2/SBR复合改性沥青性能研究

王宁,何青云,苏兴赛,江晓晓,陈艳艳

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450000)

沥青路面是我国道路建设的主要形式,其拥有极好的高低温抗车辙能力、水稳定性以及抗疲劳性。但通常情况下,普通沥青路面在高温环境下极易产生车辙等不利因素,给行车带来诸多弊害[1]。因此,研发新一代路用性能良好的沥青改性材料对于改善道路领域具有深远影响。目前,改善沥青路面性能最为常用的方法是填充聚合物,如SBS、SBR、PE等[2]。由于聚合物和沥青在物理化学特性上有较大的差别,二者间的差别会使聚合物与沥青间形成显著的界面,从而影响改性效果。为解决这一问题,纳米材料改性技术应运而生,即通过添加纳米材料,增加改性剂在沥青中的分散性、相容性和稳定性,从而显著提高沥青路面的使用性能[3-4]。

纳米材料在道路工程领域的应用不断扩展,并且也取得了一定成效[5]。碳酸钙(CaCO3)、二氧化硅(SiO2)、碳纳米管(CFN)等纳米材料,不仅吸附能力强、比表面积大,而且具有优异的物化性能,因此其在沥青改性领域中的应用前景广阔[6]。然而,仅仅以物理混合的方式将纳米材料添加到沥青中,虽在一定程度上增强了某些性能,但是无法从根源解决高温、低温、抗疲劳以及抗老化等特性[7]。

因此,本文将制备纳米SiO2/SBR复合改性沥青,并对复合改性沥青的常规物理性能和流变性能进行评价,探讨其在路面应用中的可行性。

1 原材料与试验准备

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

选用70#基质沥青作为研究对象,根据试验规程[8]对其进行常规性能指标测试,技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 纳米SiO2

纳米SiO2由江苏某公司生产的,呈白色粉状,物理性质见表2。

表2 纳米SiO2物理性能

为成功制备纳米SiO2/SBR复合改性沥青,基于相关研究成果,需要考虑到纳米SiO2的特殊性质,如具有极大的比表面积和高表面活性能,容易团聚且难以分散在沥青中。因此,在将纳米SiO2加入沥青之前,需选择适当的偶联剂进行活化处理[9]。本文选用KH-550硅烷偶联剂作为改性剂,可以有效地提高纳米SiO2的分散性,使其更好地融入沥青中。

1.1.3 SBR

SBR为天津某公司生产的产品,呈米白色粉末状,主要性能参数如表3所示。

表3 SBR技术指标

1.2 改性沥青的制备

1.2.1 SBR改性沥青制备

把70#基质沥青放入烘箱中,烘箱温度设置为140 ℃,使其加热至流动状态;取一定质量且加热好的基质沥青倒入不锈钢容器中,并将其放在电炉上加热,使电炉的温度保持在130～150 ℃左右;在加热过程中用玻璃棒搅拌基质沥青。将提前准备好的5%掺量的SBR加入上述沥青容器中,使用高速剪切机搅拌混合物,搅拌速度为4 000 r/min,持续搅拌30 min左右,使SBR在沥青中完全均匀分散,得到SBR改性沥青。

1.2.2 纳米SiO2/SBR复合改性沥青制备

把70#基质沥青放入烘箱中,烘箱温度设置为140 ℃,使其加热至流动状态;取一定质量并加热好的基质沥青倒入不锈钢容器中,并将其放在电炉上加热,使电炉的温度保持在130～150 ℃左右;在加热过程中用玻璃棒搅拌基质沥青。将提前准备好的4%掺量的纳米SiO2加入上述沥青容器中,使用高速剪切机搅拌混合物,搅拌速度为4 000 r/min,持续搅拌20 min左右,接着向沥青中掺入5%掺量的SBR,搅拌速度仍然为4 000 r/min,继续搅拌30 min,得到纳米SiO2/SBR复合改性沥青。

2 试验与结果分析

2.1 常规性能试验

由表4可以看出,将纳米SiO2加入SBR改性沥青中,复合改性沥青的三大指标具体变化为:针入度较其他两种沥青下降,其下降幅度分别为4.6%,10.4%,说明纳米材料的加入进一步增大了沥青的稠度;软化点、延度其数值均变大,软化点上升幅度分别为22.2%,14.2%,说明掺入纳米SiO2能够改善基质沥青、SBR改性沥青的高温性能;延度上升幅度分别为47.2%,18.1%,加入纳米SiO2的沥青延度变大,说明低温性得到改善。综上所述,向SBR改性沥青中掺入纳米SiO2,能够使沥青的整体性能变好。

表4 改性沥青基本性能指标

2.2 流变性能

2.2.1 动态剪切流变性能

采用DSR试验中的温度扫描试验,对3种不同沥青进行试验,不同沥青相位角、车辙因子分别如图1所示。

图1 不同沥青的相位角和车辙因子图

分析图1可知,温度越高,基质沥青、SBR改性沥青以及纳米SiO2/SBR复合改性沥青的相位角δ越大,呈现正比例关系,其曲线呈现的趋势较为一致。同一温度下,纳米SiO2/SBR复合改性沥青的相位角比在单一SBR改性沥青、基质沥青要大。表明纳米SiO2的加入,使得SBR改性沥青接近于黏性体,这对路面的变形恢复有一定的帮助。

不同改性沥青的车辙因子G*/sinδ变化趋势几乎一致,均与温度呈反比(温度从46 ℃升至82 ℃,车辙因子逐渐下降)。同一温度下,纳米SiO2的加入使得复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ变大,在82 ℃时,基质沥青以及两种改性沥青其车辙因子分别为0.54,0.94,1.16 kPa,纳米SiO2/SBR复合改性沥青的车辙因子最大,较基质沥青上升0.62 kPa,较SBR改性沥青上升0.22 kPa,且其值满足规范要求(≥1.0 kPa),这表明同一高温条件下,随着纳米SiO2的加入,SBR改性沥青抗车辙能力得到一定改善。沥青的车辙性能与其耐高温性能之间存在着一定的关系,抗车辙性能愈高,则其耐高温性能愈好。结果表明,将纳米SiO2加入SBR改性沥青中,可以改善其耐高温性能。

2.2.2 弯曲梁流变性能

采用BBR试验,不同温度下(-12,-18和-24 ℃)对3种不同沥青进行低温性测试。试验结果如图2所示。

图2 不同沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m图

分析图2得知,随着温度的持续升高,基质沥青以及两种改性沥青的蠕变劲度S随之降低,呈现反比例关系,其变化趋势十分接近。结果表明,同一温度下,纳米SiO2/SBR复合改性沥青的蠕变劲度S值较其他两种沥青较小,在-18 ℃时,3种沥青的蠕变劲度S分别为381.4,260.3,212.8 MPa,与基质沥青和SBR改性沥青相比,纳米SiO2/SBR复合改性沥青分别下降幅度为44.2%,18.2%。蠕变劲度S数值越小,其低温下的变形能力越好,故纳米SiO2/SBR改性沥青的低温抗裂性更好。

随着温度的持续升高,基质沥青以及两种改性沥青的蠕变速率m逐渐上升,呈现正比例关系,其变化趋势较为一致。同一温度下,复合改性沥青的蠕变速率最大,在-12 ℃时,3种沥青的蠕变速率m分别为0.398,0.417,0.424,纳米SiO2的加入使得SBR改性沥青的蠕变速率m增大,其增大比例较基质沥青为6.5%,较SBR改性沥青为1.7%。在相同温度条件下,m值越大,沥青的低温性能越好。因此纳米SiO2/SBR改性沥青的低温抗裂性更好。

综上所述,同一温度下,纳米SiO2/SBR复合改性沥青的蠕变劲度S最小,蠕变速率m最大,说明低温抗裂性能是最好的,因此,纳米SiO2可以提高改性沥青的低温抗裂性能。

3 结语

本文结合纳米SiO2对SBR改性沥青进行性能优化,分析研究制备得到的纳米SiO2/SBR复合改性沥青结合料性能,其具体结论如下:

1)纳米SiO2/SBR复合改性沥青较其他两种沥青,呈现针入度降低,软化点、延度升高。针入度下降幅度分别为4.6%,10.4%;软化点上升幅度分别为22.2%,14.2%;延度上升幅度分别为47.2%,18.1%。说明随着纳米SiO2的加入,沥青黏稠度提高,其路用性能有了明显的提高,并且低温性能也得到了改善。

2)DSR试验中,在同一温度下,纳米SiO2/SBR复合改性沥青的相位角δ最小,这表明随着纳米SiO2的掺入,使得沥青中弹性物质与黏性物质的比例升高,有着更好的弹性恢复能力。在同样的中高温下,复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ是最高的,这表明纳米SiO2的加入使其高温性能得到提高。

3)基于BBR试验,在同一温度下,随着纳米SiO2的加入,SBR改性沥青的蠕变劲度S减小,蠕变速率m变大,说明纳米SiO2可以使SBR改性沥青的低温性能得到改善。