OMMT/SBR复合改性沥青流变性能研究

江晓晓,陈艳艳,王宁,何青云,苏兴赛

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450000)

相较于其他路面材料,沥青在路面领域的应用呈现出诸多优势[1]。沥青作为一种黏附性很强的材料,可以有效提高路面结构强度、延长使用寿命。然而,普通的沥青在使用过程中,经常遇到高温车辙和低温开裂等问题。在沥青中加入改性剂旨在提高沥青的综合性能。目前对改性剂的研究有聚合物、纳米材料等[2]。

通过使用聚合物改性沥青,可以提高沥青的高低温性能与抗疲劳性能等[3-5]。丁苯橡胶(SBR)是一种常用改性剂,它在沥青饱和分和芳香分的作用下溶胀并与沥青有机官能团反应,产生新化学键以改善沥青低温抗裂性能、弹性恢复率以及黏附性能等[6-7]。但是聚合物改性沥青还存在着许多缺点,比如相容性差、对于改性沥青性能改善并不显著等。而纳米材料因其较小的粒径、较高的比表面积、良好的相容性以及良好的物理性质,作为沥青改性剂得到了广泛应用[8]。对蒙脱土进行有机改性,可以得到具有更低表面自由能和更强亲油性的有机蒙脱土。通常情况下,有机蒙脱土与聚合物进行复合对沥青进行改性,以增强沥青性能[9]。

本文分别对SBR改性沥青与有机蒙脱土(OMMT)/SBR复合改性沥青进行基本性能指标试验、DSR,BBR试验,分析其高低温性能。

1 原材料

1.1 基质沥青

本试验所选用的沥青为70#基质沥青。根据试验规程[10],对基质沥青进行常规性能的检测,结果如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.2 有机蒙脱土

试验所用OMMT为浙江某公司提供,其主要技术指标如表2所示。

表2 有机蒙脱土技术指标

1.3 丁苯橡胶

试验中使用的SBR为天津某公司生产,其外观为米色粉状,主要参数如表3所示。

表3 SBR技术指标

2 试验方法

2.1 改性沥青的制备

2.1.1 SBR改性沥青制备

将70#基质沥青放入烘箱中,设定温度为160 ℃,接着加热基质沥青至流动状态。之后,将一定质量的基质沥青放于电炉上,使其温度保持在160 ℃左右。加热过程中不断用玻璃棒进行搅拌,边搅拌边加入一定掺量的SBR,直至SBR完全融于基质沥青中。以4 500 r/min的速度,剪切40 min,之后将高速剪切机速度降至1 500 r/min,剪切15 min。剪切完成后,使沥青进行溶胀发育1 h,即制备出改性SBR沥青。

2.1.2 OMMT/SBR复合改性沥青制备

将70#基质沥青放入烘箱中,以160 ℃温度加热其至流动状态,之后取出一定质量的基质沥青,放于电炉上,使基质沥青的温度保持在160 ℃左右。加热过程中不断用玻璃棒搅拌,边搅拌边加入称取好的有机蒙脱土,直至有机蒙脱土完全融于基质沥青,在此基础上,使用高速剪切机以4 000 r/min的速度剪切45 min,剪切完成之后,将一定掺量的SBR以同样方式加入已经剪切好的有机蒙脱土改性沥青中,调整转速为4 500 r/min,剪切40 min,然后将转速降到1 500 r/min,剪切搅拌时间15 min,完成后进行溶胀发育1 h,即制得有机蒙脱土/SBR复合改性沥青。

2.2 动态剪切流变试验

对基质沥青、SBR改性沥青、OMMT/SBR复合改性沥青采用DSR温度扫描试验,采用25 mm平行板,试验温度在46～82 ℃区间进行,以6 ℃为一个间隔。

2.3 弯曲蠕变劲度试验

本文采用BBR试验在-12,-18,-24 ℃的温度下,对基质沥青、SBR改性沥青、复合改性沥青进行弯曲流变试验,研究其低温抗裂性能。

3 试验结果与分析

3.1 常规性能试验

在试验中,测试了基质沥青、4%SBR改性沥青、3%OMMT/4% SBR复合改性沥青的三大指标常规性能。试验结果见表4。

表4 基本性能测试结果

由表4看出,与向沥青中单独掺加SBR改性剂相比,OMMT/SBR复合改性沥青的针入度明显小于基质沥青和SBR改性沥青,OMMT/SBR复合改性沥青的针入度较基质沥青降低了20.79%,较SBR改性沥青减小了11.44%,这表明在基质沥青中掺入SBR和OMMT可以提升沥青稠度。

OMMT的掺入增高了复合改性沥青的软化点,OMMT/SBR复合改性沥青的软化点比基质沥青提升了20.87%,比SBR改性沥青增加了14.93%,这说明了OMMT对改性沥青的高温性能有着明显的提高改善效果。在延度方面,复合改性沥青的延度降低,OMMT对沥青的低温性能有一定的负面影响。

3.2 动态剪切流变实验

采用DSR试验对基质沥青、SBR改性沥青、OMMT/SBR复合改性沥青三种沥青进行高温抗车辙能力的评价。试验结果如图1所示。

图1 不同沥青的相位角和车辙因子图

如图1(a)所示,在46～82 ℃的温度范围内,三种沥青的相位角随温度的升高呈现出正比例趋势,这是因为沥青性状受热变软,其粘性比例增加,沥青由弹性态向粘性态转变,对外表现为改性沥青的抗车辙能力下降。温度相同时,三种沥青δ的大小关系为:基质沥青>SBR改性沥青>OMMT/SBR复合改性沥青,这说明随着OMMT的掺入改变了沥青的黏弹性,使得沥青中的弹性物质与黏性物质的比例提升,在温度较高的环境中,沥青受到外界作用而变形时,有更好的弹性恢复能力,从而使OMMT/SBR复合改性沥青的弹性性能表现得更好,其具有更佳的抵抗永久变形的能力。

根据图1(b)可知,在46～82 ℃温度条件下,车辙因子G*/sinδ随温度的增加而降低,说明沥青抵抗高温变形的能力与温度呈现相反关系,温度越高,高温条件下抵抗车辙的性能越不佳。同一温度条件下,三种沥青G*/sinδ的大小关系为复合改性沥青大于单一改性沥青、大于基质沥青,这说明OMMT对改性沥青的高温性能具有良好的正面影响。OMMT/SBR复合改性沥青的高温抗塑性变形能力强于其余两种沥青,能够更好地抵抗行车荷载,减少车辙变形。

根据上述分析,可知OMMT与SBR的掺入使沥青相位角、车辙因子都趋向于好的形式发展,OMMT与SBR作为复合沥青改性剂掺入沥青中,其拥有比单一材料改性沥青更佳的高温稳定性。

3.3 低温弯曲流变试验

在试验温度为-12,-18,-24 ℃时,对基质沥青、SBR改性沥青、OMMT/SBR复合改性沥青进行低温弯曲流变(BBR)试验。试验结果如图2所示。

图2 三种沥青不同温度下蠕变劲度

由图2可以看出,在-12～-24 ℃的温度范围内,三种沥青的劲度模量都呈现出升高的趋势,其中基质沥青的增幅最为明显,反映出当温度逐渐降低时,沥青的弹性应力也随之降低,沥青逐渐变硬,具有更显著的脆性,低温柔韧性变差。三种沥青劲度模量S数据的数值大小关系为:基质沥青>OMMT/SBR复合改性沥青>SBR复合改性沥青。这说明,SBR的加入使沥青的脆性减小,并对其在低温下的应力松弛性能有提升效果,增加了其柔韧性,从而改善了其低温性能,OMMT的加入对沥青的低温性能有一定程度的不利影响。

从图3可以看出,基质沥青、SBR改性沥青与OMMT/SBR复合改性沥青的蠕变速率m值变化趋势相同,都会随着温度的降低而降低。这说明,温度越低,沥青温度应力的松弛速度越小,沥青即拥有越差的应力分散性,在低温状态下更易开裂。在同样的低温条件下,SBR改性沥青m值最大,OMMT/SBR复合改性沥青次之,二者蠕变速率均大于基质沥青。这说明掺入SBR使沥青在低温条件下不易产生温度应力,沥青应力分散的能力强。

图3 三种沥青不同温度下蠕变速率

4 结论

1)OMMT/SBR复合改性沥青相较于其他两种沥青,具有更低的针入度,更高的软化点。OMMT/SBR复合改性沥青针入度分别比基质沥青和SBR改性沥青下降了20.79%,11.44%,软化点分别升高了20.87%,14.93%。

2)随着温度的升高,OMMT/SBR复合改性沥青的相位角δ随温度的增加而增加,车辙因子逐渐减小;在相同温度下,OMMT/SBR复合改性沥青相较于基质沥青、SBR改性沥青,车辙因子为更大状态,这说明OMMT对沥青的高温性能和抗永久变形性能有着良好的改善作用。

3)相较于SBR改性沥青,复合改性沥青的蠕变劲度S升高,蠕变速率m值则降低。这表明OMMT的加入会对沥青的低温性能产生不利影响。