■吳冬生

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 南京 210017)

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加大投入，道路建設(shè)進(jìn)程也在不斷加快，瀝青路面作為當(dāng)前最廣泛采用的路面類型，具有行車舒適性好、易養(yǎng)護(hù)維修等諸多優(yōu)勢特點(diǎn)，但也存在部分路用性能較差，使用性能不足，早期破壞等缺點(diǎn)。 道路路用性能的好壞直接受路面瀝青材料的影響，因此，必須保證路面瀝青材料具備良好的使用性能，以滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代交通需求[1-2]。 近些年，SBS 改性瀝青以其較好的路用性能被廣泛用于道路建設(shè)中，雖然SBS 改性瀝青的各方面性能均有一定程度的改善和提升，但仍存在較多的問題，SBS 改性瀝青一般是采用高速剪切的方式與基質(zhì)瀝青以物理作用相溶合在一起，且兩者的溶解度參數(shù)有較大差別， 高溫儲存穩(wěn)定性較差，對于瀝青性能的發(fā)揮具有一定的影響[3]。 研究表明，SBS 改性劑的顆粒粒徑愈小，其比表面積及表面自由能愈大，分散性就會更加均勻，改性瀝青性能可以得到更大的發(fā)揮。 如何提高SBS 在瀝青中的分散性成為研究學(xué)者的一項(xiàng)重要研究課題[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，納米材料作為一種新型的瀝青改性劑，具有很好的物理力學(xué)性質(zhì)，將納米材料用于瀝青改性可以改善瀝青的路用性能，且納米材料可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、價(jià)格便宜，未來將會具有很好的應(yīng)用前景。 張明祥[5]通過將ZnO 納米材料加入到基質(zhì)瀝青中，研究了ZnO 改性瀝青及其混合料的各方面性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZnO 可改善和增強(qiáng)瀝青混合料的高溫性能、抗水損害及抗老化性能。 Jahromi 等[6]研究了粘土類納米改性瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)納米粘土能夠改善混合料的水穩(wěn)定性和抗高溫性能。 肖鵬等[7]利用納米ZnO 與SBS 改性劑復(fù)摻對極致瀝青進(jìn)行改性處理，運(yùn)用微觀和宏觀技術(shù)手段研究了改性劑的改性機(jī)理和改性瀝青混合料的路用性能， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SBS 改性劑與瀝青結(jié)合只是物理上的相混， 而納米ZnO 會與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)物， 并促進(jìn)了SBS 改性劑在瀝青中的均勻分散性， 這種ZnO 納米改性劑能夠提高SBS 改性瀝青的高溫抵抗變形性能、 低溫抗開裂能力及抗老化特性。張文剛[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了TiO2納米改性劑加入SBS 改性瀝青后的性能效果， 發(fā)現(xiàn)TiO2可明顯改善瀝青的抗紫外線老化能力。 結(jié)合已有研究，本文擬利用ZnO 和TiO2兩種納米改性劑結(jié)合摻入SBS 改性瀝青中， 通過瀝青及混合料路用性能試驗(yàn)研究其改性效果。

1 原材料性能

試驗(yàn)采用廣東某瀝青有限公司產(chǎn)的SBS-I-D改性瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)性能均滿足規(guī)范要求，見表1。納米材料采用江蘇某化工有限公司研制的ZnO 和TiO2納米改性劑，2 種改性劑的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 SBS-I-D 改性瀝青技術(shù)性能

表2 2 種納米改性劑技術(shù)指標(biāo)

粗集料采用廣西某石料加工廠的石灰?guī)r，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂， 填料采用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉。 各集料的物理指標(biāo)見表3。

表3 各集料物理指標(biāo)測試結(jié)果

2 納米ZnO/TiO2 改性劑摻量確定

2.1 納米ZnO/TiO2/SBS 復(fù)配方案

納米材料ZnO 和TiO2均可改善SBS 改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗老化特性，結(jié)合已有研究成果并考慮其改性效果和經(jīng)濟(jì)成本，2 種納米改性劑的摻量分別按3%、4%、5%(ZnO)和1%、2%(TiO2)取值。按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對2 種納米改性劑進(jìn)行方案組合設(shè)計(jì)，如表4 所示。

為使納米材料加入瀝青后不會產(chǎn)生結(jié)團(tuán)，本文選擇硅烷偶聯(lián)劑對2 種納米改性劑材料進(jìn)行表面活化處理， 并使處理后的納米材料保持干燥狀態(tài)。納米ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青制備工藝如下：首先將SBS 改性瀝青加熱至160℃并保持熔融狀態(tài)，按確定的比例分多次加入2 種納米改性劑材料，在加入過程中不斷用玻璃棒進(jìn)行勻速攪拌，溫度保持在165℃左右， 然后利用高速剪切儀以5000 r/min的剪切速率高速剪切40 min， 最終得到ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青。

表4 2 種納米改性劑摻量組合方案

2.2 納米ZnO/TiO2 最佳摻量

按上述復(fù)合改性瀝青制備工藝將6 種組合方案的改性瀝青分別進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)性能試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果見表5 及圖1～3。

表5 各組合方案瀝青三大指標(biāo)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 各組合方案的針入度大小

圖2 各組合方案的軟化點(diǎn)大小

圖3 各組合方案的延度大小

從圖1～3 可見， 納米材料加入SBS 改性瀝青后，瀝青的針入度呈減小趨勢，軟化點(diǎn)和延度逐漸增大，且瀝青三大指標(biāo)性能基本都是在試驗(yàn)號3(即ZnO 摻量為4%、TiO2摻量為1%)之后針入度、軟化點(diǎn)和延度減小或者增大的幅度開始變緩。 從成本和改性效果綜合考慮采用ZnO 摻量為4%、TiO2摻量為1%作為最佳改性劑摻量。

3 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

3.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

用于瀝青混合料路用性能試驗(yàn)的礦料級配選取AC-13 型級配，礦料共分為4 檔，分別為10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm=30∶38∶28∶4， 其礦料合成級配如表6。

表6 AC-13 礦料級配

根據(jù)合成級配，初步估算SBS 改性瀝青混合料的油石比為5.2%， 按0.3%間隔兩側(cè)各取2 組油石比， 得到5 組油石比即4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%。根據(jù)油石比分別制作試件并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)得到了不同油石比下的流值、穩(wěn)定度，以及空隙率、密度等參數(shù)，最終計(jì)算出SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比為5.1%。 按同樣方法得到ZnO/ TiO2/SBS復(fù)合改性瀝青的最佳油石比為5.2%。

3.2 高溫穩(wěn)定性

采用國內(nèi)常用的車轍試驗(yàn)對ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青的高溫性能進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)，并以SBS 改性瀝青作為對照組，試驗(yàn)溫度為60℃。 試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

從表7 可知，SBS 改性瀝青中摻入納米ZnO 和TiO2后45～60 min 的車轍變形量明顯減小， 且動穩(wěn)定度相對SBS 改性瀝青提高了48.3%。 說明納米材料ZnO 和TiO2顯著提升了SBS 改性瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

表7 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.3 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)，并以SBS改性瀝青作為對照組，試驗(yàn)溫度為-10℃。 試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示。

表8 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表8 可知： 相比于SBS 改性瀝青而言，ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度有所增加，彎拉應(yīng)變增加了5.8%，勁度模量減小了7.5%。 說明加入納米材料后瀝青與集料的粘結(jié)力增強(qiáng)，低溫下抵抗破壞時(shí)的強(qiáng)度增加，減小了瀝青的脆硬程度，提高了低溫變形時(shí)的彈性恢復(fù)能力，使SBS 改性瀝青混合料的低溫性能更加優(yōu)越。

3.4 抗水損害性能

采用國內(nèi)推薦用于評價(jià)瀝青混合料抗水損害性能的試驗(yàn)方法： 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)，檢驗(yàn)加入ZnO 和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性是否得到提升，以試樣浸水前后的殘留穩(wěn)定度及凍融前后的劈裂強(qiáng)度比作為評價(jià)指標(biāo)，以SBS 改性瀝青作對比。 試驗(yàn)結(jié)果見表9～10。

表9 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表10 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表9、10 可以發(fā)現(xiàn)，加入納米材料后，SBS 改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了4.9%、7.3%，說明ZnO 和TiO22 種納米改性劑能改善SBS 改性瀝青的抗水損害能力。

3.5 抗疲勞性能

瀝青路面在溫度應(yīng)力與車輪荷載的重復(fù)作用下，會在內(nèi)部產(chǎn)生累積損傷，使路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度發(fā)生衰減。 當(dāng)荷載重復(fù)作用超過一定次數(shù)時(shí)，會使路面產(chǎn)生疲勞開裂。 疲勞破壞已成為當(dāng)前我國瀝青路面的主要破壞形式之一。 以SBS 改性瀝青作為對比， 通過對摻加ZnO 和TiO2的SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞性能試驗(yàn)。 試驗(yàn)選擇5 個(gè)應(yīng)力比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8， 疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表11，不同應(yīng)力比下的疲勞壽命如圖4 所示。

表11 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同應(yīng)力比下的疲勞壽命次數(shù)

從表11 可知，摻入ZnO 和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的抗疲勞破壞強(qiáng)度提高了22.9%，說明納米材料能夠促進(jìn)SBS 改性瀝青具有更大的抗疲勞開裂性能， 主要由于加入ZnO 和TiO2后瀝青的表面能增強(qiáng)， 微小的納米顆粒吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，并均勻分散于瀝青中，使瀝青分子間形成一種穩(wěn)定性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大的體系，使瀝青能夠與集料具有更好的結(jié)合力以抵抗外界荷載；從圖4 疲勞壽命次數(shù)可看出，2 種瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)隨著應(yīng)力比的增加不斷減少，同一種應(yīng)力比下?lián)饺隯nO 和TiO2后瀝青的疲勞壽命次數(shù)明顯增加；說明納米材料ZnO 和TiO2能夠改善SBS 改性瀝青的抗疲勞性能，減少了瀝青路面因疲勞開裂而產(chǎn)生的破壞。

4 結(jié)論

通過對ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 通過對ZnO/TiO2/SBS 復(fù)合改性瀝青進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)性能測試，并綜合考慮納米材料改性效果及經(jīng)濟(jì)成本等因素確定了2 種納米材料的最佳用量為ZnO 摻量4%、TiO2摻量1%。

(2) 通過車轍試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入納米ZnO 和TiO2后車轍變形量減小， 動穩(wěn)定度提高了48.3%；ZnO 和TiO2能顯著提高SBS 改性瀝青混合料的抗高溫變形性能。

(3)通過低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZnO 和TiO2能夠提升SBS 改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變，降低了低溫脆性；使瀝青混合料在低溫下具有更大的抵抗破壞強(qiáng)度，提高了低溫性能。

(4) 通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入納米材料后混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度都有一定提升， 分別提高了4.9%、7.3%，ZnO 和TiO2明顯改善SBS 改性瀝青的水穩(wěn)定性。

(5)通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入ZnO和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的抗疲勞破壞強(qiáng)度提高了22.9%，瀝青的疲勞壽命次數(shù)明顯增加；說明ZnO 和TiO2可增強(qiáng)瀝青路面的抗疲勞開裂性能。