納米復合改性瀝青路面灌縫密封膠性能測試研究

彭 燕

(楊凌職業技術學院,陜西 咸陽 712100)

瀝青路面因其優點而被廣泛應用于道路工程,包括施工期短、噪音低、安全、駕駛舒適、可回收性等。隨著交通量和車輛負荷的快速增長,發生了嚴重的瀝青路面損壞,道路維護措施逐漸成為保證服務績效的關鍵。在許多類型的路面損壞中,路面開裂是最常見的損壞形式之一,不僅破壞了路面的完整性,還會導致水滲透,軟化了底座,削弱了底座的承載力,并對道路造成結構性損壞。瀝青路面造成的大多數污染是由瀝青耐用性差造成的路面損壞造成的二次環境污染。使用瀝青覆蓋地球作為路面曾經被認為與環境友好性背道而馳。然而,道路破壞造成的翻新造成的環境污染無疑將導致更嚴重的環境退化。工程實踐表明,裂紋密封是處理路面開裂類型損壞的有效方法。因此,人們越來越關注對密封材料的研究,并按照時代的要求出現了各種類型的密封膠。其中,加熱瀝青密封膠因其出色的裂紋密封效果和低廉的價格而被廣泛應用于道路維護項目。鑒于橡膠改性瀝青具有優異的抗變形和抗裂紋性能,本文使用CNTs/SBS對瀝青進行改性,以研究瀝青路面灌縫密封膠材料的優化性能。

1 瀝青路面灌縫密封膠的應用現狀

裂縫是瀝青路面的主要問題。密封膠是最常用的裂紋修復材料之一,其性能是影響瀝青路面使用壽命的關鍵。然而,填充道路裂縫后留在表面的密封材料將直接暴露在自然環境中,并不斷暴露在陽光下?，F場調查表明,暴露在陽光直射下的瀝青路面的最大溫度可以超過60攝氏度。連續的高溫可能會導致密封膠老化,機械性能過早下降,以及與道路的粘合力降低,這意味著瀝青很容易被車輛帶走。因此,提高密封材料的高溫穩定性很重要[1-2]。

瀝青密封膠材料主要由基質瀝青、橡膠粉末、各種聚合物、軟化劑、填料等組成,并通過引入不同的廢料/原始聚合物來提高瀝青密封膠/乳劑的性能。有多種聚合物改性瀝青,其中最常見的是使用橡膠粉末作為改性劑的橡膠改性瀝青。熱塑性橡膠改性瀝青包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-異戊二烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)和其他嵌段共聚物的改性?；跇渲臑r青改性包括添加聚乙烯(PE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)。Zhang等人選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)作為改性劑,制備了一種新型的瀝青路面密封膠,研究發現,SBS可以在瀝青中形成穩定的網絡結構,提高瀝青的柔性。不過,由于使用單一聚合物制備的改性密封膠材料在性能上存在缺陷(例如缺乏抗熱老化能力等),有些研究人員提出將碳納米管(CNTs)、納米粘土、納米二氧化鈦等納米材料作為改性劑添加到瀝青中,在納米維度上改變材料的整體性能。其中,CNTs具有質量輕、穩定性好、強度高等優點,因此在改性瀝青材料領域具有較大的應用潛力[3-4]。

2 利用CNTs/SBS對瀝青材料灌縫密封膠改性

2.1 準備材料

選擇瀝青粘合劑作為制備密封膠的基礎粘合劑,表1列示該種瀝青粘合劑的基本性能指標,即為:針入度、軟化點、動力粘度和延度。其中,針入度越大,表示瀝青越軟,黏度越小; 軟化點越高,表示耐熱性越好;延度值越大,表示塑性越好;瀝青的60 ℃動力黏度越大,則瀝青的高溫抗車轍效果越好。

表1 純瀝青的基本特性

星形SBS聚合物和99%純度多壁CNT的特性如表2和表3所示。此外,本研究選用糠醛抽出油(FEO)作為改性密封膠的增容劑,因為FEO中的有機芳香化合物可以改善SBS的溶脹效應,增強SBS和瀝青之間的相容穩定性[5-6]。

表2 SBS的主要特性

表3 CNTs的主要特性

表4 CNTs/SBS改性瀝青灌縫密封膠的流動值

2.2 制備過程

CNTs呈黑色粉末狀,容易形成自聚。SBS的表面是蓬松多孔的白色顆粒,SBS的交聯代表了SBS的星形結構。為了避免CNTs的團聚影響其在瀝青中的分散效果,同時考慮到CNTs的高比表面積,容易吸附在蓬松多孔材料的表面。因此,在本研究中,首先將SBS加入到含有CNTs的容器中,然后人工攪拌2種改性劑,得到CNTs/SBS復合改性劑。由于2種改性劑的顏色不同,可以通過2種改性劑混合前后的顏色變化來判斷2種改性劑是否混合均勻[7-8]。一方面,這種方法可以將CNTs充分吸附在SBS顆粒表面;另一方面,通過研磨可以將結塊的CNTs分散在SBS顆粒之間。最后,將CNTs/SBS復合改性劑加入到基質瀝青中。然后,進行改性瀝青密封膠的制備。

使用電動攪拌器、高速剪切機和加熱套制備CNTs/SBS改性瀝青密封膠。首先,將基礎瀝青加熱到流動狀態,然后在170 ℃下加入FEO,待攪拌均勻后,加入CNTs/SBS復合改性劑,用電動攪拌器以800 rp/m的速度攪拌膨脹30 min。其次,溫度上升到180 ℃,用高速剪切機以4 000 rp/m的速度剪切50 min。最后,溫度降低到170 ℃,用電動攪拌器以500 rp/m的速度攪拌混合物40 min,得到CNTs/SBS改性的瀝青密封膠[9-10]。

過多的CNTs會導致結塊的問題,所以結合已有研究設置了不同規格的改性劑含量。在本研究中,根據CNTs含量(0.5%和1%)的不同制備了2種改性瀝青密封膠; 另外,SBS改性劑的含量為5%,FEO為3%。上述含量是以占基質瀝青質量的百分比計算的。根據CNTs的不同含量,所制備的樣品被命名為CS-0.5和CS-1。

3 CNTs/SBS改性瀝青灌縫密封膠的性能測試

3.1 轉動粘滯系數

密封膠對裂縫的修復效果與施工溫度密切相關。溫度過低會導致密封膠過于粘稠,難以完全滲入裂縫中[11-12]。施工溫度過高雖然可以增加材料的流動性,但也可能加速密封膠的老化,影響其路面性能。密封膠的最佳施工溫度可根據其在不同溫度下的黏度來確定。另外,通過不同溫度下的轉動粘滯測試結果,可以分析密封膠的高溫敏感性。

在本研究中,記錄了同一溫度下不同轉速的黏度(粘滯系數)和相應的扭矩,并對結果進行對數處理,通過線性擬合得到回歸方程。最后,根據回歸方程,計算出同一溫度下扭矩為50%時的相應粘滯值,作為測量溫度下的黏度代表值。

如圖1中所示的黏度-溫度曲線,表示2種密封膠在不同溫度下的黏度。從圖中可以看出,在135～160 ℃的較低溫度下,CNTs的含量對密封膠的黏度有明顯影響,CS-1的黏度明顯高于CS-0.5。一方面,這是由于加入CNTs增加了瀝青材料的分子間相互作用;另一方面,這與納米材料的表面能有關。由于CNTs表面有很強的范德華力,在實驗過程中可以防止瀝青膠體結構的破壞,增加粘滯力。此外,溫度在135～160 ℃內,密封膠的溫度敏感性比較高,密封膠的黏度隨溫度變化明顯。在160～200 ℃的溫度下,CNTs含量的增加對密封膠的黏度沒有明顯影響[13-14]。這表明密封膠黏度的變化是由CNTs和瀝青狀態的共同作用造成的。

圖1 灌縫密封膠的粘度-溫度曲線圖

對于密封膠CS-1來說,其在150 ℃時的黏度超過3 Pa·s,因此很難保證材料能夠充分填充裂縫,不能達到理想的施工效果。此外,過高的施工溫度會加速密封膠的老化,導致材料的路用性能受損[15-16]。因此,考慮到這兩種密封膠的實際施工質量,建議施工溫度為160～180 ℃。

3.2 常規特性測試

與基質瀝青或改性瀝青的評估不同,密封膠的性能評估需要進行錐入度試驗、彈性恢復試驗和流動試驗。本研究進行了5 ℃軟化點測試(JTG:T 0606)、25 ℃錐入度測試 (JT/T:6.2)、25 ℃彈性恢復率測試(JT/T:6.5)、60 ℃流動測試(JT/T:6.4)以及25 ℃針入度試驗(JTG:T 0604)。錐入度測試可以反映材料的柔性和硬度;流動試驗和軟化點試驗都可以反映密封膠的高溫性能,而流動測試是為了檢驗密封膠在高溫下是否會出現流動和粘輪的問題。為了使密封膠的老化效果更加明顯,本研究選擇180 ℃作為老化溫度[17-18]。根據《路面加熱型密封膠 JT/T 740—2015》的規范要求,需要滿足普通密封膠的技術指標。

軟化點:≥80 ℃;錐入度:50～90(0.1 mm);彈性恢復率:30%～70%;流動值:≤5 mm。

如圖2所示,2種密封膠在老化前(CS)和老化后(ACS)都符合規范要求。比較2種密封膠的軟化點,可以發現,隨著CNTs含量的增加,密封膠的軟化點得到了改善。此外,2種材料的軟化點在老化后都有所提高。通過錐入度測試可以發現,CNTs的加入使密封膠的硬度有所提高,CS-1的錐入度略低于CS-0.5的錐入度。針入度的變化規律與錐入度相似。

圖2 CNTs/SBS改性密封膠的常規性能

加熱老化后,由于瀝青中輕質成分(主要是油分,即飽和分和芳香分)的揮發,密封膠的錐入度和針入度都有所下降。CS-0.5的彈性恢復率明顯高于CS-1,但老化后CS-0.5的彈性恢復率下降較多。這表明,雖然SBS老化后的降解反應破壞了SBS原本的網絡結構,降低了密封膠的彈性恢復率,但CNTs的加入可以有限阻止SBS的降解,在一定程度上抑制材料的老化。彈性恢復率過低的密封膠容易嵌入碎石,而彈性恢復率過高則容易形成二次裂縫[19]。對比2種材料的彈性恢復率,CS-1的彈性恢復率在55%左右,并且具有更好的抗碎石能力和避免二次裂縫的性質。

流動值是為了評估密封膠的高溫穩定性而引入的技術指標。如果材料的流動值不達標,在高溫下就容易出現粘輪現象。2種樣品老化前后的流動值如表6所示。CS-1的流動值比CS-0.5低。一方面,認為隨著CNTs含量的增加,密封膠的高溫性能得到改善。另一方面,由于CNTs含量較高,CS-1的黏度較高。CNTs在SBS表面的相互作用增加了聚合物的表面粗糙度,從而改善了SBS與瀝青界面的相容性,降低了材料在高溫下的流動值。

3.3 應變掃描測試

應變掃描試驗被用來確定改性瀝青密封膠的線性粘彈性,視頻引伸計(LVE)可通過拍攝實驗過程的圖像,分析圖像特征變化動態測量試件應變變化。通過應變掃頻試驗,得到某一溫度和頻率下密封膠線性粘彈性的極限應變值(γLVE)。

作為一種典型的彈、粘、塑性材料,瀝青的流變學參數如復變模量、相位角等都是在線性粘彈性的條件下定義的。一般來說,在同一溫度下,頻率越高,瀝青的線性粘彈性區間越小;在同一頻率下,溫度越低,瀝青的線性粘彈性區間越小。為了在最極端的條件下測試出該材料LVE區間,本研究的應變掃頻試驗是在高頻率、低溫度的條件下進行的。因此,在本研究中,選擇10 Hz作為應變掃描試驗頻率,溫度條件為25 ℃。模量-應變曲線如圖3所示。

圖3 應變掃頻曲線

假設初始模量下降等于5%時對應的點為LVE極限,縱向虛線的左邊是密封膠的線性粘彈性區間,其中材料的應力-應變關系只受溫度和頻率的影響,而右邊是非線性粘彈性區間。圖3表明,在較低的應變范圍內,模量與應變值有良好的線性關系,模量變化不明顯。隨著應變的增加,線性關系被破壞,復合剪切模量大大下降。比較CS-1和CS-0.5的數據曲線,可以看出,雖然密封膠的復合模量隨著CNTs含量的增加而增加,但密封膠的LVE范圍沒有明顯變化。CS-1的γLVE為2.26%,CS-0.5的γLVE為2.16%。

4 結語

為了解決傳統密封膠耐高溫變形性低的問題,本文利用碳納米管和SBS為路面維護工程制備了一種具有優異的高溫穩定性和抗變形能力的瀝青灌縫密封材料,擴大了碳納米管在路面維修工程中的應用。此外,還通過進行軟化點測試、錐入度測試、針入度掃描測試、彈性恢復率測試以及LVE掃描測試,估計了這種新型CNTs/SBS復合改性瀝青灌縫密封膠的高溫性能、流變性能和抗老化性能,認為CNTs能夠顯著改善瀝青灌縫密封膠的實用性,對延長瀝青路面使用時限有著積極的促進作用。