纳米黏土改性沥青及其混合料老化性能研究.pdf

为了研究纳米黏土改性沥青及其混合料的老化性能，通过布氏黏度试验、弯曲梁流变试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和低温弯曲试验测定 基质沥青和纳米黏土改性沥青结（混）合料室内模拟热氧老化后的黏度、劲度模量 、蠕变速率 、残留稳定度比 、劈裂强度比 和梁底最大弯拉应变。结果表明，添加纳米黏土可改善沥青的高、低温性能，并使其混合料的抗水损害能力和低温抗裂性能增强。另外，纳米黏土的加入可显著降低老化对其改性沥青结（混）合料高温性能、水稳定性和低温抗裂性能的影响，表明纳米黏土可有效提高其改性沥青及其混合料的抗老化性能。关键词道路工程；纳米黏土；沥青混合料；老化性能 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，），；第 期任毅，等：纳米黏土改性沥青及其混合料老化性能研究 引言沥青路面采用具有黏弹特性的沥青作为黏结材料，可使其路面具有行车平稳舒适、噪音小、维修养护方便等优点 。然而，受施工期间高温热氧与服务期间复杂气候环境等不利因素的影响，沥青路面中的沥青易发生挥发、氧化和聚集等一系列理化老化问题 ，使沥青变硬变脆，进一步引起路面结构的恶化，路面抗水损害能力和低温抗裂性能急剧减弱，严重降低沥青路面的服务年限 。因此，为解决沥青路面因老化而导致其易损坏和服务年限减少的问题，急需提高沥青混合料的抗老化性能。目前，常见的改善沥青老化性能的手段是添加抗老化 材 料，如 抗 氧 化 剂、防 老 剂 和 纳 米 材 料等 。其中，纳米材料凭借其比表面积极大和尺寸效应等优异特性以屏蔽紫外线或隔绝氧气等方式来改善沥青老化性能，主要包括纳米黏土 、纳米 、纳米 、石墨烯 、氧化石墨烯 等。但是，除纳米黏土具有制备工艺简单、生产成本低、绿色环保等优势外 ，多数纳米材料均为工业合成制造，其生产成本相对较高，并会对环境造成不同程度的污染。基于此，许多学者研究了纳米黏土对沥青结（混）合料性能的影响，发现其可改善沥青结（混）合料的高温性能和水稳定 性，对 其 低 温 性 能 的 影 响 尚 未 得 到 统 一 定论 。此外，对于抗老化性能，多数集中于研究纳米黏土改性沥青老化性能，极少数研究其混合料的抗老化性能。因此，为评价纳米黏土改性沥青及其混合料的抗老化性能，本研究通过布氏黏度仪（）、弯曲梁流变仪（）试验、水稳定性试验和低温弯曲试验来研究老化对纳米黏土改性沥青及其混合料的高低温流变性能、抗水损害能力和低温抗裂性能的影响，对其工程应用推广具有重要的理论研究意义。试验材料和试验方法 试验材料 沥青本研究采用的控制沥青为湖南岳阳某公司生产的 基质沥青，其主要技术指标如表 所示。表 沥青的主要技术指标 类别针入度（）（）软化点 延度（）技术要求 纳米黏土纳米黏土采用河北某矿产品公司生产的有机胺阳离子改性蒙脱石（），其主要技术指标如下：蒙脱石含量为 ，含水量 ，层间间距为 ，表观密度为 。集料采用均产自湖南新化的玄武岩、石屑和矿粉分别作为混合料的粗集料、细集料和填料，相关的性能技术指标分别见表 和表 。表 玄武岩的技术指标 测试骨料尺寸 表观相对密度吸水率 针片状颗粒含量 棱角性 压碎值 洛杉矶磨耗损失 技术要求 表 矿粉的技术指标 性能表观相对密度含水量 塑性指数 亲水系数测试值 技术要求 纳米黏土改性沥青制备基于现有研究，纳米黏土掺量为 ，采用高速剪切混合器制备纳米黏土改性沥青（简称为 ），其制备流程见图。制得的 纳 米黏图 纳米黏土改性沥青制备流程 公路工程 卷土改性沥青的三大指标见表 ，软化点和延度增大，针入度减小，高、低温性能显著提高。配合比设计为研究老化对纳米黏土改性沥青混合料的影响，依据 公路沥青路面施工技术规范（），本研究采用 型密级配混合料成型沥青混合料试件，其合成级配见表 。采用马歇尔试验方法分别测定 基质沥青和纳米黏土改性沥青混合料中沥青含量为 、和 时马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、稳定度、矿料间空隙率、有效沥青饱和度和流值，确定了两种沥青混合料的最佳油石比分别为 和。表 合成级配 筛孔直径 级配范围合成级配 试验方法 老化模拟试验根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（），分 别 采 用 薄 膜 加 热 试 验（）和压力老化仪试验（）来模拟沥青在施工期间和使用期间的老化，即短期老化和长期老化。相应地，混合料的短期老化是将拌制好的松散混合料置于 强制通风烘箱中 ；长期老化是将短期老化后的松散混合料成型试件，后将其置于 强制通风烘箱中 。沥青试验为评价 老化对纳米黏土改性沥青高、低温性能的影响，分别采用布氏黏度仪和弯曲梁流变仪（）测定两种沥青老化前后的布氏黏度、劲度模量 和蠕变速率 。其中，布氏黏度测定温度为 、和 ；测试温度为 和 。沥青混合料试验为评价评价纳米黏土改性沥青混合料的抗老化性能，分别测定了不同老化程度下各沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性能。其中，水稳定性分别通过浸水马歇尔和冻融劈裂试验得到残留稳定度比（）和劈裂强度比（）来评价。低温抗裂性能则采用低温弯曲试验得到的 下混合料破坏时梁底最大弯拉应变（）来评价。结果与讨论 沥青流变性能 黏度采用 试验测试得到的老化前后两种沥青在 、和 温度下的黏度变化结果如图 所示。由图 可看出，所有沥青的黏度随温度的变化结果符合物质热运动理论，即随温度的升高而减小。与 基质沥青相比，添加纳米黏土可使 基质沥青的黏度增大，高温性能得到明显地改善。主要原因是添加具有层状硅酸盐成分的有机纳米黏土可均匀分散于沥青并相互作用形成稳定的三维网状结构，有效地抑制了沥青分子的热运动，从而提高沥青高温性能 。老化过程中沥青发生氧化老化，组分由芳香分胶质沥青质方向转变且轻组分挥发，导致极性强且分子量大的沥青质和胶质含量增多，轻组分含量减少 ，导致两种沥青的黏度均增大，使沥青变得更硬更脆。对比 基质沥青和 改性沥青在 条件下老化前后黏度分别增大 和 ，结果表明添加层状有机纳米黏土可有效改善沥青的老化性能。图 各沥青黏度试验结果 低温流变性能图 为 试验测试得到的不同老化程度下两种沥青在 和 的 和 。其中，越小、越大，则说明沥青的低温性能越好。第 期任毅，等：纳米黏土改性沥青及其混合料老化性能研究（）（）图 不同老化程度下各沥青的 和 由图 可 看 出，无 论 老 化 前 后，当 温 度 从 降低到 时，所有沥青的 增大而 减小，表明温度的下降会使沥青刚度增大而蠕变松弛能力减小，低温流变性能降低，容易发生开裂。与 基质沥青相比，添加纳米黏土可使 基质沥青 在 温 度下的 减 小 ，增 大 ，表明纳米黏土的加入可使 基质沥青的劲度模量减小而蠕变松弛能力增大，从而提高其低温抗裂性能。与 和 等 的研究一致，添加层状有机纳米黏土与沥青具有良好的相容性，可均匀分散于沥青中并形成稳定的三维交联插层结构，有效提升沥青低温条件下的蠕变松弛能力，从而改善沥青低温性能。老化后，两种沥青的 均增大而 均减小，表明氧化老化会使沥青的劲度模量增大而蠕变松弛能力减弱，导致其低温抗裂性能显著下降。对比 基质沥青和 改性沥青在 条件下老化前后 分别增大 和 ，而 分别减小 和 ，表明添加比表面积极大的纳米黏土可有效降低老化对其劲度模量和蠕变松弛能力的影响，进而提高其抗老化性能。沥青混合料性能 水稳定性采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测试得到的不同老化程度下各沥青混合料的水稳性能试验结果如图 所示。其中，为浸水 后的残留稳定度 与未浸水的稳定度 的比值，为冻融循环后的劈裂抗拉强度 与未冻融循环的劈裂抗拉强度 的比值。和 的值越大，表明沥青混合料集料表面沥青膜的抗水剥落能力越强，则其抗水损坏能力越强。（）老化前后各沥青浸水马歇尔试验（）老化前后各沥青冻融劈裂试验图 不同老化程度下各沥青的水稳定性 由图 可看出，老化前，与 基质沥青相比，纳米黏土改性沥青的稳定度和劈裂抗拉强度均增大，表明添加纳米黏土可使 基质沥青的刚度增大，从而改善沥青混合料的高温稳定性。同时，纳米黏土改性沥青混合料的 和 分别比 基质沥青混合料的大 和 ，表明添加纳米黏土可显著增强混合料中集料表面沥青膜的抗水剥落能力，从而改善其水稳定性。公路工程 卷此外，对比老化前后各沥青的稳定度和劈裂抗拉强度发现，由于沥青混合料在长期老化过程中沥青易发生轻组分挥发与热氧老化等理化反应，导致沥青的刚度增大、沥青变脆变硬，从而使各沥青混合料的稳定度和劈裂抗拉强度均增大。但是，老化后各沥青混合料的 和 明显减小。结果表明老化虽然可使沥青内部之间的黏聚力增强，但却大大地减小了沥青与集料间的黏附力，从而导致集料表面沥青膜的抗水剥落能力显著减弱，其水稳定性能降低。此外，与未老化沥青混合料相比，长期老化使 基质沥青混合料的 和 分别减小 和 ，使纳米黏土改性沥青混合料的 和 分别减小 和 。结果表明添加纳米黏土可减弱老化对沥青混合料水稳定性的影响，进而说明纳米黏土的加入可使沥青混合料的抗老化性能增强，延长其使用寿命。基于以上结果进行分析，沥青抗水损害能力的强弱主要取决于沥青分子间黏聚力和沥青与集料间黏附力 。对于基质沥青混合料，老化过程中易发生氧化老化、轻组分挥发、大分子组分聚集等理化反应，极易吸附水的极性大分子组分含量增多，沥青对集料表面的浸润效果变差，与集料的黏附力下降，导致水极易侵入沥青混合料内部而使分子软化，黏聚力进一步减弱，导致其抗水损害能力显著降低 。对于纳米黏土改性沥青混合料，其水稳定性增强的主要原因是添加纳米黏土可有效提高沥青的表面自由能及其与集料间的黏附力 。此外，老化对其水稳定性影响较小的原因是添加具有层状结构的有机纳米黏土与沥青形成稳定的三维交联插层结构，热氧入侵和轻组分挥发的路径延长，有效降低沥青老化速率，从而提高其水稳定性 。低温抗裂性能图 为两种沥青混合料老化前后的弯曲试验结果。其中，表示沥青混合料的抗极限变形能力，其值越大，其低温抗裂性能越好。由图 可看出，未老化前，纳米黏土改性沥青混合料的 值比 基质沥青混合料的大 ，表明添加纳米黏土可使沥青混合料低温条件下的抗极限变形能力增强，进而增强其低温抗裂性能，与前文 研究结果一致。同时，对比老化前后各沥青混合料的值，老化后 基质沥青混合料的 值降低 ，纳米黏土改性沥青混合料的 值降低 ，结果表明老化后沥青混合料的刚度增大、变脆变硬，低温条件下抗极限变形能力减弱，致使其老化后的低温抗裂性能减弱。此外，老化后纳米黏土改性沥青混合料的 值降低幅度较 基质沥青混合料的小，表明添加纳米黏土可改善老化对沥青混合料低温抗裂性能。究其原因，层状纳米黏土均匀分散于沥青中并形成稳定的三维交联插层结构可有效抵抗老化过程中热氧的入侵和轻组分的挥发，抑制老化对沥青组分含量和分布排列的变化，从而降低老化对沥青混合料抗裂性能的影响。图 各沥青混合料的低温弯曲测试结果 结论 纳米黏土的加入可有效改善沥青的高、低温性能，并提高其混合料的抗水损害能力和低温抗裂性能。老化后，纳米黏土改性沥青的黏度、和的变化幅度更小，表明纳米黏土可改善沥青的老化性能。老化后使沥青混合料的 、和 均减小，但纳米黏土改性沥青混合料的降低率更小，表明纳米黏土可有效抵抗老化对沥青混合料抗水损害能力和低温抗裂性能的影响。参考文献 张旭清 公路沥青路面施工工艺及质量管控 交通世界，（）：赵婷，高明星，赵毕力格，等 竹粉改性沥青高温流变性能研究 森林工程，（）：?，?，：，（下转第 页）第 期李徐，等：基于生物油表面修饰的 改性沥青性能研究 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