1、活性纳米碳酸钙改性沥青性能研究摘要：选取四种不同粒度的活性纳米碳酸钙，加入到 70 号基质沥青中。通过高速剪切仪加工，改性后的沥青与基质沥青进行三大指标以及针入度指数对比分析，证明纳米材料的加入有效的改善了沥青的温度敏感性和软化点，延度性能和基质沥青差别不明显，其中粒径为 80nm 的活性碳酸钙与沥青相容性最好，其改性沥青是最佳的共混体系。 关键词：纳米 改性沥青高速剪切 共混体系 中图分类号：TU535 文献标识码： A 引言 纳米材料因其小尺寸效应；量子尺寸效应；宏观量子隧道效应以及表面效应等特殊的性能，对原材料的性能有极大的改善提高，已然成为了世界各国最活跃的研究课题之一。纳米材料在我国
2、发展势头迅猛，形成了以北京上海为核心辐射全中国的基本格局。近年来，纳米材料逐渐开始渗透到交通、水利、土建等工程材料领域。2008 年，RILEM 国际材料与结构协会专门成立了纳米沥青技术协会，纳米材料已经为沥青改性打开了一道崭新的大门。 材料的选取与加工 纳米材料按维数可以分为：纳米粒子为代表的零维纳米材料；碳纳米管为代表的一维纳米材料；纳米层状硅酸盐为代表的二维纳米材料；智能金属等纳米块体为代表的三维纳米材料四种。在本次研究中，我们选取价格相对低廉的零维活性纳米碳酸钙材料进行改性。 表 2.1 AC 改性材料参数 表 2.2D 改性材料参数 加工方法为取基质沥青质量 5%的纳米碳酸钙 A、B
3、、C、D 四种内掺搅拌，在 170温度下以 5000r/min 高速剪切搅拌 30min，为避免实验误差，基质沥青在相同的加工条件下制备。 表 2.3 基质沥青主要技术指标 基质沥青的主要指标 技术指标 单位 基质沥青 规范要求 针入度（25，100g，5s） 0.1mm 71 6080 针入度指数 PI / -0.66874 -1.5+1.0 软化点（环球法） 50 46 延度 10 cm 48 15 15 100 100 密度（15） g/cm3 1.036 - RTFO 质量损失 % 0.08 0.8 残留针入度比 % 78.4 61 残留延度(10) cm 14 6 针对加工制备好的沥
4、青按现行试验规范进行三大指标实验。针入度实验取三个温度，分别为 5，15，25。针入度反映的是沥青在某一特定温度下的粘度特性，软化点反映沥青的高温稳定性，延度用来评价沥青的低温性能。 实验数据及处理 3.1 针入度结果及针入度指数 PI 按照规范 JTG E20-2011 公路工程沥青基沥青混合料试验规程，进行针入度及针入度指数的相关实验，实验数据如表四所示，对实验数据进行线性回归分析，结果如图 1 所示。将 3 个或 3 个以上不同温度条件下测得的针入度值取对数，令 y=lgP，x=T,按式 lgP=KAlgPenT,进行y=abx 一元一次方程的直线回归，求取针入度温度指数AlgPen。P
5、I=(20-500 AlgPen)/(1+50 AlgPen)。 表 3.1 针入度试验结果 25 15 5 基质沥青 71.5 20.9 9.3 A 改性沥青 64.1 20.9 9.5 B 改性沥青 65.7 19.8 9.2 C 改性沥青 63.1 23.1 11.1 D 改性沥青 63.2 21.3 7.8 图 3.1 针入度线性回归分析 图 3.2 回归分析结果 由上图可以看出，A、B、C、D 及原样沥青的回归分析的针入度温度指数 AlgPen 分别为 0.0414、0.0426、0.0377、0.0455、0.0442。根据公式计算其对应的针入度指数分别为-0.2439、-0.41
6、534、0.398614、-0.83969、-0.66874。其中，C 型号纳米碳酸钙改性的沥青 PI 值最小，其温度敏感性也最小；D 型号的温度敏感性最小，因为 D 型号的改性剂粒径最大，它的加入改变了基质沥青的均质状态，且大粒径在加工过程中也容易沉积在沥青材料底层，会有比较严重的离析现象，所以 D 试验结果与基质沥青相比，至少 PI 值差别并不大，没有突出的改性效果。 3.2 软化点试验结果 图 3.3 软化点试验结果 如图三所示，1、2、3、4、5 对应的分别为基质沥青、A 改性、B 改性、C 改性、D 改性沥青，可以看出 C 的软化点最高，为 57，比基质沥青提高 11.8%，改性效果
7、比较明显，其他几种改性剂均提高了沥青的软化点。四种改性剂对软化点的提高都很大，并且相互之间差别并不明显，C改性效果稍微突出一点。 3.3 延度的变化 按现行试验规范试验，测得研读数据如图所示，1、2、3、4、5 分别代表基质沥青、A 改性、B 改性、C 改性、D 改性沥青。试验温度为 15。沥青的延性表征其受到外力的拉伸作用时抗塑性变形的总能力，延度越大的沥青其柔韧性越强。根据实验结果可知基质沥青的延度最大，因为其为匀相，整体性较强。在掺加纳米碳酸钙改性剂之后，因为纳米粒子粒径小，表面能高，具有一种自发团聚的趋势。这就会一定程度产生一些应力的不均匀，宏观的反应就是一定程度上延度的减小。其中，C
8、 改性沥青对延度的影响较小，而 B、D 改性剂对延度的影响较大，延度减小了50%还多。 图 3.4 针入度试验结果 3.4 三大指标试验结果分析 由表四以及图一至图四可以看出任意一种纳米材料的加入，都会改变基质沥青的性能，具体说来主要是针入度降低，软化点升高，延度减小。为了选择改性效果最突出的改性剂，依据实验结果分别对各纳米改性沥青排序，结果如表 3.2 所示。 表 3.2 各改性剂试验结果对比 试验项目 性能数据结果对比 针入度 CD=BA 延度 CADB PI CABD 根据针入度越低，软化点、延度、针入度指数 PI 越高的原则，由表3.2 可以看出，在相同制备工艺，相同掺量条件下制备的纳
9、米改性沥青，C 型纳米碳酸钙改性剂改性沥青的综合性能最好，另外几种纳米材料在不同程度上对沥青的性能有所提高，但与 C 型改性剂改性沥青相比，稍逊一筹。C 的改性效果最好，可以作为进一步研究的原料，做更进一步的探讨。 结论 基质沥青的改性研究一直是道路建筑材料研究的重点和难点，改性剂种类繁多，改性工艺各式各样。作为公路从业人员，需要把所做研究与前沿科技结合起来，而纳米材料改性剂，无疑是一个充满潜力的方向。活性纳米碳酸钙的加入，明显提高了基质沥青的各项性能，针入度降低，软化点升高，改善了基质沥青的高温稳定性。纳米材料之所以具有成为机制沥青改性剂的潜力，是因为其小粒径、大比表面积、强活性及诸如量子尺寸效应等特殊物理性能。但是，纳米材料种类多种多样，不是所有的纳米材料都适合作为基质沥青的改性剂来进行改性。 实验证明 C 型纳米碳酸钙的改性效果最为明显，明显提高了基质沥青的综合性能尤其是其高温稳定性。可以选择 C 型材料对其改性机理做进一步深入的研究。 参考文献： 孙璐 王鸿遥等 2012 纳米改性沥青及其路用性能【M】.北京：科学出版社 JTG E20-2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程
