祝雯霞

摘?????要：為了減少瀝青混合料所產(chǎn)生的諸如永久性變形、疲勞和水損等破壞現(xiàn)象，進(jìn)一步提高瀝青混合料性能顯得尤為重要。納米材料因其在力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能等方面的優(yōu)勢(shì)，在瀝青改性中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)分別向PG64-22號(hào)瀝青中加入0.5%～6.0%不同劑量的納米二氧化硅，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅添加劑會(huì)對(duì)瀝青混合料性能產(chǎn)生一定的影響。采用差示掃描量熱法、熱重分析、傅里葉變換紅外光譜和原子力顯微鏡技術(shù)研究了納米二氧化硅對(duì)瀝青的改性效果，并進(jìn)行了定量分析，同時(shí)依據(jù)動(dòng)態(tài)剪切流變學(xué)、車(chē)轍試驗(yàn)和粘附性分析試驗(yàn)確定了最佳納米二氧化硅改性劑含量。

關(guān)??鍵??詞：納米二氧化硅;瀝青混合料性能;改性劑含量

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 027.3⁺6???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ?????文章編號(hào)：?1671-0460（2019）11-2553-04

Effect of Nano-silica Content on the Performance of Asphalt Mixture

ZHU Wen-xia

（Xi'an International University，?Shaanxi Xi'an 710077，?China）

Abstract： In order to reduce the damage of asphalt mixture， such as permanent deformation， fatigue and water damage?and so on，?it is especially important to further improve the performance of asphalt mixture.Nano-structured materials have been widely applied in the modification of asphalt mixture due to their good mechanical， thermal and electrical propertiess.In this paper， the effect of adding nano-silica into PG64-22 asphalt at various contents from 0.5% to 6.0% was evaluated. Morphological， rheological and thermal analysis techniques were used to quantify the effect of asphalt binder modification. The optimum nano-silica content was mainly determined by dynamic shear rheometry，asphalt fatigue and rutting tests and adhesion analysis.

Keyword：?Nano-silica; Performance of asphalt mixture; Optimum modifier content

由于交通量的日益加重、車(chē)輛載荷的不斷增加，不得不通過(guò)瀝青改性的方法來(lái)提高瀝青混合料路面的路用性能。以前常用一些聚合物改性的方法，比如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-橡膠或橡膠改性。而現(xiàn)在通過(guò)納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行微觀改性已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)^[1]。

用納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性與現(xiàn)有的瀝青改性方法截然不同，較小的尺寸和較大的接觸面積是導(dǎo)致性能改善的重要因素，最佳濃度和最佳劑量是次要因素。因此納米材料改性劑能夠在涂料中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。納米材料改性劑有納米氧化鋅，納米氧化鋁，納米二氧化硅等。這些添加劑都有助于提高材料的耐蝕性、機(jī)械性能和防紫外線的性能^[2]。

硅在自然界中常見(jiàn)于砂子和石英，以及硅藻的細(xì)胞壁中。納米二氧化硅具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、分散性好、化學(xué)純度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。納米二氧化硅通過(guò)增加防水性來(lái)改善涂料的性能，并作為傳統(tǒng)有機(jī)添加劑的替代品，可以防止微生物、物理和化學(xué)惡化等，達(dá)到表面防護(hù)的作用。常被用作添加劑、催化劑載體、橡膠強(qiáng)度劑、石墨黏度劑等，近年來(lái)又被用作瀝青改性劑^[3]。

本文通過(guò)向?yàn)r青中加入不同含量的納米二氧化硅改性劑，濃度分別為瀝青含量的0.5%～6%，并通過(guò)差示掃描量熱法、熱重分析、傅里葉變換紅外光譜和原子力顯微鏡技術(shù)研究了改性劑對(duì)瀝青化學(xué)成分和流變性能的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本研究的主要目的是在評(píng)價(jià)納米二氧化硅對(duì)瀝青改性作用的基礎(chǔ)上，確定改性劑的最佳摻量。本研究采用DSR疲勞試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)以及BBS試驗(yàn)，分析了納米材料改性劑對(duì)瀝青混合料的改性效果。

1.2??試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見(jiàn)表1。本研究中使用的二氧化硅是一種氣相二氧化硅，也稱(chēng)熱成因二氧化硅，因?yàn)樗窃诨鹧嬷猩傻模晌⒂^無(wú)定型二氧化硅液滴熔融成分枝狀、鏈狀的三維二次顆粒后再凝聚成三級(jí)顆粒。所得粉末的容重極低，表面積大。其三維結(jié)構(gòu)使其用作增稠劑或增強(qiáng)填料時(shí)具有增粘、觸變性能。其表面積在175～225 m²/g之間，密度為2.2 g/cm²。

分別采用瀝青含量0.5%、3%、6%的納米二氧化硅對(duì)瀝青進(jìn)行改性。試驗(yàn)表明，由于納米二氧化硅具有較高的彈性模量和較高的降解溫度，從而提高了瀝青在高溫環(huán)境下的性能，并提高了瀝青的中間臨界溫度。

2??材料特性

2.1??傅里葉變換紅外光譜分析

該試驗(yàn)是基于紅外光譜研究樣品的分子結(jié)構(gòu)，紅外輻射通過(guò)樣品時(shí)部分被吸收，部分通過(guò)透射散發(fā)。通過(guò)將添加改性劑前后樣品的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析，可以了解改性劑對(duì)瀝青的改性效果^[4]。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可知，納米二氧化硅有三個(gè)特征帶，分別是：第一個(gè)是高強(qiáng)度帶在1 050 cm^-1波谷處，第二個(gè)是低強(qiáng)度帶在850 cm^-1波谷處，第三個(gè)是高強(qiáng)度帶在450 cm^-1波谷處。正和預(yù)期一致，這些基團(tuán)的強(qiáng)度隨著改性粘合劑中納米二氧化硅含量的增加而增加，且不超過(guò)二氧化硅的自身強(qiáng)度，從而為改性劑的最佳摻量提供了證據(jù)。

2.2 ?原子力顯微鏡分析

采用AFM（原子力顯微鏡分析）法分析了改性劑在瀝青中的分布。該試驗(yàn)可以看出樣品的分布、三維結(jié)構(gòu)及表面的粗糙程度，但不能看出改性劑在瀝青混合料的分布和摻量，分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在基質(zhì)瀝青中加入改性劑會(huì)增加瀝青表面粗糙度（峰值紋理值），這可能與顆粒聯(lián)鎖及改性劑剛度有關(guān)，同時(shí)也是納米二氧化硅改性劑存在于瀝青中的有利證據(jù)。

2.3??差示掃描量熱分析

DSC（差示掃描量熱分析）被廣泛應(yīng)用于一階躍遷引起的熱躍遷的測(cè)定，比如可結(jié)晶物體的融化與結(jié)晶^[5]。T_g（玻璃化轉(zhuǎn)變）被認(rèn)為是發(fā)生在樣品的非晶區(qū)域的二階現(xiàn)象，但很大程度上取決于材料的性質(zhì)及其可結(jié)晶組分的含量（DH?—熱焓），也可由圖3定義。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，瀝青表現(xiàn)為玻璃狀脆性并直接影響其疲勞性能。

表2顯示了不同種類(lèi)瀝青的計(jì)算參數(shù)。基質(zhì)瀝青的起始溫度為-45.7 ℃，改性瀝青的起始溫度在-40～-50 ℃之間?；|(zhì)瀝青與改性瀝青的玻璃化溫度有顯著差別，可以看出加入改性劑之后T_g明顯降低，且對(duì)熔融溫度T_m幾乎沒(méi)有影響，即加入納米二氧化硅改性劑能夠明顯改善瀝青的低溫抗裂性能。

2.4??熱重量分析

TGA（熱重量分析）是一種熱分析方法，在這種方法中，材料的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化被看做為溫度循環(huán)增加或減少的函數(shù)（在恒定的升溫速率下），或作為時(shí)間的函數(shù)（在恒定的溫度或恒定的質(zhì)量損失下）來(lái)測(cè)定的。TGA通過(guò)分析瀝青由于分解、氧化或會(huì)發(fā)而產(chǎn)生的質(zhì)量增減，進(jìn)行定性分析。

圖4是該試驗(yàn)TGA分析結(jié)果，其中質(zhì)量開(kāi)始損失時(shí)的溫度為起始溫度，質(zhì)量損失變化率最高的點(diǎn)稱(chēng)為拐點(diǎn)（由質(zhì)量損失曲線的一階導(dǎo)數(shù)取得）。試驗(yàn)表明：所有瀝青樣品的分解溫度為750 ℃，在此溫度下納米二氧化硅的質(zhì)量損失僅為2.1%。因此，通過(guò)熱穩(wěn)定性良好的納米二氧化硅改性瀝青，應(yīng)該可以改善瀝青的高溫性能。

為了還原實(shí)際的生產(chǎn)條件，表3對(duì)比了不同瀝青樣本在200 ℃高溫下的質(zhì)量損失，同時(shí)還顯示了瀝青質(zhì)量損失過(guò)程中的分解溫度、拐點(diǎn)溫度及殘余量。試驗(yàn)表明：摻量為6%的納米二氧化硅改性瀝青熱穩(wěn)定性最好，200 ℃時(shí)質(zhì)量損失僅為0.18%?；|(zhì)瀝青的分解溫度為255.3 ℃，但是隨著添加劑納米二氧化硅含量的增加，改性瀝青的分解溫度逐漸降低，且拐點(diǎn)溫度及殘余量也逐漸提高。

3 ?納米二氧化硅對(duì)瀝青的改性效果

3.1 ?疲勞性能

本文采用DSR試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能，試驗(yàn)溫度為22 ℃，角頻率為10 rad/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)表明：所有瀝青試件在黏彈性范圍內(nèi)隨著初始模量衰減出現(xiàn)一次損傷區(qū)，伴隨損傷的進(jìn)一步加劇隨后出現(xiàn)了二次損傷區(qū)。將兩次損傷區(qū)之間且“相角-時(shí)間”曲線斜率為零時(shí)的點(diǎn)稱(chēng)為拐點(diǎn)。

分別計(jì)算每一條疲勞曲線的時(shí)間拐點(diǎn)和G*值，并與瀝青模量降低50%時(shí)所消耗的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。可以看出：向?yàn)r青中摻加0.5%的納米二氧化硅改性劑，改性瀝青的疲勞性能降低;向?yàn)r青中分別摻加3%和6%的納米二氧化硅改性劑，改性瀝青的疲勞性能明顯提升;當(dāng)納米二氧化硅改性劑的摻量為3%時(shí)，改性瀝青的疲勞性能最好;當(dāng)改性劑含量超過(guò)6%時(shí)，隨著改性劑含量的

增加，改性瀝青的疲勞性能反而明顯降低，這可能是因?yàn)楦男詣┑挠捕群徒Y(jié)晶含量對(duì)瀝青疲勞性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。

3.2??抗車(chē)轍性能

本文采用重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的抗車(chē)轍性能。重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)的試驗(yàn)條件是：64 ℃高溫、剪切壓力100 Pa、試件施加300個(gè)載荷循環(huán)。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，蠕變時(shí)間為1.0 s。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)表明：加入納米二氧化硅的改性瀝青混合料的抗車(chē)轍性能均強(qiáng)于基質(zhì)瀝青混合料。這主要是因?yàn)楦男詣┑膭偠群途w含量有助于提升瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。

3.3 ?粘附性

為了將集料-瀝青之間的機(jī)械聯(lián)鎖最小化，以確保粘附測(cè)量值與材料之間的熱力學(xué)相互作用相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)集料表面進(jìn)行拋光，然后放入超聲波浴中去除表面的殘留物。本文通過(guò)BBS試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度值來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料之間的粘附性。試驗(yàn)條件：加載速率為100 psi/s，試件在40 ℃水浴浸泡48 h且室溫環(huán)境存放24 h，每種試件需做兩個(gè)試樣。試驗(yàn)表明：隨著改性劑納米二氧化硅含量的增加，混合料粘附性逐漸增強(qiáng)。然而，當(dāng)改性劑含量達(dá)到一定劑量時(shí)（>3%），混合料粘附性有下降趨勢(shì)。

本文采用BSR（干-濕情況下的粘結(jié)強(qiáng)度比）來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證改性瀝青混合料的粘附性。試驗(yàn)表明：改性瀝青混合料的BSR值均高于基質(zhì)瀝青混合料的BSR值;當(dāng)改性劑含量為3%時(shí)，改性瀝青混合料的粘附性最好。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3.4 ?確定改性劑最佳摻量

將上述試驗(yàn)所得到的瀝青混合料性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表5所示，總共分為1、2、3、4四個(gè)等級(jí)，1表示性能最好，4表示性能最差。從表中可以看出：改性劑含量為3%和6%的納米二氧化硅混合料其熱穩(wěn)定性能較好，抗永久性車(chē)轍能力較高，有良好的低溫穩(wěn)定性和粘附性。

從經(jīng)濟(jì)條件考慮，改性劑摻量為3%更為適宜。

4??結(jié)?論

（1）采用納米二氧化硅能夠改善瀝青混合料的物理性能和熱穩(wěn)定性，且能夠提高瀝青混合料顆粒間的互鎖程度，從而改善混合料的粗糙度;

（2）隨著納米二氧化硅的加入，混合料中可結(jié)晶組分的含量增加導(dǎo)致混合料熱穩(wěn)性提高，從而改善了混合料抗永久性變形的能力;

（3）采用納米二氧化硅改性瀝青混合料會(huì)降低混合料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，從而在一定程度上提高瀝青混合料的粘附性;

（4）參考試驗(yàn)結(jié)果并綜合考慮瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，給出納米二氧化硅改性劑的最佳摻量為瀝清質(zhì)量的3%。

參考文獻(xiàn)：

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