膨润土纳米材料改性沥青的可行性及路用性能研究

刘 轲，许宁乾

（1.山西交通控股集团有限公司，山西 太原 030006；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

膨润土是一种片层硅酸盐的天然矿物，主要成分是蒙脱石，在国内外的资源十分丰富，分布甚广[1]。天然膨润土以及经过机械加工、无机化学处理后的天然膨润土均属于无机膨润土，无机膨润土具有较好的黏结性和吸附性[2]。但这种特性只能在极性较强的溶剂如水中才能体现，对于非极性或弱极性溶剂如溶剂油、苯和沥青等则表现不出这种特性[3]。近些年，众多研究发现有机化改性后的膨润土很容易与聚合物基体形成纳米复合材料，且有机化膨润土不会改变膨润土的纳米材料特性，从而达到纳米材料所具备的优异性能[4]。这相当于有机化膨润土充当了中介作用，架起了膨润土与聚合物形成纳米复合结构的桥梁。同时膨润土有机化过程简单易行，有机插层剂廉价易获取[5]。

因此，基于纳米材料的优势，本文以膨润土为试验材料，制备了无机膨润土和有机化膨润土纳米材料改性沥青，展开了常规性能、储存稳定性能等系统的路用性能测试，正确地认识膨润土对沥青的改性效果，为膨润土改性沥青在后续的研发中奠定理论基础。对于膨润土在沥青路面的推广应用和我国公路交通事业的可持续发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 原材料及改性沥青的制备方法

1.1 原材料

膨润土的微观结构及其参数见图1及表1。

图1 膨润土微观结构

表1 膨润土技术参数

1.2 改性沥青制备方法

a）按照沥青三大常规物理性能指标、储存稳定性等试验要求的沥青用量大约计算每种掺量下的基质沥青用量为400 g左右。

b）根据a）中沥青用量及膨润土掺配比例（外掺），准备膨润土试验样品。

c）将称好的基质沥青放入金属容器中，并在电炉上加热至140℃～150℃，称取膨润土并缓慢加入沥青中（控制在5 min内），添加结束后升温至170℃～180℃，利用高速剪切乳化机搅拌，控制剪切速率5 000 r/min，剪切时间50 min。

d）高速剪切乳化机剪切结束后，人工搅拌60 min以确保良好的发育，即得膨润土沥青基纳米复合材料（人工搅拌过程保持温度170℃～180℃）。

2 试验结果

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ E20—2011）[6]的试验方法测试了不同掺量膨润土改性沥青的三大指标的变化，以及膨润土对不同标号基质沥青的适用性情况。其基本物理性能见表2、表3。

表2 不同掺量无机膨润土改善伦特70号、盘锦90号沥青的试验指标

表3 不同掺量有机膨润土改善伦特70号、盘锦90号沥青的试验指标

由表2和表3可以看出：a）针入度随膨润土掺量的增加呈降低趋势，表明无机、有机膨润土均可以改善基质沥青的高温性能；b）对于同种基质沥青而言，相同掺量下有机膨润土的针入度要低于无机膨润土，表明有机膨润土对沥青高温性能的改善作用要优于无机膨润土；c）有机膨润土掺量增加到3%～4%以后，针入度降低程度不明显，表明有机膨润土的掺量不宜超过一定的范围。

由表也可得到10℃延度随膨润土掺量的增加而降低，说明膨润土对沥青的低温抗裂性能有负面影响。尤其是在掺量为3%～4%以后，延度下降幅度变大，这是沥青稠度增加从而变得硬而脆的结果。膨润土掺量在3%～4%时，10℃延度大约降低25%左右，在可控范围内，可通过复配橡胶类添加剂来改善。

3 膨润土改性沥青的储存稳定性

3.1 相容性

无论是无机膨润土还是有机膨润土，其与沥青的相容性很大程度上和亲水性、亲油性有关[7]。沥青是经过石油加工提炼得到的有机材料，属于油类[8]。无机膨润土属于天然无机矿物，具有亲水性、疏油性[2]。而本文有机膨润土是无机膨润土经过有机季铵盐类加工处理得到。一般而言，亲水性越差则亲油性越好，和沥青的相容性就越优。为探究无机膨润土和有机膨润土与水、油的相容性状况，对两种膨润土进行了亲水、亲油性测试。具体步骤为：

a）取4支相同的试管并编号为1、2、3、4，使其放置在有载管台的天平上。向试管1、2中分别加入相同质量的蒸馏水，向试管3、4中分别加入相同质量的煤油。使4支试管中的液体高度大约占试管高度的3/4。

b）向试管1、4中加入质量分数为3%的无机膨润土，试管2、3中加入相同质量分数的有机膨润土。完成后将4支试管搅拌均匀，可用手指捂住试管口，使试管上下倒置、晃动，使溶液和溶剂完全接触。经过1 min、1 h后观察其沉淀状况，如图2所示。

图2 膨润土亲水性、亲油性测试

由图2a所示，短时间内试管1、3中的溶液保持均匀状态，试管2中的有机膨润土迅速分层，试管4属于部分分层，表明有机膨润土与水的相容性较差，即有机膨润土有较强的疏水性，无机膨润土有较强的疏油性，但其疏油性要小于有机膨润土的疏水性。由图2b可看出，随时间的延长，4支试管均趋于稳定状态。其中试管1、3仍保持均匀状态，试管2、4有明显的分层，充分说明了无机膨润土具有亲水性和疏油性，有机膨润土具有较强的疏水性和亲油性，该结论为有机膨润土能与沥青较好地相容奠定了基础。

3.2 储存稳定性

对不同掺量的无机、有机膨润土沥青纳米复合材料进行离析试验。通过软化点差值来评价无机膨润土、有机膨润土对沥青储存稳定性的影响。由测试得到的软化点差值绘制成柱状图，如图3。

图3 膨润土掺量及种类对沥青储存稳定性的影响

随着掺量的增加，两种膨润土沥青基纳米复合材料的软化点差值均有提高；相同掺量下掺无机膨润土要明显高于掺有机膨润土，表明无机膨润土与沥青的相容性较差。这是由于无机膨润土的疏油性以及有机膨润土经过有机季铵盐插层处理表现为亲油性所致，掺有机膨润土的软化点差在4%掺量以后会有大幅度的上升。

4 结论

a）膨润土降低了伦特70号、盘锦90号沥青的针入度，提升了软化点，表明膨润土可以提高沥青的高温性能，但同掺量下有机膨润土对高温性能的提升要优于无机膨润土。

b）在有机膨润土改善伦特70号、盘锦90号沥青中，掺量分别达到4%、3%以后，针入度、软化点的变化量逐渐变小，即有机膨润土到一定掺量后，对沥青高温性能的提升不明显。10℃延度随膨润土掺量的增加而降低，说明膨润土对沥青的低温抗裂性能有负面影响。

c）无机膨润土具有较好的亲水性和疏油性，而有机膨润土具有较强的疏水性和亲油性。

d）膨润土的加入影响了沥青的储存稳定性，且掺量越大，储存稳定性越差。相同掺量下，有机膨润土的软化点差要远小于无机膨润土，有机膨润土与沥青的相容性较好。