蒙脱土对SBS 改性沥青老化性能的改善研究*

苏 江，田荣燕，孙威宇

（西藏大学 工学院，西藏 拉萨 850000）

引言

SBS 改性沥青是西藏最常见的道路沥青材料，在西藏的各个城市和高速公路上都有使用[1-2]。为了适应不同的环境条件，需对沥青的各项性能进行改良研究，关于沥青性能改善的研究，选择合适的掺合料进行沥青改性是目前常见的研究方向。学者关于掺合料的选择与适用做了大量研究工作，李郑[3]提出用多聚磷酸与橡胶粉改性西藏地区的路用沥青，董大伟[4]提出废轮胎橡胶粉改善高黏性沥青的性能，张明祥[5]提出用纳米氧化锌进行沥青的抗老化改性。不同掺合料对沥青的特定性能具有不同的影响，蒙脱土作为改善沥青性能的常见材料，广泛用于各种沥青道路。蒙脱土是黏土矿物的一种，围观下表现为层状的结构，在沥青中掺入一定量的蒙脱土可以使沥青中的沥青质分布更均匀，沥青混合料中的气孔减小[6]。肖新颜[7]用蒙脱土改善废料沥青的抗氧化和高温稳定性，李胜杰[8]用蒙脱土改善再生橡胶沥青的热稳定性。邢利霞[9]提出了蒙脱土SBS 改性沥青的制备方式及其性能研究。从上述研究可以发现蒙脱土可以明显改善沥青的性能，尤其是抗氧化稳定性。

SBS 改性沥青具有良好的高温稳定性，但在强紫外线开裂上出现了性能瓶颈，强紫外线引起的道路沥青开裂在西藏很常见，因此，改善SBS 沥青的紫外线老化开裂问题显得非常有必要。紫外线会促使沥青胶体发生氧化聚合反应生成沥青质，活性降低，流动性变差，从而导致道路沥青混合料发生脆性破坏[10]。时林军[11]、何东坡[12]做了基于纳米TiO2还原性改善沥青的抗紫外线老化性能。

要解决沥青的紫外线老化问题就必须使沥青具备较强抗氧化性能。蒙脱土作为良好的抗氧化剂且价格便宜，因此将其用于改善SBS 沥青的抗紫外线老化性能具有广泛的前景。本文通过分析强紫外线下不同蒙脱土掺量的SBS 沥青的三大指标变化来评估强紫外线对其老化的影响，为蒙脱土在西藏沥青道路上的工程应用提供依据。

1 试验过程

1.1 试验原材料

基质沥青采用的是西藏道路沥青常用的中海油A-90#沥青，SBS 采用的是西安石化4402，蒙脱土采用的是江苏雨润公司PGN 型号。具体性能参数见表1-3。

1.2 试验材料制备

（1）材料配合比

将基质沥青，SBS，蒙脱土按照一定的比例进行混合，得到混合后的沥青如表4：

表1 基质沥青性能参数

表2 SBS 性能参数

表3 蒙脱土性能参数

表4 沥青各材料的质量

（2）混合沥青制备

取 2500 基质沥青分成五份并对其按 A、B、C、D、E 进行编号。将基质沥青放入烘箱加热至180℃熔融状态后迅速加入5%的SBS，用玻璃棒顺时针搅拌15min，混合成SBS 沥青。SBS 沥青冷却24h 后再进行蒙脱土的掺量配合比。将冷却完的SBS 沥青放入烘箱中加热至140℃熔融状态，对B、C、D、E 四组沥青分别加入1%、2%、3%、4%的蒙脱土，用玻璃棒搅拌15min，冷却24 小时后进行其他试验。

1.3 试验步骤

沥青三大指标作为沥青基本性能的主要参数，一直备受工程人员重视。在研究判断老化程度上，常用沥青三大指标针入度、软化点、延度进行判别。本文也以三大指标变化作为其老化的依据，具体试验步骤如下：（1）对初始的5 组沥青材料进行三大指标试验；（2）将5 组沥青置于烘箱后，加热至熔融状态，然后摊平在30cm×30cm 的矩形槽内；（3）选取500W 的高压紫外线灯作为照明光源，将摊铺好的沥青冷却后置于紫外线灯下；（4）分别在紫外线照射24h、48h、72h 时测试各组沥青的三大指标。

2 试验结果分析

2.1 初始状态

初始状态的各组沥青，进行三大指标测试，测得数据如表5：

表5 各组沥青的三大指标

由各组沥青的初始三大指标和增量变化可知，随着蒙脱土掺量的增加软化点上升，针入度减小，延度降低。加入1%的蒙脱土后，沥青的三大指标特性发生变化最大，继续增加蒙脱土，三大指标继续变化但变化幅度开始减小。可见，蒙脱土可以增加沥青的黏性，阻止沥青内部物质的自由流动，但随着蒙脱土的增加，这种阻碍作用的增量慢慢减小。因此，适量的蒙脱土可以迅速提高沥青的内部稳定性，继续增加效果就会越来越不明显。

图1 初始状态三大指标变化量

2.2 紫外线下沥青三大指标变化

沥青老化的影响因素很多，在紫外线下的老化是沥青在光催化作用下发生的氧化聚合反应，生成硬化后的聚合物，使得沥青的脆性增加，抗裂性降低。随着沥青的老化程度增加，沥青的三大指标软化点上升，针入度减小，延度降低。为了更好地说明蒙脱土对老化的影响，采用掺量后的三大指标变化量作为分析指标，变化量为各天指标中B、C、D、E 四组与A 组的差值取绝对值为降低量，即可得到不同掺量蒙脱土沥青与无蒙脱土沥青的对比情况。具体数据处理如图2-图4。

图2 为紫外线下1d、2d、3d 下不同蒙脱土掺量的各组沥青与无蒙脱土时软化点变化的降低量。软化点是评价沥青老化的重要指标，软化点变化越小说明老化速度越慢，沥青的抗老化性能越好。紫外线会促使沥青发生老化，照射时间越长，老化越明显。由图中软化点降低量可知，各组的沥青软化点在紫外线照射下每天都在增加，但掺蒙脱土沥青的降低量也在增加。其中掺量在2%以内时，软化点降低速度最快，超过2%后软化点降低量开始减缓。由此可知，蒙脱土掺量2%以内时，沥青的抗老化效果增长较快，超出这个值渐渐减小。从紫外线照射天数的软化增量对比可以看出，照射时间越长，老化越快，蒙脱土含量越高抗老化越明显。

图2 不同紫外线时长下的软化点降低量

图3 不同紫外线时长下的针入度降低量

图3 为紫外线下1d、2d、3d 下不同蒙脱土掺量的各组沥青与无蒙脱土时针入度变化的降低量。针入度评价的是沥青的软硬程度，对其值影响最大的是沥青质，沥青质含量越高针入度越小。在紫外线照射下，沥青中的沥青质会增加，从而使得针入度减小。由图3 可知，蒙脱土含量越高，针入度降低越明显，在掺量2%以内时，针入度的降低量变化最快，再继续增加蒙脱土，针入度降低量基本维持稳定。在紫外线照射下，随蒙脱土增加，针入度稳定减小，针入度降幅差值比较稳定。由此可知，蒙脱土越多沥青抗氧化性能越好，掺量为1%～2%以内时，沥青的抗氧化性效果增长最快，沥青质增长最慢，随着紫外线照射时间的延长，沥青中沥青质的数量逐渐趋于稳定，而蒙脱土有助于沥青质的稳定，掺量为2%时稳定最好，超过3%以后，随着掺量增加渐渐抗氧化效果趋于稳定。

图4 不同紫外线时长下的延度降低量

图4 为紫外线下1d、2d、3d 下不同蒙脱土掺量的各组沥青与无蒙脱土时延度变化的降低量。延度是评价沥青延展性的指标，对其值影响最大的是胶质。胶质可以提高沥青的流变性能，也即增加塑性和粘附力。在紫外线下，胶质会发生聚合反应生成沥青质，从而使得其流动性变差，延度变小。由图4 可知，蒙脱土越多沥青的延度变化的降低量越大。在蒙脱土掺量为2%时是蒙脱土的最适经济比，在不同紫外线照射天数下，不同蒙脱土掺量沥青的延度变化降低量的变化幅度维持稳定。由此可知，蒙脱土掺量为2%时，沥青胶质氧化增长最慢，而紫外线照射时间不会引起胶质的剧烈变化，因此蒙脱土可以使得沥青胶质在紫外线下稳定减少，掺量2%时，胶质减少速度最慢。

3 结束语

本文讲述SBS 在不同掺量蒙脱土下，经过紫外线照射的三大指标测试试验，通过对各组沥青三大指标的变化量，从而评估蒙脱土对沥青抗老化的作用。根据试验数据可以得出如下结论：

（1）蒙脱土通过减小沥青内部的扩散运动，来提高沥青的黏性。蒙脱土掺量越高，黏性越大。随着蒙脱土掺量的增加，三大指标值的增量在不断减小。蒙脱土可以固定沥青质，防止胶质氧化为沥青质，减缓老化。

（2）沥青中加入适当的蒙脱土可以降低沥青在紫外线下的老化速度，其中蒙脱土的掺量为2%时，沥青的软化点增量变化最小，抗老化性能最好。蒙脱土的增加可以减缓沥青在紫外线下的硬化，蒙脱土掺量越高效果越好，在掺量为2%时，针入度和延度增量减缓最明显，超过2%后也在减缓，但幅度小很多。

（3）不同紫外线照射时间对不同掺量蒙脱土三大指标影响不同，对软化点和针入度的影响较明显，紫外线照射初期，两者变化快，后期变化慢，而对延度，紫外线照射过程中，其值的变化比较稳定没有明显波动。因此，在西藏常见的SBS 沥青中掺入一定量的蒙脱土可以有效改善紫外线对其性能的影响，蒙脱土越多，效果越好，但超过2%后抗老化性能增量越不明显。因此，在设计沥青道路时，沥青中的蒙脱土应该高于2%，但高出的值不宜过大，以免浪费材料。