布敦岩沥青_纳米气凝胶_抗...复合改性沥青制备及性能评价_高英力.pdf

第 卷第期 材料科学与工程学报 总第 期 文章编号：（）布敦岩沥青 纳米气凝胶 抗老化剂复合改性沥青制备及性能评价高英力，龙国鑫，段开瑞，卜涛，孟浩（长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 ）【摘要】实验选用布顿岩沥青（，）、纳米气凝胶（，）和抗老化剂（，）对基质沥青进行复合改性。通过三大指标试验，确定三种改性剂的适宜掺量。利用动态剪切和弯曲梁流变试验分析了沥青的流变性能，以抗老化性能评价指标对耐老化性能进行表征。借助傅里叶红外光谱（）对沥青的官能团变化进行了分析，利用扫描电镜（）观测了沥青在不同老化方式后的微观结构。结果表明：复合改性沥青改性剂最佳掺量为：、抗氧剂 和 。复合改性沥青相对于基质沥青，残留针入度比和延度保留率分别提高了 和 ，软化点增量和车辙因子老化指数分别降低了 和。加入改性剂后，沥青的高温性能得到明显改善，改性方式以物理改性为主，且改性剂与基质沥青界面之间相容性良好。改性沥青和复合改性沥青流变性能和耐老化性能均优于基质沥青。其中 复合改性沥青的耐老化性能和高温抗车辙能力最为优异。【关键词】布敦岩沥青；纳米气凝胶；抗老化剂；物理性能；流变性能；微观结构；抗老化性能中图分类号：文献标志码：收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（）；湖南省研究生科研创新资助项目（，）作者简介：龙国鑫（），硕士研究生，研究方向：道路建筑材料。：。通信作者：高英力（），男，教授，博导，从事新型道路建筑材料和高性能功能路面材料方面的研究。：。，（，）【】（），（），（），（），（），【】；前言目前，普通沥青的性能已难以满足现代公路交通运输的需求，因此需要引入改性剂提高沥青的性能。改善沥青性能的改性剂种类不一。其中，掺加布敦岩沥青（，）、纳米材料和不同类型的抗老化剂（，）是较为有效的方法。作为沥青改性剂的一种，与沥青相容性好，且改性工艺简便，成本低廉，还可以影响沥青的组分比例变化（沥青质含量增加，胶质含量降低），在公路工程领域有着广阔的应用前景。刘黎萍等以 为改性剂对沥青进行改性，沥青的高温性能得到改善，但低温性能下降。吕松涛等发现，生物沥青的高温性能随着 的掺量而逐渐提高，而低温性能则相反。可知，可以改善沥青的高温性能，但对低温性能有不利影响。根据现有研究可知，纳米材料不仅表面可以吸附沥青中的组分，还可以在沥青中形成网络结构，从而改善沥青的低温性能。等在 改性沥青中加入了纳米 ，使得改性沥青的低温性能得到大幅度提高。张恒龙等发现表面修饰过后的纳米 可以提高沥青的延度，从而改善其低温性能。除温度影响外，沥青的老化亦是影响沥青路面耐久性的一个 重要 因素。沥青的 老化 是 指沥青 在光、热、氧等因素综合作用下，沥青分子的化学键发生断裂，生成活泼的自由基和氢过氧化物（也可分解为自由基）。自由基可以引发一系列的自由基链式反应，导致沥青化学组成、分子结构和物理性能发生根本变化，最终造成沥青的破坏失效。普通的改性剂虽然可提升沥青的高温稳定性和低温抗裂性，但无法有针对性的显著提升沥青的耐老化性能。而抗老化剂作为目前预防沥青老化的有效手段之一，不仅能够消除自由基，分解氢过氧化物，还可以阻断链式反应的进行，从而有效抑制沥青材料的老化。等 发现添加抗氧剂 可以有效改善沥青的抗老化性能，并进一步复合紫外线吸收剂对沥青进行复合改性，发现复合改性后沥青的抗老化性能相对于单掺更好。截至目前，纳米材料和 在传统道路建筑材料研究中虽然已有不少应用，但将其复合应用于道路工程中的研究尚不多见。故本研究将选用纳米气凝胶（，）和 ，制备布敦岩沥青纳米气凝胶改性沥青。并在此基础上，加入抗老化剂，制备布敦岩沥青纳米气凝胶抗老化剂复合改性沥青，以期得到一种抗老化性能优异，同时保持有较好的高低温性能的改性沥青。本研究设置了三个试验组：基质沥青、布敦岩沥青纳米气凝胶（）改性沥青、布敦岩沥青纳米气凝胶抗老化剂（）复合改性沥青，并通过物理、流变性能试验及微观试验，对试验沥青的高低温及耐老化性能进行评价。实验 材料设计基质沥青选用 道路石油沥青，其主要技术指标如表所示。由印度尼西亚生产，其性能检测结果见表。在 仍可长期保持良好的柔性，具有高比表面积和孔隙率，由河北廊坊奥科建筑工程有限公司生产，纯度为，其相关系数见表。选用东莞山一塑化有限公司生产的受阻酚类抗氧剂 和苯并三氮唑类光稳定剂 ，其中抗氧剂 和光稳定剂 的纯度均为 ，基本性能见表。表基质沥青性能检测结果 （，）（，）（，）表布敦岩沥青性能检测结果 材料科学与工程学报 年月表纳米气凝胶的相关参数 表抗老化剂基本技术指标 （）实验方法 改性沥青和 复合改性沥青的制备本研究使用的 均为表面改性后的。具体过程如下：取一定量的 放入烧杯内，成比例（）加入硅烷偶联剂（）和无水乙醇稀释并搅拌均匀，超声分散后，室温冷却过滤得到改性，然后将其放入真空干燥箱内，常温干燥后取出，干燥保存。基于前期的大量试验及前人的研究成果，确定了 改性沥青和 复合改性沥青具体的制备流程（见图）以及改性剂掺量范围。首先，以（，）和 （，）对基质沥青进行复掺（见表），基于物理性能试验结果，确定了和 的最优掺量。然后在最佳掺量基础上对最优配比进行二次复掺（见表），加入 抗 氧 剂 （，）及 （，），并基于基本性能试验结果，确定抗老化剂最优掺量。图 改性沥青和 复合改性沥青的制备流程 表 改性沥青试验设计表 试验根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）进行沥青基本性能试验。采用 型 试验仪对复数剪切模量和表 复合改性沥青试验设计表 相应的相位角进行测定，并以车辙因子 来评价沥青高温抗车辙能力。采用 试验仪测定沥青在 和 下的劲度模量及蠕变速率，第 卷第期高英力，等 布敦岩沥青纳米气凝胶抗老化剂复合改性沥青制备及性能评价并以此为指标来评价沥青的低温抗裂性。采用 旋转薄膜烘箱和 型压力老化试验机进行短期老化和长期老化。紫外老化选用自制的紫外老化模拟箱，采用波长为 ，光照强度为 的氙灯对短期老化后的沥青进行 的紫外照射，模拟室外紫外光照一年的辐射。采用 型傅里叶变换红外光谱仪（）对沥青进行光谱分析，参照 红外光谱分析方法通则，研究了沥青官能团、分子结构等化学特征的变化。采用 电子显微镜（），参照 微米级长度的扫描电镜测量方法，对比不同老化方式下各组沥青老化前后的表观形貌变化。沥青抗老化性能评价指标在物理试验中，以残留针入度比 （老化后针入度老化前针入度）、延度保留率 （老化后延度老化前延度）和软化点增量 （老化后软化点老化前软化点）作为沥青物理性能老化程度的评价指标。在流变试验中，以（老化后复数模量老化前复数模量）、（老化后车辙因子老化前车辙因子）、（老化后蠕变速率老化前蠕变速率）与 （老化后劲度模量老化前劲度模量）作为评价沥青老化程度的指标。结果和讨论 改性剂掺量优选 改性沥青 由表 可知，当 掺量为时，沥青的针入度和延度随 掺量的增加而增加；掺量为 时，针入度和延度随 掺量的增加先增大后减小；而 掺量为 时，针入度和延度则随 掺量的增加而减小。故分析 的掺入可以有效提高沥青的柔韧性和抗裂性能，而 掺量不宜过大，会影响在沥青中的分散。以 掺量为定量时，延度相对于基质沥青有所下降，沥青软化点随 掺量的增加先增加后减小，掺量为 时的软化点最高。可见，可以提高沥青的高温抗变形能力，对低温性能有些许不利影响。当 掺量为、掺量为时，沥青针入度和软化点最高，相对于基质沥青分别提高了 和，延度在各组改性沥青中最高。因此选定 和 的最优掺量为 和。复合改性沥青改性沥青表列出了不同掺量抗老化剂对改性沥青物理性能的试验结果数据。当抗氧剂 掺量一定时，针入度随 掺量的增加而减小，延度随 掺量的表不同掺量 和 对基质沥青物理性能的影响 （，）（，）增加而增加，而软化点所有下降，相对于 改性沥青最多下降了。可知，的添加会使 改性沥青变稠，在对沥青高温性能影响不大的情况下可以提高沥青的低温抗裂性，这与 等 的结论相符。当 掺量不变时，针入度和延度均随抗氧剂 掺量的增加先增加后减小，而软化点则随掺量变化的幅度很小，故分析抗氧剂 也可以提高沥青的低温性能，掺量为 时性能最佳。综上，选定抗氧剂 的最优掺量为 ，掺量为 ，此时 复合改性沥青的物理性能最好。表不同掺量抗老化剂对改性沥青物理性能的影响 （，）（，）沥青抗老化性能评价 物理性能及其老化指数从图可见，加入改性剂后的 改性沥青和 复合改性沥青 相对 于 基 质 沥 青针入度分别提高了 和，软化点分别提高了 和，而延度略有下降。改性剂 和 的加入对沥青的软化点和针入度有明显提高，而抗老化剂的加入对 改性沥青的物理性能影响很小。短期老化后，复合改性沥青相对于基质沥青和材料科学与工程学报 年月图不同老化方式对改性沥青三大指标的影响（）老化前物理性能；（）残留针入度比；（）延度保留率；（）软化点增量 （）；（）；（）；（）改性沥青的 值分别提高了 和，值分别提高了 和，值分别降低了 和。长期老化后，复合改性沥青相对于基质沥青和 改性沥青的 值分别提高了 和，值分别提高了 和，值分别降低了 和。紫外老化后，复合改性沥青相对于基质沥青和 改性沥青的 值分别提高了 和，值分别提高了 和，值分别降低了 和。在不同老化方式下，复合改性沥青的 和 值均大于 改性沥青，明显大于基质沥青，且 值为最小，故其抗老化性能最优。动态剪切流变试验及其老化指数 与 如图所示，加入改性剂后的 改性沥青和 复合改性沥青车辙因子曲线变化趋势相近，在 时的车辙因子相对于基质沥青分别提高了 和。基质沥青在不同温度下的相位角均为最大，在 时相位角最先达到 ，材料由粘弹性状态转变为完全粘性状态，抗变形能力差。而 复合改性沥青在不同温度下的相位角均为最小，故其弹性成分占比相对于其它组保留最多，抗变形能力强。这是由于 复合改性沥青和 改性沥青中 的存在。其沥青质含量高，相容性好，与基质沥青相融可以提高沥青中沥青质含量，减少油分含量。此外，颗粒间产生吸引，使得沥青结构向凝胶型结构转变。在不同老化方式下，复合改性沥青在不同温度下车辙因子最高，相位角最小，故 复合改性沥青高温性能最好，而 改性沥青次之。这与物理性能试验结果相符。从图可 见，不 同 方式 老化后老 化指数 和 呈上升现象。改性沥青短期老化后的 和 较基质沥青均减小了，而 复合改性沥青较基质沥青减小了 和。长期老化后，改性沥青 和 较基质沥青分别减小了 和，复合改性沥青较基质沥青分别减小了 和。紫外老化后的 改性沥青较基质沥青 和 分别减小了 和，而 复合改第 卷第期高英力，等 布敦岩沥青纳米气凝胶抗老化剂复合改性沥青制备及性能评价图老化前 测试结果（）车辙因子；（）相位角 （）；（）图试验沥青经不同老化方式后的老化指数（）值；（）值 （）；（）性沥青 和 分别减小了 和。复合改性沥青中抗老化剂的存在，可以使沥青在老化过程中轻质组分挥发速度减小，提高沥青的耐热氧和光氧老化能力。依据 和 的计算结果可得，复合改性沥青高温下耐老化性能最佳。弯曲梁流变试验及其老化指数 与 根据 沥青结合料规范知，在蠕变试验中需劲度模量 ，蠕变速率 （的数值并不满足规范要求），因此本部分主要对沥青 的劲度模量及蠕变速率 进行分析。试验结果如图所示。图 下经不同老化方式后沥青的 试验结果（）劲度模量；（）蠕变速率 （）；（）从图可见，经不同老化方式老化后，沥青变稠，变大，变小。老化前，改性沥青和 复合改性沥青值较基质沥青分别降低了和 ，值较基质沥青分别增加了 和材料科学与工程学报 年月。分析可知，具有高孔隙率和高比表面积，因此，韧性好的同时又具有很强的吸附作用，可以使沥青以网络状的方式更为有效地结合，提高沥青的低温抗裂性。与基质沥青相比，改性沥青具有更好的低温性能；与 改性沥青相比，复合改性沥青具有更好的抗低温开裂性能。故抗老化剂的加入对沥青低温性能是有利的，且与物理试验结果一致。同时，这与 等 的试 验结 果 也 是相符的。从图可见，基质沥青在 下的 值随着老化程度的加深而增大，值