活性納米碳酸鈣改性瀝青性能研究

1、<p>　　活性納米碳酸鈣改性瀝青性能研究</p><p>　　摘要：選取四種不同粒度的活性納米碳酸鈣，加入到70號基質(zhì)瀝青中。通過高速剪切儀加工，改性后的瀝青與基質(zhì)瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)以及針入度指數(shù)對比分析，證明納米材料的加入有效的改善了瀝青的溫度敏感性和軟化點(diǎn)，延度性能和基質(zhì)瀝青差別不明顯，其中粒徑為80nm的活性碳酸鈣與瀝青相容性最好，其改性瀝青是最佳的共混體系。 </p><p&

2、gt;　　關(guān)鍵詞：納米 改性瀝青高速剪切 共混體系 </p><p>　　中圖分類號：TU535 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　納米材料因其小尺寸效應(yīng)；量子尺寸效應(yīng)；宏觀量子隧道效應(yīng)以及表面效應(yīng)等特殊的性能，對原材料的性能有極大的改善提高，已然成為了世界各國最活躍的研究課題之一。納米材料在我

3、國發(fā)展勢頭迅猛，形成了以北京上海為核心輻射全中國的基本格局。近年來，納米材料逐漸開始滲透到交通、水利、土建等工程材料領(lǐng)域。2008年，RILEM國際材料與結(jié)構(gòu)協(xié)會專門成立了納米瀝青技術(shù)協(xié)會，納米材料已經(jīng)為瀝青改性打開了一道嶄新的大門。 </p><p><b>　　材料的選取與加工 </b></p><p>　　納米材料按維數(shù)可以分為：納米粒子為代表的零維納米材料；碳

4、納米管為代表的一維納米材料；納米層狀硅酸鹽為代表的二維納米材料；智能金屬等納米塊體為代表的三維納米材料四種。在本次研究中，我們選取價格相對低廉的零維活性納米碳酸鈣材料進(jìn)行改性。 </p><p>　　表2.1 A～C改性材料參數(shù) </p><p>　　表2.2D改性材料參數(shù) </p><p>　　加工方法為取基質(zhì)瀝青質(zhì)量5%的納米碳酸鈣A、B、C、D四種內(nèi)摻攪拌，在

5、170℃溫度下以5000r/min高速剪切攪拌30min，為避免實(shí)驗(yàn)誤差，基質(zhì)瀝青在相同的加工條件下制備。 </p><p>　　表2.3基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　基質(zhì)瀝青的主要指標(biāo) </p><p>　　技術(shù)指標(biāo) 單位 基質(zhì)瀝青 規(guī)范要求 </p><p>　　針入度（25℃，100g，5s） 0.1mm 71 60～80

6、 </p><p>　　針入度指數(shù)PI / -0.66874 -1.5～+1.0 </p><p>　　軟化點(diǎn)（環(huán)球法） ℃ 50 ≥46 </p><p>　　延度 10℃ cm 48 ≥15 </p><p>　　15℃ 100 ≥100 </p><p>　　密度（15℃） g/cm3 1.036 - </

7、p><p>　　RTFO 質(zhì)量損失 % 0.08 ±0.8 </p><p>　　殘留針入度比 % 78.4 ≥61 </p><p>　　殘留延度(10℃) cm 14 ≥6 </p><p>　　針對加工制備好的瀝青按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)。針入度實(shí)驗(yàn)取三個溫度，分別為5℃，15℃，25℃。針入度反映的是瀝青在某一特定溫度下的

8、粘度特性，軟化點(diǎn)反映瀝青的高溫穩(wěn)定性，延度用來評價瀝青的低溫性能。 </p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理 </b></p><p>　　3.1 針入度結(jié)果及針入度指數(shù)PI </p><p>　　按照規(guī)范JTG E20-2011公路工程瀝青基瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程，進(jìn)行針入度及針入度指數(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表四所示，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分

9、析，結(jié)果如圖1所示。將3個或3個以上不同溫度條件下測得的針入度值取對數(shù)，令y=lgP，x=T,按式lgP=K＋AlgPen×T,進(jìn)行y=a＋bx一元一次方程的直線回歸，求取針入度溫度指數(shù)AlgPen。PI=(20-500 AlgPen)/(1+50 AlgPen)。 </p><p>　　表3.1針入度試驗(yàn)結(jié)果 </p><p>　　25℃ 15℃ 5℃ </p>

10、<p>　　基質(zhì)瀝青 71.5 20.9 9.3 </p><p>　　A改性瀝青 64.1 20.9 9.5 </p><p>　　B改性瀝青 65.7 19.8 9.2 </p><p>　　C改性瀝青 63.1 23.1 11.1 </p><p>　　D改性瀝青 63.2 21.3 7.8 </p><p

11、>　　圖3.1針入度線性回歸分析 </p><p>　　圖3.2 回歸分析結(jié)果 </p><p>　　由上圖可以看出，A、B、C、D及原樣瀝青的回歸分析的針入度溫度指數(shù)AlgPen分別為0.0414、0.0426、0.0377、0.0455、0.0442。根據(jù)公式計算其對應(yīng)的針入度指數(shù)分別為-0.2439、-0.41534、0.398614、-0.83969、-0.66874。其中，

12、C型號納米碳酸鈣改性的瀝青PI值最小，其溫度敏感性也最??；D型號的溫度敏感性最小，因?yàn)镈型號的改性劑粒徑最大，它的加入改變了基質(zhì)瀝青的均質(zhì)狀態(tài)，且大粒徑在加工過程中也容易沉積在瀝青材料底層，會有比較嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，所以D試驗(yàn)結(jié)果與基質(zhì)瀝青相比，至少PI值差別并不大，沒有突出的改性效果。 </p><p>　　3.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果 </p><p>　　圖3.3軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果 </p

13、><p>　　如圖三所示，1、2、3、4、5對應(yīng)的分別為基質(zhì)瀝青、A改性、B改性、C改性、D改性瀝青，可以看出C的軟化點(diǎn)最高，為57℃，比基質(zhì)瀝青提高11.8%，改性效果比較明顯，其他幾種改性劑均提高了瀝青的軟化點(diǎn)。四種改性劑對軟化點(diǎn)的提高都很大，并且相互之間差別并不明顯，C改性效果稍微突出一點(diǎn)。 </p><p><b>　　3.3延度的變化 </b></p>

14、;<p>　　按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)范試驗(yàn)，測得研讀數(shù)據(jù)如圖所示，1、2、3、4、5分別代表基質(zhì)瀝青、A改性、B改性、C改性、D改性瀝青。試驗(yàn)溫度為15℃。瀝青的延性表征其受到外力的拉伸作用時抗塑性變形的總能力，延度越大的瀝青其柔韌性越強(qiáng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知基質(zhì)瀝青的延度最大，因?yàn)槠錇閯蛳?，整體性較強(qiáng)。在摻加納米碳酸鈣改性劑之后，因?yàn)榧{米粒子粒徑小，表面能高，具有一種自發(fā)團(tuán)聚的趨勢。這就會一定程度產(chǎn)生一些應(yīng)力的不均勻，宏觀的反應(yīng)就是一

15、定程度上延度的減小。其中，C改性瀝青對延度的影響較小，而B、D改性劑對延度的影響較大，延度減小了50%還多。 </p><p>　　圖3.4針入度試驗(yàn)結(jié)果 </p><p>　　3.4 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分析 </p><p>　　由表四以及圖一至圖四可以看出任意一種納米材料的加入，都會改變基質(zhì)瀝青的性能，具體說來主要是針入度降低，軟化點(diǎn)升高，延度減小。為了選擇改性效

16、果最突出的改性劑，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對各納米改性瀝青排序，結(jié)果如表3.2所示。 </p><p>　　表3.2各改性劑試驗(yàn)結(jié)果對比 </p><p>　　試驗(yàn)項(xiàng)目 性能數(shù)據(jù)結(jié)果對比 </p><p>　　針入度 CD=B>A </p><p>　　延度 C>A>D>B </p><p>　　PI

17、C>A>B>D </p><p>　　根據(jù)針入度越低，軟化點(diǎn)、延度、針入度指數(shù)PI越高的原則，由表3.2可以看出，在相同制備工藝，相同摻量條件下制備的納米改性瀝青，C型納米碳酸鈣改性劑改性瀝青的綜合性能最好，另外幾種納米材料在不同程度上對瀝青的性能有所提高，但與C型改性劑改性瀝青相比，稍遜一籌。C的改性效果最好，可以作為進(jìn)一步研究的原料，做更進(jìn)一步的探討。 </p><p&g

18、t;<b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　基質(zhì)瀝青的改性研究一直是道路建筑材料研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，改性劑種類繁多，改性工藝各式各樣。作為公路從業(yè)人員，需要把所做研究與前沿科技結(jié)合起來，而納米材料改性劑，無疑是一個充滿潛力的方向。 </p><p>　　活性納米碳酸鈣的加入，明顯提高了基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)性能，針入度降低，軟化點(diǎn)升高，改善了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。納米材

19、料之所以具有成為機(jī)制瀝青改性劑的潛力，是因?yàn)槠湫×?、大比表面積、強(qiáng)活性及諸如量子尺寸效應(yīng)等特殊物理性能。但是，納米材料種類多種多樣，不是所有的納米材料都適合作為基質(zhì)瀝青的改性劑來進(jìn)行改性。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)證明C型納米碳酸鈣的改性效果最為明顯，明顯提高了基質(zhì)瀝青的綜合性能尤其是其高溫穩(wěn)定性。可以選擇C型材料對其改性機(jī)理做進(jìn)一步深入的研究。 </p><p>　　參考文獻(xiàn)： 孫璐