纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的性能

刘大梁，姚洪波，包双雁

 (长沙理工大学 公路工程学院，湖南 长沙，410076)

摘　要：用直接剪切的方法制备纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青，对纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的常规技术性能、SHRP技术性能及动态力学性能等进行试验研究。研究结果表明，在SBS改性沥青(SBS含量为5%)中掺入纳米碳酸钙后，随着纳米碳酸钙含量的增加，复合改性沥青的软化点、针入度指数提高，但5 ℃时延度降低；纳米碳酸钙和SBS含量均为5%的复合改性沥青满足PG 76—22的指标要求；纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的贮能模量E′、损耗模量E″在试验温度区间(-30~30 ℃)均比SBS改性沥青的高，但复合改性沥青的损耗角正切  (tan δ)在10 ℃以下略比SBS改性沥青的高，而在10 ℃以上则略比SBS改性沥青的低，说明在SBS改性沥青中掺入纳米碳酸钙获得了良好的增强效果，且低温下的韧性有所提高。

关键词：纳米碳酸钙；SBS；复合改性沥青

中图分类号：U414.75         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2007)03-0579-04

Performance of nano-calcium carbonate and SBS compound modified asphalt

LIU Da-liang, YAO Hong-bo, BAO Shuang-yan

 (School of Highway Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)

Abstract: Nano calcium carbonate and SBS complex-modified asphalt were prepared by direct shear. Their common technical performance, SHRP technical performance and dynamic mechanical property were tested. The results show that both the softening point and penetration index are heightened with the increase of nano calcium carbonate, but the ductility at 5 ℃ reduces when the SBS modified asphalt (the mass fraction of SBS is 5%) is mixed with nano calcium carbonate. The modified asphalt satisfies the specification requirements of PG 76—22 when the content of nano calcium carbonate and SBS are all 5%. Storage modulus E′ and loss modulus E″ of the nano calcium carbonate and SBS compound modified asphalt are a little higher than those of the SBS modified asphalt in the test temperature range (-30－30 ℃). However, the loss tangent (tan δ) of compound modified asphalt is a little higher than that of SBS modified asphalt at 10 ℃, while the nano calcium carbonate and SBS compound modified asphalt is a little lower than that of SBS modified asphalt above the temperature of 10 ℃. This suggests that the nano calcium carbonate can enhance SBS modified asphalt as well as improve low temperature toughness.

Key words: nano calcium carbonate; SBS; compound modified asphalt

SBS改性沥青因其具有独特的高温稳定性、低温柔性和弹性恢复性能，目前已成为高等级公路沥青路面的主要改性沥青品种^[1-4]；纳米碳酸钙已实现大规模工业化生产，且价格较低，目前已广泛应用于聚合物、粘合剂和涂料等产品中，获得良好的增韧、增强及增容等技术效果^[5-9]。在此，本文作者将纳米碳酸钙应用于SBS改性沥青中，对制备的纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的常规技术性能、SHRP技术性能及动态力学性能等进行试验研究。

1  实　验

1.1  主要原料

主要原料为：沥青，为镇海炼油化工厂生产的重交沥青AH—70，针入度(25 ℃，100 g，5 s，1/10 mm)为72，软化点为45.5 ℃，15 ℃时延度为75.2 cm；SBS改性剂，为岳阳石油化工总厂生产的YH-791型产品，线形，嵌段比(S/B)为30/70；纳米碳酸钙，为北京纳诺泰克纳米科技有限公司产品，外观为白色粉末，平均粒径为15~40 nm，比表面积(BET)为(40±5) m²/g，经复合改性剂表面处理。

1.2  复合改性沥青的制备方法

将一定量的基质沥青加热到170 ℃后，按5%掺量加入SBS，用高剪切分散乳化机(上海弗鲁克机电设备有限公司制造，FM-300型)在温度为170~185 ℃、转速为4 000~6 000 r/min的条件下，剪切分散为1.0~1.5 h；再分别按比例加入纳米碳酸钙, 在转速为　5 000~7 000 r/min时，剪切1 h制成SBS和纳米碳酸钙复合改性沥青，然后，在165~175 ℃发育2 h后进行技术性能试验。

1.3  复合改性沥青的性能试验方法

1.3.1  纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的常规技术性能试验

按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ 052—2000)进行。

1.3.2  纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的SHRP技术性能试验

参照美国战略公路研究计划(SHRP)的研究成果，使用美国沥青材料试验设备，对纳米碳酸钙和SBS含量均为5%的复合改性沥青按PG分级试验指标进行。

1.3.3  纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的动态力学性能试验

与针入度、软化点等常规参数比较，改性沥青的动态性能更加接近材料在使用条件下的粘弹行为，更适用于预测沥青的路用性能^[10-11]。在此，采用美国科学流变公司生产的DMTA-Ⅴ型仪器分别对纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青(纳米碳酸钙和SBS含量均为5%)及SBS改性沥青(SBS含量为5%)试样进行动态力学性能试验；样品尺寸(长×宽×高)为25 mm×5 mm×3 mm，加载方式为单悬臂梁模式，振动频率为1 Hz，升温速率为3 ℃/min，试验温度为-30~30 ℃。

2  结果与讨论

2.1  复合改性沥青的常规技术性能

对不同纳米碳酸钙含量的纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的主要技术性能进行试验，其结果见表1。

表1  纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青常规技术性能指标

Table 1  Conventional indexes of nano-CaCO₃ and SBS compound modified asphalt

从表1可看出，在SBS含量为5%的改性沥青中掺入纳米碳酸钙后，纳米碳酸钙的含量从1%增加到7%，纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的针入度指数、软化点、当量软化点、运动粘度增大，说明其高温稳定性能提高；但5 ℃时的延度、弹性等下降。

2.2  复合改性沥青的SHRP技术性能

对纳米碳酸钙和SBS含量均为5%的复合改性沥青按PG分级试验指标进行试验研究，其原样沥青、旋转薄膜烘箱残留物(163 ℃, 85 min)、压力老化残留物(100 ℃, 20 h, 2.1 MPa)的试验结果如表2~4所示。

表2  原样沥青试验结果

Table 2   Experimental results of the original asphalt

表3  旋转薄膜烘箱残留物试验结果

Table 3  Experimental results of the residues after RTFOT

表4  压力老化残留物试验结果

Table 4  Experimental results of the residues after PAV

由表2~4可以看出，纳米碳酸钙和SBS含量均为5%的复合改性沥青性能满足PG 76—22的指标要求。

2.3  复合改性沥青的动态力学性能试验

分别对纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青(纳米碳酸钙和SBS含量均为5%)及SBS改性沥青(SBS含量为5%)试样进行动态力学性能试验，其储能模量E′、损耗模量E″及损耗角正切(tan δ)与温度的关系曲线分别如图1~3所示。

1—SBS改性沥青；2—纳米碳酸钙+SBS改性沥青

图1  改性沥青的储能模量E′与温度的关系曲线

Fig.1  E′-T curves of modified asphalt

1—SBS改性沥青；2—纳米碳酸钙+SBS改性沥青

图2  改性沥青的损耗模量E″与温度的关系曲线

Fig.2  E″-T curves of modified asphalt

1—SBS改性沥青；2—纳米碳酸钙+SBS改性沥青

图3  改性沥青的损耗角正切与温度的关系曲线

Fig.3  tan δ-T curves of modified asphalt

出，在-30~30 ℃温度范围内，纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青及SBS改性沥青的储能模量E′随着温度的升高而下降，二者的变化趋势基本接近；但在此温度内，纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青储能模量E′比SBS改性沥青的高，说明加入纳米碳酸钙显著地提高了SBS改性沥青的弹性刚度^[12-13]，获得了良好的增强效果，这有利于提高SBS改性沥青的高温稳定性，提高SBS改性沥青的高温抗车辙能力。从图2可以看出，纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青及SBS改性沥青的损耗模量E″随温度的升高而下降，二者的变化趋势基本接近，但纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的损耗模量E″比SBS改性沥青的高。材料的损耗模量E″是表征材料粘性的参数，其值越高，说明材料的韧性越强^[13]，因此，加入纳米碳酸钙不仅能提高SBS改性沥青高温稳定性，而且能提高其低温韧性。从图3可以看出，纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青的损耗角正切(tan δ)在10 ℃以下时略比SBS改性沥青的高，而在10 ℃以上时则略比SBS改性沥青的低，这进一步说明纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青在　　10 ℃以上时，粘性小而弹性刚度更大，而在10 ℃以下则粘性大，韧性更大。

3  结  论

a. 在SBS改性沥青(SBS含量为5%)中掺入纳米碳酸钙，纳米碳酸钙的含量从1%增加到7%，复合改性沥青的软化点、针入度指数、当量软化点、运动粘度等有一定的提高，但5 ℃时延度有所降低。

b. 纳米碳酸钙和SBS含量均为5%的复合改性沥青其SHRP技术性能满足PG 76—22的指标要求。

c. 纳米碳酸钙和SBS复合改性沥青(纳米碳酸钙和SBS含量均为5%)的贮能模量E′、损耗模量E″在试验温度区间(-30~30 ℃)均比SBS改性沥青(SBS含量为5%)的高，但其损耗角正切(tan δ)在10 ℃以下时比SBS改性沥青的略高，而在10 ℃以上时比SBS改性沥青的略低。动态力学性能试验结果表明，在SBS改性沥青中掺入纳米碳酸钙可获得良好的增强效果，同时低温下的韧性也有所加强。

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收稿日期：2006-12-08

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(05JJ40085)

作者简介：刘大梁(1960-)，男，湖南桃江人，硕士，副教授，从事路面材料研究

通讯作者：刘大梁，男，副教授；电话：13574875118；E-mail: liudaliang18@yahoo.com.cn