纳米CaCO3/SBR复合改性沥青性能研究

陈艳艳,王宁,何青云,苏兴赛,江晓晓

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450000)

沥青的黏弹性决定了其在高温下易发生流动,因此对沥青路面的高温性能提出了很大的挑战。而当前部分沥青材料已经难以满足人们的要求,故许多研究人员考虑对其进行改性,以改善路面的耐久性和稳定性[1]。

目前,常用的改性剂多为高聚物,SBR丁苯橡胶具有优良综合性能和低成本等优点,在有机化工领域得到了广泛的应用,其综合性能良好、成本低廉。在复合改性沥青中加入SBR改性剂可以有效地提高复合改性沥青的低温性能[2]。杨凯等[3]为解决高低温紫外光照条件下沥青路面易开裂和老化的问题,把SBS以相同的比例与SBR进行复合并进行试验,发现在基质沥青里掺入聚合物后,其各项性能均优于基质沥青。

为了保证沥青具有更好的性能,研究者考虑在沥青中加入无机纳米材料。王佳等[4]将三种不同的纳米材料与SBS复合,发现沥青混合料的高低温性能和水稳定性均得到了提高。张哲铭等[5]在试验研究中发现掺入1.5%的纳米二氧化钛复合改性沥青高温性能有所提高,比SBS沥青提高了15%。李世为[6]通过对合理掺量的纳米碳酸钙进行车辙试验发现纳米碳酸钙可以有效提高SBS改性沥青的高温性能。

本文选用纳米碳酸钙和丁苯橡胶2种改性剂,制得改性沥青并对其进行基本性能指标测试和高低温性能研究,分析两种改性剂的加入对沥青高低温性能的影响。

1 原材料

1.1 基质沥青

本文采用的是70号道路石油沥青,由郑州某公司提供,按照有关试验规程对其常规指标进行测试,见表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.2 纳米CaCO3

试验所用的纳米碳酸钙为郑州某公司生产的白色粉末状碳酸钙,其性能参数如表2所示。

表2 纳米CaCO3技术指标

纳米CaCO3掺入之前先采用偶联剂对其进行表面活化,保证纳米CaCO3更好地融入沥青中并充分分散。选用铝酸酯对纳米CaCO3进行处理,可有效增强无机纳米材料和基质沥青的结合,显著提高了改性沥青的稳定性。

1.3 丁苯橡胶

SBR为上海某公司生产的产品,外观呈米白色粉末状,主要性能参数如表3所示。

表3 丁苯橡胶技术指标

2 改性沥青的制备

2.1 SBR改性沥青的制备

先将基质沥青进行加热,待沥青加热至融化流动,取出将其放置在恒温加热台上,在加热的同时要持续地进行搅拌,同时将4%的SBR加入沥青中,搅拌均匀后,在160 ℃温度下,剪切速率为4 500 r/min高速剪切40 min。然后,在低速剪切搅拌下,转速为2 000 r/min继续剪切20 min,保证SBR进一步以更细的状态溶于沥青中。最后将剪切完成的改性沥青溶胀发育,达到改性剂与沥青充分相容的目的。即制备出SBR改性沥青。

2.2 CaCO3/SBR复合改性沥青的制备

先将基质沥青进行加热,待沥青加热至融化流动,取出将其放置在恒温加热台上,在加热的同时要持续地进行搅拌,同时将5%的纳米CaCO3加入沥青中,搅拌均匀之后,在160 ℃温度下,以2 000 r/min的剪切速率搅拌30 min,接着将4%的SBR加入沥青中,剪切速率为4 500 r/min继续高速剪切40 min。然后,在低速剪切搅拌下,转速为2 000 r/min继续剪切20 min。最后将剪切完成的改性沥青溶胀发育,即制备出SBR改性沥青。

3 试验结果与分析

3.1 三大指标

根据试验规程对不同种类的沥青进行常规性能的测试,结果见表4所示。

表4 基质沥青和复合改性沥青的基本性能指标

根据表4所示数据,复合改性沥青的针入度比SBR改性沥青降低了9.87%,比基质沥青降低了16.51%,SBR改性沥青比基质沥青降低了7.37%。在SBR改性基质沥青的基础上,纳米CaCO3的加入会进一步提高改性沥青的稠度。未改性、单一改性、复合改性的软化点分别为46.8,49.2,60.9 ℃,复合改性较单一改性和未改性沥青分别提高了23.78%,30.13%,SBR改性沥青比基质沥青提高了5.13%。纳米碳酸钙能够显著提高沥青的软化点,然而,对SBR改性沥青和复合改性沥青的延度进行了比较,得出纳米碳酸钙的加入导致SBR改性沥青逐步变硬,使得沥青在低温作用下的延展变形能力下降,即纳米CaCO3对SBR改性沥青造成负面影响。

3.2 动态剪切流变试验

对三种沥青分别进行DSR试验,结果见图1～3。

(1) 从图1中可得,三种沥青的复数剪切模量均随温度的升高而降低。在相同温度时,复合改性沥青的G*值比基质沥青和SBR改性沥青大,说明复合改性沥青抵抗高温车辙的能力更优。

图1 G*与温度关系

(2) 从图2中得,当温度为82 ℃时,复合改性沥青、单一改性沥青、未改性沥青的相位角分别为82.37°,87.36°,90.35°,复合改性沥青的相位角δ比单一改性沥青降低了5.71%,比未改性沥青降低了9.69%。研究发现在同一温度下,纳米CaCO3/ SBR复合改性沥青具有较高的抗剪切性能,由于加入纳米CaCO3颗粒,其在沥青中以微粒形式存在,抗剪切能力比普通沥青更强,其相位角δ值也相对较小。

图2 δ与温度关系

(3) 从图3中可知,当温度上升时,车辙因子降低。在82 ℃条件下,基质沥青、单一改性沥青、复合改性沥青的G*/sinδ分别为0.32,0.88,1.59 kPa。与SBR改性沥青相比,复合改性沥青提高了0.71 kPa,较基质沥青提高了1.27 kPa。由图中趋势可以看出加入纳米CaCO3和SBR后,沥青的车辙因子明显提高。相较于其他两种沥青,掺加纳米CaCO3和SBR的复合改性沥青,在较高的温条件下,其具有较好的抗永久变形能力。

图3 G*/sinδ与温度关系

3.3 弯曲蠕变劲度试验

在-12,-18,-24 ℃温度下,对未改性沥青、单一改性沥青、复合改性沥青进行BBR试验,分别见图4～5。

(1) 分析图4可得,三种沥青的弯曲劲度模量呈温度越低,S值越大,即总体趋势为随着温度的降低而增大。在-12,-18,-24 ℃三种不同的温度条件下,纳米CaCO3/ SBR复合改性沥青比基质沥青分别降低了20.16%,32.43%,14.55%。在-18～

-24 ℃区间内,三种沥青的S值升高的最快,其斜率明显变大,表明沥青在这个温度区间内状态变硬,对低温削弱能力最强,更容易遭受破坏。在相同温度下,如在-18 ℃温度下,基质沥青的S值最大,SBR改性沥青最小,表明SBR改性沥青的低温性能最好。

图4 劲度模量-温度关系图

(2) 由上图5可知,三种沥青在不同温度下,m值随温度降低而减小。在-12,-18,-24 ℃三种温度条件下,复合改性沥青的m值比基质沥青分别增大了12.77%,8.25%,7.21%。在相同温度下,如在-18 ℃温度下,SBR改性沥青的蠕变曲线斜率m值最大,复合改性沥青次之。

(3) 由图4～5可得,SBR改性沥青低温性能最好,其次是复合改性沥青,最后是基质沥青。SBR改性沥青的弯曲劲度模量S值最小,蠕变速率m值最大,表明SBR改性沥青在低温下具有更好的抗裂性,即纳米CaCO3会削弱SBR改性沥青的抗裂性能,但相较于基质沥青,纳米CaCO3和SBR两种改性剂的加入使低温抗裂性能均有所提高。

图5 蠕变速率-温度关系图

4 结论

(1) 纳米CaCO3和SBR复合改性沥青的针入度比基质沥青下降了16.51%,软化点提高了30.13%,延度提高了5.04%。复合改性沥青的针入度比单一改性沥青下降了9.86%,软化点提高了23.78%,延度降低了9.74%。

(2) 三种不同类型的沥青在高温车辙试验中的G*和δ差别较明显。在同一温度下,基质沥青的G*最小,复合改性沥青的G*大;而基质沥青的δ最大,复合改性沥青的δ最小。表明添加纳米CaCO3后,由于沥青中的黏性和弹性成分占比发生了变化,使其由黏弹性向弹性转变,这对改善路面变形的恢复具有重要意义。

(3) 在DSR试验中,对52,58,64,70,76,82 ℃这6个温度条件下的车辙因子进行对比分析,结果表明:加入两种改性剂后,沥青的车辙因子明显提高,随着温度的升高,复合改性沥青>SBR改性沥青>基质沥青。即加入纳米碳酸钙后,SBR改性沥青的抗车辙能力得到了显著的提高,即纳米CaCO3对其高温性能有明显的改善,与SBR改性沥青相比,复合改性沥青提高了0.71 kPa,较基质沥青提高了1.27 kPa。

(4) 在BBR试验中,三种不同的沥青在不同的低温条件下,SBR改性沥青的S值小于复合改性沥青,而其蠕变速率m值比复合改性沥青大。表明SBR改性沥青的低温抗裂性最好,纳米CaCO3加入SBR改性沥青后改善效果会有所降低,但较基质沥青,低温性能仍有所提高。