纳米SiO2乳化沥青高温性能研究*

王云

(云南建投路面工程有限公司, 云南 昆明 650032)

随着交通量的迅猛增加,对沥青路面质量的要求提高,普通乳化沥青已无法满足需求,亟待优化升级。目前SBR改性乳化沥青应用较普遍,其路用性能虽然优于普通乳化沥青和普通沥青,但高温性能不太理想,软化点一般低于60 ℃,易造成路面大面积早期损坏,已不能满足现代交通的要求[1-3]。刘悦、马秀良、CHEN Z. Q.、栾轶博等利用Pickering乳液形成机制,经过多次尝试,借助经缩聚物改性后的纳米SiO2微粒,创造性地制备出新型Pickering乳化沥青[4-7],该沥青具有良好的储存稳定性。他们主要研究了Pickering乳化沥青的制备效果和稳定性,未分析其高温性能。本文研究纳米SiO2乳化沥青的高温稳定性。

1 试验方案

1.1 原材料及试验设备

原材料:平均粒径28 nm的纳米SiO2;缩聚物;十六烷基三甲基溴化铵;盐酸;蒸馏水。

试验设备:恒温磁力搅拌器;扫描电子显微镜;光学显微镜;Thermofisher Nicolet 6700红外光谱仪;JJO-2接触角测定仪;Malvern ZS90;立式胶体磨;烘箱;1.18 mm细筛;三口烧瓶;温度计;储存稳定度试验管;试管;电子分析天平;滴管;烧杯。

1.2 试样制备

1.2.1 乳化剂制备

按照5%、10%、15%、20%、25%的比例称取缩聚物和十六烷基三甲基溴化铵,分别添加纳米SiO2进行表面改性;取200 g水(去离子水),掺入12.5%质量比例的硅溶胶配制溶液;取10 g改性后纳米SiO2添加至上述溶液中,搅拌30 min,并调节其pH值为3,制得纳米SiO2乳化剂。

1.2.2 纳米SiO2乳化沥青制备

室温下启动胶体磨(JM-L50),加入沸水循环预热不低于5 min,将上述溶液水浴加热至85 ℃。加热基质沥青至熔流状态(70#基质沥青建议加热至145 ℃)。称取相同质量的沥青和纳米SiO2水溶液,将其缓缓倒入胶体磨中。胶体磨高速剪切,完成对沥青的乳化,制得纳米SiO2乳化沥青。

2 纳米SiO2乳化沥青高温性能分析

由于纳米SiO2添加过多会对蒸发残留物的延度产生一定影响,参考文献[8],选择5%纳米SiO2掺量,在不同缩聚物掺量下制备乳化沥青进行软化点和针入度试验、蒸发残留物试验。以普通SBR乳化沥青和基质沥青作为对照。

2.1 软化点和针入度试验

对普通SBR乳化沥青、不同缩聚物掺量的5%纳米SiO2乳化沥青进行软化点和针入度试验,试验结果见表1。

由表1可知:相较于普通改性乳化沥青,纳米SiO2乳化沥青的软化点有所提高,说明纳米SiO2颗粒有助于提高沥青的高温性能;缩聚物掺量对纳米SiO2乳化沥青软化点的影响较小;与普通改性乳化沥青相比,纳米SiO2乳化沥青的针入度有所减小,说明纳米SiO2颗粒会使沥青变硬。

表1 不同乳化沥青软化点和针入度试验结果

2.2 差热分析

沥青在温度升高的过程中从固态变为液态,其物理性质发生变化。该过程伴随着热量变化,能反映沥青对温度变化的敏感性,这是差热分析的测试原理。

由于沥青在试验温度变化过程中存在相态变化,温度从低到高分别为玻璃态、黏弹态、黏流态,而参比物没有相态变化,吸收热量的变化表现在蒸发残留物高温热性能曲线上就是曲线峰即吸热峰。吸热峰的大小和位置能反映沥青微观性质的变化,微观性质的变化可以反映沥青热性能的变化。吸热峰大,说明沥青加热后物理性质变化大,沥青的热稳定性差;吸热峰小,沥青的热稳定性好。

分析基质沥青和5%纳米SiO2改性乳化沥青的蒸发残留物,试验温度为20～80 ℃,升温速率为10 ℃/min,试验结果见图1、图2。从图1、图2可以看出:温度升高至50 ℃左右时,两种沥青的蒸发残留物高温热性能曲线出现波动即产生吸热峰,说明在该温度范围内沥青发生相态变化,从黏弹体变为黏流体。特定温度下,沥青不同组分会有不同相态变化,不同组分的吸热峰会耦合成吸热峰。稳定的沥青在温度变化过程中受到的影响小,其蒸发残留物高温热性能曲线平坦、光滑,吸热峰很少出现或很小。纳米SiO2乳化沥青的蒸发残留物高温热性能曲线比基质沥青更平坦,且没有多余的吸热峰产生,说明纳米SiO2颗粒能均匀地分散在沥青各组分中。与基质沥青相比,5%纳米SiO2乳化沥青蒸发残留物的吸热峰面积减小70%左右,说明纳米SiO2的加入改善了沥青组分发生相态转变的数量,吸热量降低,沥青的热稳定性得到提高。

对沥青蒸发残留物高温热性能曲线上信息(包括吸热峰面积、吸热峰温度范围等)进行分析,结果见表2。从表2可以看出:与基质沥青相比,5%纳米SiO2乳化沥青的比热容、发生相态转变的温度区间、吸热量均减小,主要表现为温度区间右端值减小。吸热峰由多种组分吸热峰叠加而成,各组分的吸热峰有大有小,转变温度有高有低,从蒸发残留物高温热性能曲线来看,50 ℃左右发生相态转变的组分吸热峰较大,转变温度靠近温度区间两端的组分吸热峰较小,纳米SiO2的加入降低了吸热峰,转变温度低的组分的吸热峰峰值减小,部分转变温度较高的组分的吸热峰更平坦,因而吸热峰减小的同时温度区间也减小,沥青的感温性和热稳定性得到提高。

图1 基质沥青的蒸发残留物高温热性能曲线

图2 纳米SiO2乳化沥青的蒸发残留物高温热性能曲线

表2 不同沥青蒸发残留物高温热性能分析

2.3 蒸发残留物高温流变性能分析

采用Superpave体系中动态剪切流变仪(DSR)测定沥青的复数剪切模量G*和相位角δ,分析高温条件下沥青的流变性能。以车辙因子G*/sinδ表征高温下沥青抵抗永久变形的能力,在最高路面设计温度下,其值越大沥青的抗车辙能力越强。

试验采用Advanced Rheometer-2000ex流变仪,应变值为12%,试验频率为1.592 Hz。试验温度为64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。采用直径为25 mm的平板夹具,厚度为1 mm。分别对普通SBR乳化沥青和纳米SiO2乳化沥青的蒸发残留物进行动态剪切流变试验,结果见表3。

表3 不同乳化沥青蒸发残留物的车辙因子

从表3可以看出:5%纳米SiO2乳化沥青的蒸发残留物原样满足车辙因子G*/sinδ>1.0 kPa的要求,老化后满足车辙因子G*/sinδ>2.0 kPa的要求,纳米SiO2乳化沥青达到76 ℃PG高温等级,高温性能改善明显。

3 结语

根据基质沥青、普通SBR乳化沥青、纳米SiO2乳化改性沥青软化点、针入度常规高温指标试验及热性能和流变性能分析结果,纳米SiO2乳化改性沥青的高温性能提高较大,能解决普通改性乳化沥青高温性能不足的问题,在道路工程领域具有一定推广应用价值,特别适于用作不黏轮乳化沥青。