UHMWPE/Nanoclay 对改性沥青流变性能的影响

孙大勇，赵子雪，王亚平

（1.济南市交通运输事业发展中心，山东 济南 250001；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3.湖南华城检测技术有限公司，湖南 长沙 410017）

引言

沥青作为沥青混合料组分之一，其流变性和黏弹性影响着沥青混合料的力学性能。流变学是研究材料由于应力而产生的变形量以及时间对这种变形影响的学科。由于沥青具有黏弹性行为，其流变参数随时间和温度的变化而变化，从而改变其物理性质，如车辙和疲劳开裂［1］。

李鑫和余红杰［2］研究了纳米二氧化硅对沥青性能等级、车辙和疲劳的影响。纳米二氧化硅对沥青的低温性能有负面影响。NEJAD 等［3］使用SiO2、TiO2和CaCO3等纳米颗粒对沥青胶黏剂改性，结果表明，纳米粒子的加入提高了沥青的玻璃态转变温度和低温刚度。在中温条件下，改性沥青的复数模量增加，相位角降低。BARROS 等［4］在沥青中加入了纳米级氢氧化钙（水合石灰）和氧化钙（原生石灰），以提高路面的耐久性和减少永久变形损伤，改善其路用性能。杨骞［5］认为碳纳米管可以提高沥青混合料的抗车辙和抗温缩裂缝的能力。祝雯霞［6］研究了不同掺量的纳米二氧化硅对沥青的物理和流变性能的影响，纳米二氧化硅掺量的增加使沥青的针入度降低，软化点增加。

1 试验材料

采用70#的沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［7］进行不同UHMWPE/ Nanoclay 掺量的改性沥青及基质沥青指标试验，结果见表1。

表1 基质沥青和改性沥青的基本性能

2 试验方法

采用高剪切混合器将沥青与UHMWPE/ Nanoclay混合。选择转速为8 000 rpm，搅拌温度为160 ℃，搅拌时间为40 min，将UHMWPE/ Nanoclay 与沥青混合。利用扫描电子显微镜（SEM）研究了纳米粒子在沥青中的形貌及其混合方式。图1 通过电子的集中载荷扫描样品获得，在30 kV 电压下500 倍放大拍摄。纳米颗粒的外观接近球形，显示了这些纳米颗粒的尺寸和外观。

图1 UHMWPE/ Nanoclay 改性沥青扫描电镜

2.1 RTFO 老化

根据AASHTO T240（T240 2015），对含和不含UHMWPE/Nanoclay 的沥青在163 ℃温度下，利用RTFO 老化仪对一层薄薄的可滚动沥青进行了短期老化测试，模拟沥青在热和空气作用下的老化，老化时间为75 min。

2.2 PAV 老化

根据AASHTO R28（R28 2015），使用压力老化箱（PAV）对RTFO 老化后的样品进行长期老化。将试样置于压力为2 060 kPa，温度为110 ℃的仪器中老化20 h。

2.3 动态剪切流变试验

利用动态剪切流变仪（DSR）试验研究了沥青的黏弹性特性。沥青的流变性能主要用于检测基质沥青和改性沥青混合料在未老化和短期老化下的车辙性能。利用车辙因子对沥青混合料的流变性能进行了研究。对短期老化的样品采用直径为25 mm、厚度为1 mm 的平行板，PAV 老化的样品采用直径为8 mm、厚度为2 mm 的平行板。此外，在58～76 ℃和16～22 ℃用RTFO 和PAV 老化的样品也进行了测试。

BBR 试验用来测量沥青在极低温下的刚度。采用工程梁理论，对沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的刚度进行测量。用BBR 计算了两个参数，蠕变柔量反映了沥青抵抗恒定荷载的能力；m 值反映了沥青刚度随荷载作用变化的量。此外，利用BBR 对加入和不加入UHMWPE/Nanoclay 的沥青在低温下的流变性能进行了评价。

3 测试结果

3.1 DSR 测试结果

未老化和RTFO 的老化沥青的车辙系数（G*/sinδ）应至少为1 kPa 和2.2 kPa。见图2、图3，改性沥青与基质沥青相比，车辙系数较大（58～76 ℃）。车辙系数较大，表明改性沥青对永久变形的敏感性较小。

图2 RTFO 未老化改性、未改性沥青的车辙因子

图3 RTFO 老化改性、未改性沥青的车辙因子

当对PAV 老化的沥青试样的DSR 试验结果进行分析时，引入疲劳因子G*sinδ作为评价沥青低温抗裂性的指标。从抗疲劳开裂的角度，疲劳系数越低越好且疲劳因子应≯5 000 kPa。测量在16 ℃、19 ℃和22 ℃的温度下的改性沥青和基质沥青疲劳因子值，结果见图4。

图4 PAV 老化改性、未改性沥青的疲劳因子

由图4 可知，与基质沥青相比，UHMWPE/Nanoclay改性沥青具有更低的疲劳系数（2%、4%和6%掺量的改性沥青）。可以预测含有UHMWPE/Nanoclay 改性沥青的沥青混合料比基质沥青混合料具有较长的疲劳寿命。此外，在16 ℃的温度下，4%和6%掺量的UHMWPE/Nanoclay 能够使沥青的使用等级提高一级。

3.2 BBR 测试结果

BBR 试验温度为-6～ -18 ℃，见图5、图6。沥青在低温下的最大可接受蠕变柔量为300 MPa。

由图5 可知，当基质沥青测试温度为-12 ℃时满足蠕变柔量＜300 MPa 的要求，因此基质沥青工作温度在-22 ℃以上。然而，当UHMWPE/Nanoclay 掺量为4%和6%时，改性沥青在-18 ℃温度下的蠕变柔量仍小于300 MPa，表明沥青的功能温度提高到-28 ℃。此外，改性沥青在所有温度下的蠕变刚度因子均小于基质沥青。由图6 可知，m 值表示蠕变刚度S（t）随加载时间的变化率。在60 s 内测量的m值应≥0.3，否则蠕变刚度会随着温度的变化而迅速变化。这些蠕变刚度的快速变化会导致沥青中应力的积累。图6 中改性后的沥青与基质沥青相比，表现出更大的m 值。结果表明，UHMWPE/Nanoclay 能够在较低温度下改善沥青的性能。

图5 改性沥青、未改性沥青的蠕变柔量

图6 改性沥青、未改性沥青的m 值

4 结语

研究UHMWPE/Nanoclay 改性剂对沥青黏弹性能的影响，用DSR 评价其车辙和疲劳性能，并用BBR 评价其在低温下的性能。与基质沥青相比，UHMWPE/Nanoclay 改性沥青具有更高的软化点、更好的延度和更低的针入度。UHMWPE/Nanoclay 增加了沥青的车辙因子，可以降低改性沥青混合料在高温下的车辙；改善了改性沥青的疲劳性能，可以延迟掺有改性沥青的混合料出现疲劳裂纹的时间。同时，根据低温流变参数蠕变柔量和m 值，改性沥青的低温抗裂性能优于基质沥青。