CNTs/SBR复合改性沥青制备与性能研究

2024-01-10苏兴赛江晓晓陈艳艳王宁何青云

山东化工 2023年22期

苏兴赛,江晓晓,陈艳艳,王宁,何青云

(华北水利水电大学土木与交通学院,河南郑州 450000)

随着纳米材料开发与应用的快速发展,将其添加到路用沥青中作为改性剂以改善其高低温性能,成为路用沥青材料研究者十分关注的问题[1]。纳米材料因其特殊的性质逐渐被加入到聚合物改性沥青中,或者在基质沥青中通过加入多维度、多尺度的材料和纳米材料进行复配[2-3]。碳纳米管(CNTs)因其独特的纳米结构,成为纳米材料中备受关注的沥青改性材料[4]。相关学者针对CNTs改性沥青进行了大量研究,研究结果表明:CNTs的掺加能够较好地改善沥青流变性能,且对沥青的低温抗裂性和疲劳特性亦有提升效果,还可以增强沥青路面的抵抗水损害能力。丁苯橡胶(SBR)粉作为一种常见的道路沥青改性剂,可以极大地改善沥青的低温性能[5],在我国寒冷地区颇受欢迎。综上,SBR能有效改善沥青路面低温性能,CNTs在抵抗低温开裂的同时对其高温性能和抗水损害能力两个方面的作用也较为突出。

为使沥青路面发挥出其良好的路用性能,本文制备CNTs/SBR复合改性沥青,通过三大指标基本试验、动态剪切流变(DSR)试验和弯曲蠕变(BBR)试验,评价分析其高、低温稳定性。

1 原材料

1.1 基质沥青

试验采用郑州市郑发市政有限公司提供的70#基质沥青,根据试验规程[6]要求测试沥青的三大技术指标,如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.2 碳纳米管

试验采用江苏常州某公司生产的碳纳米管(CNTs),其基本性能指标如表2所示。

表2 碳纳米管基本性能指标

1.3 SBR

表3 SBR性能指标

2 试验方法

2.1 改性沥青的制备

2.1.1 SBR单一改性沥青的制备

采用高速剪切法制备SBR单一改性沥青,将熔融状态下的基质沥青在剪切温度为165 ℃、剪切速率为1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入掺量为4%的SBR,在剪切速率为3 000 r/min下,剪切1 h;最后将剪切后的试样置于160 ℃的恒温箱中30 min,即可制备得到SBR单一改性沥青。

2.1.2 碳纳米管/SBR复合改性沥青的制备

采用高速剪切法首先将熔融状态下的基质沥青在剪切温度为165 ℃、剪切速率为1 500 r/min下,剪切20 min;然后加入掺量为4%的SBR,在剪切速率为3 000 r/min下,剪切1 h;随后加入0.6%的CNTs,在剪切温度为180 ℃、剪切速率为4 000 r/min下,继续剪切1 h;最终将剪切后的试样置于160 ℃的恒温箱中30 min,即可制备得到CNTs/SBR复合改性沥青。

2.2 动态剪切流变(DSR)试验

采用DSR试验,对三种沥青进行高温稳定性能研究。试验采用直径25 mm、厚度1 mm的试样进行温度扫描,试验过程中温度控制在34～70 ℃,依次间隔6 ℃进行试验。

2.3 弯曲蠕变(BBR)试验

劲度模量S值越小、蠕变速率越大,沥青在低温环境下表现的性能越好,越不容易产生开裂现象。本文采用BBR试验,对三种沥青进行低温抗裂性能研究。

3 试验结果与分析

3.1 常规性能分析

将制备得到的SBR单一改性沥青和CNTs/SBR复合改性沥青,按照试验规程[6]要求测试沥青的三大技术指标,试验结果如表4所示。

表4 基质沥青和改性沥青技术指标

由表4可知,CNTs/SBR复合改性沥青、SBR单一改性沥青、基质沥青的针入度分别为55.6(0.1 mm)、60.3(0.1 mm)、65.4(0.1 mm),CNTs/SBR复合改性沥青的针入度较基质沥青减少了14.98%,SBR单一改性沥青的针入度较基质沥青减少了7.80%。针入度作为评价沥青稠度的一种指标,其值越小表示沥青越硬,由此可知向基质沥青中掺加CNTs和SBR两种改性剂可使沥青稠度增大,进而使路用性能得以改善。

为与左侧溢流坝连接，在厂房左侧布置一混凝土坝段，长11.5m。坝顶宽度5.0m。混凝土坝上游坡面垂直，下游坡面1∶0.7，坝顶高程141.60m，建基面高程112.0m，坝高29.6m。

CNTs/SBR复合改性沥青、SBR单一改性沥青、基质沥青的软化点分别为57.4,50.2,46.5 ℃,CNTs/SBR复合改性沥青的软化点较基质沥青的软化点提高了23.44%,SBR单一改性沥青的软化点较基质沥青的软化点提高了7.96%。软化点表示沥青高温稳定性的优劣,由此可知当单掺SBR改性剂时,沥青的高温稳定性改善作用不是太明显,随着CNTs的掺入,沥青的高温稳定性得到显著提升。

CNTs/SBR复合改性沥青、SBR单一改性沥青、基质沥青的延度分别为21.3,18.7,12.1 ℃,CNTs/SBR复合改性沥青的延度较基质沥青的延度提高了76.03%,SBR单一改性沥青的延度较基质沥青的延度提高了54.55%。这是由于CNTs和SBR两种材料在沥青中均匀分布,延度提高,沥青的低温抗裂性得到改善。

综上所述,向基质沥青中加入CNTs和SBR两种改性剂,能够使沥青的整体路用性能得到提升。

3.2 高温流变性能

采用DSR试验评价分析沥青的高温流变性能,研究温度与相位角δ和车辙因子G*/sinδ之间的关系,分别如图1和图2所示。

图1 温度-相位角关系

图2 温度-车辙因子关系

由图1可知,三种沥青的相位角δ与温度的变化成正比。δ的数值越小表示其在变形后恢复原状的能力越强,在相同温度下,CNTs/SBR复合改性沥青的δ最小,SBR单一改性沥青次之,基质沥青最大,可知CNTs/SBR复合改性沥青在变形后恢复原状的能力最强。如在52 ℃时,CNTs/SBR复合改性沥青和SBR单一改性沥青的δ分别比基质沥青的δ小了12.87°和5.04°。这表示CNTs的掺加改变了沥青的黏弹性,使沥青中的黏弹性物质比例增加,在路面受到车辆荷载产生的变形后,能够更好地恢复原状而不至于对沥青路面造成破坏,使沥青路面拥有更强的抵抗高温变形能力。

由图2可知,三种沥青的车辙因子G*/sinδ与温度的变化成反比。G*/sinδ的数值越大表示其在高温环境下抵抗车辙的能力越强,在相同温度下,CNTs/SBR复合改性沥青的G*/sinδ最大,SBR单一改性沥青次之,基质沥青最小,可知CNTs/SBR复合改性沥青在高温下抵抗车辙的能力最强。如在52 ℃时,CNTs/SBR复合改性沥青和SBR单一改性沥青的δGδ*/sinδ分别比基质沥青的G*/sinδ增大了6.81 kPa和2.7 kPa。这表示CNTs/SBR复合改性沥青的抗车辙能力最强,高温稳定性最好,CNTs的掺加使得SBR改性沥青高温流变性能得到显著提升。

综上所述,在同一温度下CNTs/SBR复合改性沥青的δ最小,G*/sinδ最大,因此CNTs的掺加能够使改性沥青的高温流变性能得到改善。

3.3 低温抗裂性能

采用BBR试验评价分析沥青的低温抗裂性能,研究温度与劲度模量S和蠕变速率m之间的关系,分别如图3和图4所示。

图3 温度-劲度模量关系

图4 温度-蠕变速率关系

由图3可知,三种沥青的劲度模量S值与温度的变化成反比。在温度为-12,-18,-24 ℃下,SBR单一改性沥青的S值比基质沥青S值分别下降了10.59%,11.47%,18.09%,CNTs/SBR复合改性沥青的S值比基质沥青S值分别下降了20.46%,22.60%,26.89%。可知CNTs和SBR两种改性剂的复合掺加能够很好地改善基质沥青在低温条件下的松弛能力,进而使沥青的低温抗裂性能得到改善。

由图4可知,三种沥青的蠕变速率m值与温度的变化成正比。在温度为-12,-18,-24 ℃下,SBR单一改性沥青的m值比基质沥青分别提高了2.94%,3.48%,14.67%,CNTs/SBR复合改性沥青的m值比基质沥青分别提高了6.13%,6.96%,22.22%。说明CNTs和SBR两种改性剂的复合掺加能够改善沥青的低温抗裂性能。

综上所述,在同一温度下CNTs/SBR复合改性沥青的S值最小,m值最大,因此CNTs的掺加能够使改性沥青的低温抗裂性能得到改善。