纳米TiO2/CaCO3-玄武岩纤维复合改性沥青的路用性能

程永春,毕海鹏,马桂荣,宫亚峰,田振宏,吕泽华,徐志枢

(吉林大学 交通学院,长春130022)

0 引 言

沥青路面因其优越的使用性能而在世界各国广泛应用。然而,随着交通量和重载交通的不断增多,越来越多的路面发生车辙、裂缝和坑槽等早期病害。为了防止沥青路面早期病害的发生,提高沥青混合料的路用性能,国内外研究人员从沥青单质材料的改性方面进行了大量的有益尝试,并在此基础上提出了许多新型改性材料,其中纳米材料和纤维材料是目前常用的两种无机改性材料[1,2]。有研究发现,将纳米SiO2、TiO2、Zn O等颗粒掺入沥青中有助于提升沥青混合料的高温稳定性与水稳定性,但是对于低温性能影响较小[3-8];而将玻璃纤维、木质素纤维、玄武岩纤维等纤维材料掺入到沥青混合料中可提高其高温性能,并能显著提升低温抗裂性能[9-12]。针对单独采用纳米材料或是纤维材料进行沥青改性的研究已经开展了许多,但是对于采用两种材料对沥青进行复合改性的研究尚未见诸报道,并且通过复合改性的方式将有助于同时有效提升沥青高温稳定性和低温抗裂性。因此,对复合改性沥青性能进行研究,确定合理掺量和工艺十分必要。

本文采用高速剪切仪制备了不同掺量的纳米TiO2/CaCO3-玄武岩纤维复合改性沥青,并对其常规性能和高低温流变性能进行了测试,对比分析了改性剂掺量对沥青性能的影响[13]。

1 试验材料及复合改性沥青制备

1.1 原材料性能指标

本文选用辽宁盘锦产AH90＃重交通石油沥青进行复合改性沥青的试验研究,沥青的基本性能指标如表1所示。纳米TiO2/CaCO3由天成高新纳米复合材料有限公司生产,其基本技术指标如表2所示。玄武岩纤维为吉林省本地产短切纤维,其基本技术指标如表3所示。

表1 基质沥青基本性能指标Table 1 Basic properties of neat asphalt

表2 纳米TiO2/CaCO3技术指标Table 2 Technical index ofnano TiO2/CaCO3

表3 玄武岩纤维技术指标Table 3 Technical index of basalt fiber

1.2 复合改性沥青制备

本文采用高速剪切搅拌设备制备纳米TiO2/CaCO3-玄武岩纤维复合改性沥青,剪切搅拌时间为45 min,温度为150℃,剪切速度为4000 r/min。本文选取纳米TiO2/CaCO3掺量为沥青质量的1%、3%、5%和7%,玄武岩纤维掺量为沥青质量的2%、3%、4%和5%,进行全面试验得到16组不同掺量的复合改性沥青。

2 复合改性沥青基本性能分析

制备得到纳米TiO2/CaCO3-玄武岩纤维复合改性沥青后,对其锥入度、软化点、延度和表观黏度进行测试,测试过程按照JTG E20－2011《公路工程沥青及沥青混合料测试规程》进行。

2.1 锥入度

由于在沥青中掺入纤维后采用针入度试验测试其黏稠性离散性较大,试验结果不稳定,因此采用锥入度试验代替,测试复合改性沥青的黏稠性及抗剪切强度[9,10]。锥针的锥角为30°,锥针的重量可以通过增减砝码的方式进行调节,记录锥针锥入5 s后的锥入深度,按照公式(1)可计算得到相应的剪切强度。试验温度为30℃,得到16组纳米TiO2/CaCO3-玄武岩纤维复合改性沥青的锥入度及剪切强度如图1所示。

式中:τ为抗剪强度,k Pa;Q为锥针、连杆及砝码总重,k N;h为锥入度,0.1 mm;α为锥针角度,α＝30°。

图1 复合改性沥青锥入度试验结果Fig.1 Cone penetration of compound modified asphalt

由图1(a)可以看出,当玄武岩纤维掺量相同时,随着纳米TiO2/CaCO3掺量的增大,锥入度逐渐降低。当纳米TiO2/CaCO3掺量相同时,随着纤维掺量的增大,锥入度也呈现不同程度的降低趋势。且当纤维掺量超过4%后,锥入度降低幅度减小,纳米TiO2/CaCO3掺量越高降低幅度越小。这是因为随着纤维和纳米TiO2/CaCO3的掺入,沥青内部逐渐形成交联网络,使得锥针锥入深度减小,并且因玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3对沥青中轻质组分的吸收作用,使得沥青变得更加脆硬,导致锥入度降低。

图1(b)显示了复合改性沥青剪切强度随纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维掺量变化而变化的趋势。由图可知,掺入改性材料后有助于提高沥青的抗剪切强度,利于改善其在高温下的抗变形能力。纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维掺量从(1%,2%)增加到(7%,5%)后,剪切强度提高了112%,沥青抗剪切强度明显提高。采用两种改性材料对沥青剪切强度的提升具有叠加作用。

2.2 软化点

对复合改性沥青的软化点进行测试,得到试验结果图2所示。

图2 复合改性沥青软化点试验结果Fig.2 Softening point results of compound modified asphalt

由图2可以看出,掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维后沥青软化点升高。软化点反映了沥青在高温时的稳定性,软化点越高,高温稳定性越好。由此可知,掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维有助于提高沥青的高温稳定性。并且复合改性沥青可以综合玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3的提升效果,使其比采用单一材料改性时对高温稳定性的提升效果要明显。另外,由图还可以看出当玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3的掺量较高时,软化点增量减小。这可能是由于改性剂掺量过高时,纳米TiO2/CaCO3和纤维对沥青中轻质组分的吸持效果达到最优,使得软化点随掺量增大而产生的增量减小。

2.3 延度

对16组复合改性沥青的5℃和10℃延度进行测试,得到试验结果图3所示。

图3 复合改性沥青延度试验结果Fig.3 Ductilities of compound modified asphalt

延度反映了沥青在低温条件下的变形性能,在一定程度上可以表征沥青的低温抗裂性能。延度越大,其低温柔度越大,断裂前变形范围越广,利于抵抗裂缝的产生。由图3可知,掺入纤维和纳米TiO2/CaCO3后沥青延度均有所降低,且随着掺量的增大,延度不断减小。另外,随着温度由10℃降低到5℃,复合改性沥青的延度明显减小。表明随着改性剂的掺入以及温度的降低,沥青低温柔度减弱,变形能力降低。这是因为掺入玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3后有效吸收了沥青中轻质组分,使得沥青更加脆硬,柔性减弱。但是掺入改性剂后,沥青拉伸强度升高,拉伸破坏吸收的能量增多,沥青路面发生裂缝所需能量也就越大。因此,在掺加玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3时应综合考虑改性剂对沥青低温柔度减弱和强度提升的作用,选取合理的改性剂掺量。

2.4 表观黏度

采用布氏旋转黏度仪对复合改性沥青的135℃表观黏度进行测试,得到试验结果如图4所示。

图4 复合改性沥青表观黏度试验结果Fig.4 Apparent viscosities of compound modified asphalt

由图4可以看出,随着纳米TiO2/CaCO3掺量的增大,复合改性沥青的黏度不断增大,但是当纳米TiO2/CaCO3的掺量足够大时,黏度的增幅减小。当玄武岩纤维掺量分别为2%、3%、4%和5%时,纳米TiO2/CaCO3掺量为7%时比1%时复合改性沥青黏度增量较大,增幅分别为19.5%、25.6%、25.8%和22.7%。表明掺入改性剂可有效增强沥青的黏结力,提高沥青的黏结强度。这主要有两方面原因:其一是因为沥青黏度的提高主要是由于沥青中轻质组分被纤维和纳米颗粒吸收,使得沥青中胶质和沥青质增多,黏结力增强;另外就是由于玄武岩纤维和纳米颗粒在沥青中分布形成网络交联结构,增强了复合改性沥青的黏结力,使得沥青黏度升高。

3 复合改性沥青流变性能分析

沥青是一种典型的黏弹性材料,随着温度的变化而表现出明显不同的力学性能。对其高低温流变性能进行分析有助于全面了解沥青的性能特征,更好地评价玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3的改性效果。本文采用动态剪切流变仪(DSR)和低温弯曲梁流变仪(BBR)对复合改性沥青的高低温流变性能进行测试,以评价改性材料的改性效果。

3.1 动态剪切流变性能

对复合改性沥青的高温动态剪切流变性能进行测试,试验温度为64℃,测试频率为10 rad/s,测试得到16组复合改性沥青的复模量和相位角如图5所示。

由图5可以看出,掺入玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3后,复合改性沥青的复模量均有所提高,且随着掺量的增大而逐渐升高。但是当玄武岩纤维掺量为4%和5%时,在纳米TiO2/CaCO3掺量超过5%后复模量减小。复模量反映了沥青的变形协调性能,复模量越大,抵抗变形能力越好。因此,掺入改性材料有助于提升沥青的抗永久变形能力。但是当纤维和纳米TiO2/CaCO3掺量过高时,沥青中纤维束容易发生结团现象,导致沥青中产生薄弱点,使得复模量降低。

图5 复合改性沥青动态剪切流变试验结果Fig.5 DSR results of compound modified asphalt

另外由图5(b)可知,掺入玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3后沥青相位角有所降低,但是降低幅度并不明显。玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3掺量为(2%,1%)时相位角比二者掺量为(5%,7%)时相位角仅高0.5°。相位角表征了沥青中弹性成分和黏性成分的比例大小,相位角越大,沥青中黏性成分越多。由此可知,掺入改性材料能够增大沥青中弹性成分比例,但是增大效果并不明显。

3.2 低温弯曲梁蠕变性能

采用弯曲梁流变仪对复合改性沥青的低温弯曲梁蠕变性能进行测试,试验温度为－18℃,测试得到16组复合改性沥青的60 s劲度模量S值和蠕变速率m值如图6所示。

图6 复合改性沥青低温弯曲蠕变试验结果Fig.6 BBR results of compound modified asphalt

由图6(a)可以看出,掺入玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3后,沥青低温弯曲劲度模量升高,且呈现随着掺量增大先升高后减小的趋势。这主要是因为掺入改性材料后,沥青中轻质组分被玄武岩纤维和纳米颗粒吸收,使得重质组分相对比例升高,沥青更加脆硬。另外纳米颗粒分散于沥青中具有增黏作用,玄武岩纤维能够形成桥接交联网络,在二者的综合作用下使得沥青的低温劲度模量明显提高。而当改性材料的复合掺量过高时,纳米颗粒和玄武岩纤维对沥青中轻质组分的吸收达到饱和,使得多余出来的纤维容易发生结团,形成受力薄弱区域,反而使得劲度模量降低。

蠕变速率反映了沥青的应力松弛能力,蠕变速率m值越大,沥青内部应力松弛的越快,也就越不容易产生裂缝。由图6(b)可知,掺入玄武岩纤维和纳米TiO2/CaCO3后沥青蠕变速率有所上升,但是当二者复合掺量较高时,蠕变速率随掺量增大而下降。表明同时掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维有助于提升沥青的低温应力松弛能力,但是应将复合改性材料的掺量控制在合理范围内。

4 结 论

(1)掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维可有效提升沥青的高温稳定性,增强其黏结力与抗剪切强度,利于提高沥青的抗永久变形能力。

(2)掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维降低了沥青的拉伸延展性,低温柔度下降;提高了沥青低温弯曲劲度模量与蠕变速率,掺入合理掺量的复合改性材料有助于提高沥青的低温应力松弛能力,增强低温抗裂性能。

(3)同时掺入纳米TiO2/CaCO3和玄武岩纤维可综合发挥二者的性质特征,对沥青高低温性能的影响具有叠加效应。

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