江 鋒

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，武漢 430051)

納米材料由于其比表面積大，具有良好的表面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)，能夠從微觀尺度上改善瀝青的各項性能。因此，近年來通過添加納米材料改善瀝青性能的研究已越來越多[1-6]。陳淵召等[7]通過制備不同納米氧化鋅摻量的瀝青混合料并進(jìn)行室內(nèi)路用性能試驗，證明了4%納米氧化鋅摻量能夠明顯改善瀝青混合料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性能，并總結(jié)提出了基質(zhì)瀝青與納米氧化鋅之間的共熔體系理論。Hossein Nazari等人[8]通過添加納米TiO2對瀝青進(jìn)行改性，試驗結(jié)果表明：與基質(zhì)瀝青混合料相比，添加適量的納米TiO2可以有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能以及疲勞性能。Mehmet Saltan等人[9]通過試驗證明適量的納米SiO2同樣可以有效改善瀝青的流變性能、提升瀝青混合料的各項路用性能。程永春等[10]通過試驗證明，納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維復(fù)合作用可以大幅提高瀝青的熱力學(xué)性能，對瀝青混合料的抗永久變形能力的提高起顯著作用。

目前，常用于改善瀝青性能的納米材料種類主要有ZnO、TiO2、SiO2等[11]，然而將同樣具有優(yōu)良性能的納米SiC材料應(yīng)用于改善瀝青性能方面國內(nèi)外仍鮮有研究[12]。鑒于此，該文采用高速剪切儀制備6種不同納米SiC材料摻量改性瀝青，通過DSR試驗(即瀝青流變性質(zhì)試驗)及BBR試驗(即彎曲蠕變勁度試驗)確定納米SiC材料摻量對基質(zhì)瀝青性能的改善效果，優(yōu)選2組綜合性能較好時所對應(yīng)的納米SiC材料摻量進(jìn)行瀝青混合料路用性能試驗對比分析，最后通過紅外光譜試驗從微觀角度對納米SiC材料改性瀝青機理進(jìn)行分析研究。

1 試驗材料及混合料級配

1.1 試驗材料

試驗所用納米SiC材料由宇航金屬材料有限公司提供，基質(zhì)瀝青采用的是殼牌70號基質(zhì)石油瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 納米SiC技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

粗集料選取10～20 mm、5～10 mm、3～5 mm石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為0～3 mm機制砂，礦粉采用石灰石礦粉。依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對粗、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行各項性能指標(biāo)試驗檢測，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 集料基本性能指標(biāo)

1.2 納米SiC改性瀝青的制備及摻量確定

1.2.1 納米SiC對瀝青三大指標(biāo)的影響

采用高速剪切儀進(jìn)行納米SiC改性瀝青的制備，具體工藝如下：控制剪切速度為2 000 r/min，攪拌20 min后，將剪切速度提升至7 000 r/min高速剪切40 min，制備過程全程控制溫度在(160±2)℃范圍內(nèi)。為確定納米SiC最佳摻量，分別以2%、4%、6%、8%、10%共5種不同摻量進(jìn)行瀝青改性試驗。以0摻量基質(zhì)瀝青為對照，利用瀝青針入度、軟化點、延度三大指標(biāo)對納米SiC改性瀝青性能進(jìn)行綜合分析，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同納米SiC摻量改性瀝青性能試驗結(jié)果

通常認(rèn)為針入度越低，表明瀝青黏性越強，對機械施工越有利；軟化點越高，表明瀝青熱穩(wěn)定性能越好；延度越大，則表明瀝青低溫性能越好。由表3可以看出隨著納米SiC摻量的不斷增加，改性瀝青的針入度不斷減小，軟化點不斷增加，延度則呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)。其中，當(dāng)納米SiC摻量為4%時，改性瀝青較基質(zhì)瀝青針入度降低了7.5%，軟化點提高了6%，延度增加了3.6%。

試驗表明：摻入適量的納米SiC可以有效提升瀝青的各項性能，初步分析其原因一方面在于納米SiC比表面積較大，能夠有效吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，從而降低瀝青的溫度敏感性；另一方面在于納米SiC具有較高的表面活化能，能夠與瀝青有效地結(jié)合，從而使瀝青性能有所提升。然而納米SiC屬于無機剛性納米粒子，受力也不會產(chǎn)生較大的變形。因此在受拉狀態(tài)下，當(dāng)納米SiC含量較高時，納米粒子與瀝青會發(fā)生脫黏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而造成瀝青出現(xiàn)脆斷，這也是改性瀝青延度隨納米SiC摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象的主要原因。

1.2.2 納米SiC對瀝青高溫性能的影響

目前，國內(nèi)外用于瀝青高溫穩(wěn)定性測試試驗方法主要為DSR試驗，該試驗利用動態(tài)剪切流變儀，采用應(yīng)變控制模式，在不同溫度條件下，控制剪切速率為10 rad/s對原樣瀝青動態(tài)剪切試驗，并以經(jīng)RTFOT(即旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗)后殘留瀝青在相同條件下試驗結(jié)果為對比，以車轍因子為主要評價指標(biāo)，分析不同納米SiC摻量對瀝青熱氧老化的影響規(guī)律。

同一溫度條件下，原樣瀝青及經(jīng)RTFOT老化后的瀝青隨著納米SiC的摻量不斷提高，對應(yīng)的車轍因子均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中以納米SiC摻量為4%時車轍因子提高最為顯著。納米SiC摻量4%時，隨溫度提升(溫度分別為58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃)，車轍因子提高幅度依次約為20%、14.4%、52.9%、112.5%，經(jīng)RTFOT老化后瀝青車轍因子提高幅度依次約為9.5%、16%、38.8%、92.5%。這一結(jié)果證明納米SiC可以有效增強基質(zhì)瀝青的高溫抗流變性能，提高其高溫穩(wěn)定性。

1.2.3 納米SiC對低溫性能的影響

彎曲梁蠕變試驗(BBR)常用于測定瀝青的低溫性能，通過試驗所測得彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m可以真實反映出瀝青的抗裂性能的好壞。采用BBR試驗，分別在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃溫度條件下，對不同納米SiC摻量改性瀝青進(jìn)行低溫性能試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 不同納米SiC摻量改性瀝青BBR試驗結(jié)果

從表5可以看出，相同溫度條件下，瀝青蠕變勁度模量隨納米SiC摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而蠕變速率m則隨納米SiC摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。但相較于基質(zhì)瀝青，摻入納米SiC瀝青蠕變勁度模量均有所減小，蠕變速率則有所增大，表明摻入納米SiC可以改善瀝青的低溫抗裂性能。這是由于當(dāng)溫度下降，瀝青材料發(fā)生收縮時，納米SiC通過與瀝青的有效結(jié)合，抵消了一部分溫縮應(yīng)力，從而降低了瀝青的勁度，降低了低溫開裂的可能性。

1.3 混合料級配及最佳油石比的確定

采用AC-20型級配，具體級配結(jié)果見表6。通過馬歇爾試驗分別確定不同納米SiC摻量條件下所對應(yīng)的瀝青混合料最佳油石比。表7為不同納米SiC摻量條件下所測得的最佳油石比及其對應(yīng)的各項性能指標(biāo)試驗結(jié)果。

表6 級配通過率

表7 馬歇爾試驗性能指標(biāo)

從表7可以看出，納米SiC的摻入對瀝青混合料的最佳油石比影響不大，對最佳油石比條件下的密度影響也較小，表明納米SiC的摻入對瀝青混合料的和易性影響不大。

2 納米SiC改性瀝青混合料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

針對瀝青混合料高穩(wěn)定性能的評價試驗最常用的是車轍試驗，該試驗采用鋼輪往復(fù)碾壓車轍板試件模擬實際路面受力狀態(tài)，通過60 ℃環(huán)境下，鋼輪碾壓45 min與60 min后試件的變形量測算其動穩(wěn)定度，用以評價瀝青混合料的高溫抗車轍能力。采用車轍試驗進(jìn)行瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的測試，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 車轍試驗性能指標(biāo)

從表8可以看出，納米SiC可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力。相較于基質(zhì)瀝青，隨著納米SiC摻量的提高，對應(yīng)的混合料動穩(wěn)定度提高量依次為525、1 081、691、375、239。提高量先增大后減小，其中以4%納米SiC摻量動穩(wěn)定度提高幅度最大，約為34.3%，這一結(jié)果同時也證明了瀝青膠漿高溫流變性能與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能之間具有良好的相關(guān)性。

2.2 水穩(wěn)定性

為研究納米SiC對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，該文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗共同評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 水穩(wěn)定性能試驗指標(biāo)

從表9可以看出，納米SiC對瀝青混合料抗水損害性能仍具有一定的改善效果，5種不同摻量較基質(zhì)瀝青殘留穩(wěn)定度提高幅度依次為2.4%、7.9%、10.7%、7.5%、3%，凍融劈裂強度比提高幅度依次約為1.4%、9.5%、10.2%、8.1%、2.2%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要得益于納米SiC較高的表面能，其與瀝青之間的范德華力大幅度提高了瀝青的內(nèi)聚力，從而增加了瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的含量，表現(xiàn)為瀝青混合料水穩(wěn)定性能得以改善。

2.3 低溫抗裂性

采用低溫彎曲梁試驗評價納米SiC對瀝青混合料低溫性能的影響效果，試驗結(jié)果見表10。

表10 低溫彎曲試驗性能指標(biāo)

從表10可以看出，隨納米SiC摻量的增大，抗彎拉強度與最大彎拉應(yīng)變均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但均較基質(zhì)瀝青要高，表明納米SiC對瀝青混合料低溫抗裂性能具有一定程度的改善作用。該試驗結(jié)果與瀝青延度試驗及BBR試驗結(jié)果規(guī)律一致，表明三者之前存在一定的相關(guān)性。從抗彎拉強度及最大彎拉應(yīng)變增幅方面來看，當(dāng)納米SiC摻量為4%時增幅最大，分別為11%與13.6%。通常情況下，瀝青勁度模量主要由瀝青黏度和溫度敏感性決定，納米SiC能夠與瀝青產(chǎn)生良好的界面效應(yīng)，從而提高瀝青黏度，降低其溫度敏感性，表現(xiàn)為抗彎拉強度及最大彎拉應(yīng)變的提高，呈現(xiàn)出更好的低溫抗裂性能。

3 納米SiC改性瀝青共混機理分析

3.1 瀝青四組分分析

通常認(rèn)為瀝青主要由瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分四組分構(gòu)成，四組分含量的變化直接影響瀝青的各項性能?，F(xiàn)代膠體理論認(rèn)為，瀝青質(zhì)屬于分散相，飽和分和芳香分(統(tǒng)稱油分)屬于分散介質(zhì)，膠質(zhì)則主要起膠溶作用，將分散相的膠核溶于油分介質(zhì)中，形成膠團。而納米SiC的加入，將直接導(dǎo)致瀝青四組分含量的變化，一部分納米SiC吸附瀝青中的輕質(zhì)油分并于膠質(zhì)結(jié)合，起到瀝青質(zhì)的作用，從某種意義上使瀝青質(zhì)含量增大，提升瀝青的黏度、稠度以及軟化點，使瀝青整體表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性能。

3.2 紅外吸收光譜分析

紅外吸收光譜試驗主要原理是利用不同化學(xué)結(jié)構(gòu)對不同波數(shù)的紅外光的吸收程度不同，通過分析透過物質(zhì)的紅外光束的波長及透過率，達(dá)到測定物質(zhì)存在的主要化學(xué)官能團及結(jié)構(gòu)的目的。分別對基質(zhì)瀝青及4%納米SiC摻量改性瀝青進(jìn)行紅外吸收光譜試驗，將試驗結(jié)果匯總繪制如圖1所示。

3.3 SEM分析

分別對基質(zhì)瀝青與納米SiC改性瀝青進(jìn)行電鏡掃描試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。從掃描電鏡圖可以看出基質(zhì)瀝青斷面較為平整、光滑，物質(zhì)組成較為單一，幾乎不含其它雜物，呈現(xiàn)較為理想的均勻瀝青相。從納米SiC改性瀝青掃描電鏡圖可以看出，納米SiC顆粒在基質(zhì)瀝青中分布較為均勻，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，且納米SiC顆粒與瀝青之間沒有明顯的分界面，表明納米SiC與瀝青之間具有良好的相容性，瀝青中部分輕質(zhì)油分被納米SiC吸收使得二者之間結(jié)合力更強，形成連續(xù)相，宏觀表現(xiàn)為其高溫穩(wěn)定性能提升。

3.4 納米SiC與瀝青的共混分析

納米SiC比表面積較大，其表面能也較大，納米SiC顆粒與瀝青之間的吸附作用，使納米粒子與瀝青基體存在較強的范德華力，這一物理作用使瀝青表現(xiàn)出更好的高低溫性能。

在化學(xué)反應(yīng)方面，納米SiC與瀝青之間僅存在極為微弱的化學(xué)反應(yīng)，新的化學(xué)鍵產(chǎn)生量較少，因此可以認(rèn)為納米SiC在化學(xué)角度上對瀝青的改善作用并不明顯。

4 結(jié) 論

a.根據(jù)2%、4%、6%、8%、10%5種不同納米SiC摻量改性瀝青的DSR與BBR試驗結(jié)果，可以看出摻入納米SiC對基質(zhì)瀝青的高溫、低溫性能均有所提升。

b.根據(jù)5種不同摻量瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果，證明納米SiC可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力、抗水損害能力以及低溫抗裂性能。

c.納米SiC摻量為4%時，其對應(yīng)的瀝青及瀝青混合料均表現(xiàn)出最優(yōu)的性能，表明瀝青性能與瀝青混合料性能具有良好的相關(guān)性。

d.4%納米SiC摻量改性瀝青車轍因子提高約52.9%，動穩(wěn)定度提高約34.3%，殘留穩(wěn)定度提高約10.7%，凍融劈裂強度比提高約10.2%，抗彎拉強度提高約11%。這一結(jié)果表明4%納米SiC摻量不僅能夠改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能以及低溫性能，同時還能夠大幅度提升其高溫穩(wěn)定性能。

e.通過紅外吸收光譜試驗對基質(zhì)瀝青與納米SiC改性瀝青進(jìn)行微觀分析可知，納米SiC與基質(zhì)瀝青之間化學(xué)反應(yīng)較弱，其主要共混形式以物理結(jié)合為主。通過SEM試驗可知，納米SiC與基質(zhì)瀝青之間具有良好的相容性，部分輕質(zhì)油分被納米SiC吸收使得二者之間結(jié)合力更強。