孟勇軍，覃淇鋒

(1.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530000；2.桂西公路管理局，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前道路常用瀝青改性劑主要是聚合物改性劑和天然瀝青改性劑。聚合物改性中以SBS改性瀝青的綜合路用性能最為優(yōu)越，但其生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、能耗高、與瀝青相容性差，限制了聚合物SBS改性瀝青的應(yīng)用[1]。而天然瀝青是石油在巖石縫中受到擠壓，在熱作用、高壓力、氧化作用、細(xì)菌作用、催化劑作用等因素下經(jīng)過長期的沉積、變化而得到的瀝青類物質(zhì)[2]。天然瀝青與基質(zhì)瀝青的相容性比較好，無需預(yù)混可直接摻入瀝青混合料中，使得施工工藝簡單，易操作，且改性價格相對于聚合物改性更低廉合理。但是，由于天然瀝青中瀝青含量不穩(wěn)定，往往會導(dǎo)致其改性效果不明顯，而且天然瀝青的摻入會造成瀝青路面低溫性能的下降，質(zhì)量難以達(dá)到預(yù)期的效果，嚴(yán)重影響天然巖瀝青的推廣使用。

基于以上所述聚合物改性和天然瀝青的優(yōu)缺點，納米材料開始成為很多學(xué)者的研究對象[3-4]。納米材料擁有強表面活性、大比表面積、小粒子直徑等物理特征，基質(zhì)瀝青在進(jìn)行納米改性后，其綜合性能可以得到改善[5-6]。本文使用納米TiO2與天然巖瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，制備不同摻量的納米TiO2/天然巖復(fù)合改性劑RCA(Rock Compound Asphalt)，通過室內(nèi)試驗測試并獲取RCA改性后瀝青及混合料的性能，并且制備了SBS改性和天然巖改性這兩組單一改性對照組進(jìn)行對比，評價納米復(fù)合天然巖改性瀝青的改性效果。

1 原材料與制備工藝

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用中海70#道路用石油瀝青；SBS使用中國石化巴陵有限責(zé)任公司產(chǎn)出的YH-792線形種類，嵌段比為40/60；天然巖瀝青選用印度尼西亞布敦巖瀝青，外觀為黑色粉末狀固體顆粒；納米材料采用河南華榮環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的納米TiO2，外觀為乳白色粉體，平均粒徑為10～15 nm；納米材料因其比表面積大，極易在介質(zhì)中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，有必要采用分散劑對納米材料進(jìn)行處理。硅烷偶聯(lián)劑KH-570是對納米TiO2進(jìn)行表面處理的理想材料，有利于納米粒子分散均勻。本文采用南京向前化工有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑。

1.2 改性瀝青制備方法

納米復(fù)合天然巖改性瀝青的制備工藝是：先按試驗設(shè)計的摻量比例稱取布敦巖瀝青顆粒和已表面處理過的納米TiO2粉末相混合攪拌均勻，再將其加入到165 ℃的基質(zhì)瀝青中，人工攪拌10 min，攪拌溫度維持在165 ℃～175 ℃；初步攪拌均勻后，用高速剪切乳化機攪拌20 min，攪拌期間維持溫度區(qū)間不變，轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 000 r/min，即完成改性瀝青的制備。天然巖改性瀝青制備工藝與上述工藝類似，唯一不同點是無需加入納米TiO2。SBS改性瀝青的制備工藝則是將SBS改性劑加入165 ℃的基質(zhì)瀝青中，先在2 000 r/min條件下攪拌10 min，使SBS充分溶脹，然后在5 000 r/min條件下剪切40 min，攪拌溫度均控制在175 ℃左右，最后在130 ℃的條件下發(fā)育2 h。

按照以上的工藝制備以下各類改性瀝青：基質(zhì)瀝青、基質(zhì)瀝青+3.5%SBS(記為SBS改性瀝青)、基質(zhì)瀝青+20%布敦巖瀝青(記為BRA改性瀝青)、基質(zhì)瀝青+20%布敦巖瀝青+0.5%納米TiO2(記為RCA-1改性瀝青)、基質(zhì)瀝青+20%布敦巖瀝青+1%納米TiO2(記為RCA-2改性瀝青)、基質(zhì)瀝青+20%布敦巖瀝青+2%納米TiO2(記為RCA-3改性瀝青)，并對以上各類改性瀝青及其混合料的性能進(jìn)行研究。

1.3 混合料級配

試驗粗集料采用廣西南寧產(chǎn)粒徑范圍為5～10 mm和10～15 mm的優(yōu)質(zhì)輝綠巖碎石，細(xì)集料和填料分別采用0～5 mm的石灰?guī)r石屑和石灰?guī)r礦粉。瀝青混合料結(jié)構(gòu)選用AC-13型，礦料級配見表1。

表1 礦料級配表

2 改性瀝青性能

2.1 瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗與分析

經(jīng)納米復(fù)合天然巖雙改性劑和單一改性劑改性后的瀝青性能指標(biāo)見表2。

表2 各類型瀝青性能指標(biāo)對比表

從表2可以看出：在相同的溫度下，納米復(fù)合天然巖改性瀝青(RCA改性瀝青)的針入度均低于基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和BRA改性瀝青，且隨著納米TiO2摻量的增加針入度持續(xù)降低，說明瀝青的抵抗變形能力在經(jīng)過納米復(fù)合巖瀝青混融改性后，得到增強；添加納米TiO2后，RCA改性瀝青的PI值提高，當(dāng)摻量為1%時，PI值最大，分別較SBS改性瀝青和BRA改性瀝青提高了36%和45%，表明納米TiO2可以明顯改善瀝青的溫度敏感性，且在摻量為1%時瀝青的感溫性最好。

與BRA改性瀝青相比，RCA改性瀝青的軟化點和135 ℃黏度值均明顯增大，說明納米TiO2能顯著提高BRA改性瀝青的高溫性能，分析其原因在于：(1)納米TiO2粒子的比表面積巨大，摻入BRA改性瀝青后與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生作用，使得瀝青中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)這些高分子量成分比例相對增加，從而有利于提高瀝青的高溫性能；(2)納米TiO2摻入BRA改性瀝青中，表面活性較高的納米粒子與巖瀝青膠束分子及瀝青分子發(fā)生作用，在瀝青分子與巖瀝青膠束分子之間起著連接作用使其結(jié)合更為緊密，增強瀝青材料的粘聚力，進(jìn)而提高瀝青的高溫性能。

延度是評價瀝青低溫抗裂性能的指標(biāo)。摻入BRA巖瀝青使得瀝青的5 ℃延度下降，降低了BRA改性瀝青的低溫性能。隨著納米粒子摻入BRA改性瀝青中，其5 ℃延度值均有所提高，表明納米粒子有利于改善BRA改性瀝青的低溫性能。究其原因在于納米粒子具有特殊的表面和界面效應(yīng)，可以均勻地分散在瀝青中，使瀝青材料緊密地結(jié)合在一起，以抵抗低溫的收縮應(yīng)力，從而提高瀝青的低溫性能。

2.2 DSR試驗車轍因子分析

試驗采用英國Malvern公司Bohlin DSRI動態(tài)剪切流變儀，選擇應(yīng)變控制模式，設(shè)置應(yīng)變值為12%，以10 rad/s的角速度對上文所述的六組原樣狀態(tài)的瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切，選擇車轍因子作為瀝青高溫性能的評價指標(biāo)，其值越大的瀝青，彈性性質(zhì)越顯著，抗變形能力越強[7]。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 各類型瀝青的車轍因子對比表

從表3可以看出，在相同的溫度下，RCA改性瀝青的車轍因子均大于基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和BRA改性瀝青的車轍因子。以原樣瀝青G*/sinδ>1 kPa作為高溫分級標(biāo)準(zhǔn)，RCA-1改性瀝青高溫等級比基質(zhì)瀝青提高2級，比SBS改性瀝青和BRA改性瀝青提高了1級，達(dá)到了82 ℃。RCA-2改性瀝青和RCA-3改性瀝青的高溫等級均比RCA-1改性瀝青提高1級，達(dá)到了88 ℃。說明在高溫條件下RCA改性瀝青的抗變形能力均強于基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和BRA改性瀝青，納米材料的加入可以顯著改良RCA改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能。其原因在于納米TiO2加入BRA改性瀝青中，納米粒子一方面與瀝青中的輕質(zhì)成分發(fā)生作用，增加瀝青中高分子量成分，降低其高溫條件下的流動性；另一方面納米粒子起著橋接巖瀝青膠束分子和瀝青分子的作用，增強瀝青的內(nèi)聚力，使得瀝青形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)受到外力作用時，瀝青中自由瀝青的流動受到限制，其抗變形能力顯著，從而車轍因子增大。

3 改性瀝青混合料路用性能試驗分析

采用馬歇爾試驗方法確定三種摻量(0.5%、1%、1.5%)納米TiO2的RCA改性瀝青混合料及其對照組(基質(zhì)、SBS改性、BRA改性)的最佳油石比。其最佳油石比分別為4.5%、4.5%、4.5%、4.8%、5.0%、4.4%。

3.1 高溫穩(wěn)定性能

3.1.1 車轍試驗

對以上六種瀝青混合料進(jìn)行的車轍試驗結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果對比表

由表4可以看出，5種改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青混合料，且都>2 800次/mm，滿足規(guī)范(《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004)對夏季炎熱區(qū)改性瀝青動穩(wěn)定度的要求。但SBS、BRA改性瀝青混合料均僅略高于規(guī)范的要求，且BRA改性瀝青低溫性能較差，可能難以適應(yīng)夏熱冬寒地區(qū)。分別添加摻量為0.5%、1%和2%的納米TiO2后，相應(yīng)的RCA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別是BRA改性瀝青混合料的1.55倍、2.16倍和2.62倍，表明納米TiO2與BRA復(fù)合可以顯著改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能，當(dāng)納米TiO2不超過1%時，其混合料抗車轍能力提高較快，可見納米TiO2摻量較小時就能大幅度地提高混合料的車轍能力，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。這是因為納米粒子具有巨大的比表面積，摻入后使BRA改性瀝青中的結(jié)構(gòu)瀝青比例增加，而且納米粒子超強的表面活性使得BRA和基質(zhì)瀝青緊密連接形成更穩(wěn)定的體系，改性瀝青的粘聚力提高，增強與集料的粘結(jié)力，從而改善瀝青混合料的高溫性能。

3.1.2 簡單性能試驗方法(SPT)

為了進(jìn)一步評價納米復(fù)合天然巖改性瀝青的高溫性能，本文采用美國NCHRP 9-19項目[8]提出的簡單性能試驗方法(SPT)對以上六種瀝青混合料進(jìn)行研究。該試驗方法由三種不同的試驗構(gòu)成，包括靜態(tài)蠕變試驗、動態(tài)模量試驗和重復(fù)加載永久變形試驗，從不同的方面對瀝青混合料高溫性能進(jìn)行評價。動態(tài)模量試驗中主要指標(biāo)有動態(tài)模量E*和動態(tài)模量指標(biāo)K，有研究表明，E*和K在加載頻率為5 Hz和10 Hz的條件下可以有效地區(qū)分出不同瀝青混合料的車轍性能，且E*和K值越大，其抗車轍性能越好；流變時間Ft和流變次數(shù)Fn分別為靜態(tài)蠕變試驗和重復(fù)加載永久變形試驗的評價指標(biāo)，F(xiàn)t定義為試件加載過程中軸向應(yīng)變最小變化率所對應(yīng)的時間，F(xiàn)n則定義為試件加載過程中永久軸向應(yīng)變最小變化率所對應(yīng)的加載次數(shù)，F(xiàn)t和Fn均與車轍深度有關(guān)，其值越大，意味著混合料越不容易產(chǎn)生車轍，高溫性能越好。

本文動態(tài)模量試驗的條件是：138 kPa圍壓，溫度60 ℃，5 Hz和10 Hz加載頻率，試驗結(jié)果見表5。靜態(tài)蠕變試驗和重復(fù)加載永久變形試驗條件均為：圍壓138 kPa，溫度60 ℃，軸向壓力為0.7 MPa，試驗結(jié)果見表6。

表5 兩種不同加載頻率下的動態(tài)模量試驗結(jié)果對比表

表6 靜態(tài)蠕變試驗和重復(fù)加載試驗結(jié)果對比表

按照參數(shù)E*和K大小來排列，從表5可以看出，RCA改性>SBS改性>BRA改性>基質(zhì)(未改性)，且隨著RCA改性瀝青中納米TiO2摻量越多，相應(yīng)地E*和K值越大，表明RCA改性瀝青混合料的抗車轍能力最優(yōu)，且納米TiO2摻量越多，其抗車轍能力越強，高溫性能越好，這與車轍試驗的分析結(jié)果相同。從表6可以得出，按照Ft和Fn的大小排序，SBS改性>RCA改性>BRA改性>基質(zhì)(未改性)，可見在這四種瀝青混合料中高溫抗車轍性能最好的是SBS改性瀝青混合料，與動態(tài)模量試驗和車轍試驗的結(jié)果不一致，其原因在于SBS改性瀝青的改性機理異于天然巖瀝青改性，SBS改性使得瀝青彈性增加，提高了變形恢復(fù)能力，而巖瀝青改性則是讓瀝青變得更硬，通過降低瀝青溫度敏感性和增加其黏性來提高高溫穩(wěn)定性，故造成了SBS改性瀝青混合的Ft和Fn高于其他瀝青混合料。

3.2 低溫抗裂性

在-10 ℃條件下對以上六種瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗。試驗結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果對比表

從表7可以看出：RCA改性瀝青混合料的抗彎拉強度和破壞應(yīng)變均高于BRA改性瀝青混合料，且隨著納米TiO2摻量的增加，上述兩項性能都不斷提高，0.5%納米TiO2摻量的RCA混合料的破壞應(yīng)變已經(jīng)與基質(zhì)瀝青混合料處于同一水平，且其抗彎拉強度大于SBS改性瀝青混合料，說明納米粒子的加入對提升BRA改性瀝青混合料的低溫性能有顯著的改善作用。

3.3 水穩(wěn)定性能

浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結(jié)果如表8所示。

表8 瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果對比表

由表8可以看出三種不同納米TiO2摻量的RCA改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均大于基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和BRA改性瀝青混合料，且納米TiO2摻量越多，其值越大，說明納米材料可以提高瀝青混合料的抗水損害能力。其原因在于納米TiO2和巖瀝青的雙重改性作用增大了瀝青中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，更高比例的結(jié)構(gòu)瀝青在礦料顆粒間提供的高黏度顯著改善了瀝青混合料的抗水損害性能。

3.4 疲勞性能

試驗采用應(yīng)力控制的三分點加載小梁試驗。試件尺寸采用40 mm×40 mm×250 mm的小梁，試驗溫度為15 ℃，采用頻率為10 HZ的連續(xù)半正矢波形對其進(jìn)行加載。應(yīng)力比分別取0.3、0.4、0.5和0.6。用方程Nf=k(1/σ0)n表征瀝青混合料的疲勞特性，其中Nf是試件達(dá)到破壞時重復(fù)荷載的作用次數(shù)；σ0是對試件每次加載施加的常應(yīng)力最大幅值；k、n是根據(jù)試驗確定的參數(shù)，k值越高表示瀝青混合料的抗疲勞能力越強，n值越高表示瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化的敏感性越高。將疲勞方程兩邊取對數(shù)變成線性回歸方程來處理試驗得到的數(shù)據(jù)，可確定回歸參數(shù)k和n。試驗結(jié)果見下頁表9。

表9 瀝青混合料疲勞性能試驗結(jié)果對比表

由表9可以看出，與其他三種瀝青混合料相比，三種不同納米TiO2摻量的RCA改性瀝青混合料的k值更大、n值則更小，且隨著納米TiO2摻量的增加，k值逐漸增大，n值則隨之減小，說明RCA改性瀝青混合料的抗疲勞性能更好，納米TiO2改善了瀝青混合料的抗疲勞性能。另外，當(dāng)納米TiO2摻量從0.5%增加到1%時，其k值增加了58%，n值減小了1.6%，而當(dāng)摻量從1%增加到2%時，其k值僅增加了13.8%，n值僅減小了0.24%，這說明當(dāng)納米TiO2摻量超過1%時，對瀝青混合料的抗疲勞性能改善效果逐漸減弱，為了兼顧材料性能和經(jīng)濟(jì)性，建議納米TiO2合理摻量在1%左右。

4 結(jié)語

(1)RCA改性瀝青的針入度指數(shù)PI、軟化點和135 ℃黏度都隨著納米TiO2摻量的增加而增大，5 ℃延度則隨著減小，說明納米材料可以改善瀝青溫度敏感性和高低溫性能，且摻量在1%時，各項指標(biāo)的增速達(dá)到了峰值。通過DSR車轍因子試驗發(fā)現(xiàn)，與基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和BRA改性瀝青相比，1%納米TiO2摻量的RCA改性瀝青高溫等級分別提高了3級、2級和2級。

(2)添加納米TiO2后，RCA改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能和疲勞性能均得到顯著的提高。其中改善最為明顯的為高溫性能，摻加0.5%、1%和2%的納米TiO2，其動穩(wěn)定度分別是BRA改性瀝青混合料的1.85倍、2.82倍和3.1倍；摻入納米TiO2后，瀝青混合料低溫性能因巖瀝青存在而導(dǎo)致的損失得到補償；另外，納米TiO2與巖瀝青進(jìn)行復(fù)合改性更能延長瀝青混合料的疲勞壽命。

(3)當(dāng)納米TiO2摻量>1%后，RCA改性對提高瀝青混合料綜合路用性能的影響減弱，同時考慮到RCA改性的經(jīng)濟(jì)效益，建議RCA改性劑中的納米TiO2的合理摻量為1%。