孫 培，張 楠，王 霽，凌婷婷

(合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽合肥 230601)

由于普通石油瀝青“高溫狀態(tài)下易軟化，而低溫情況下易發(fā)生脆裂”的特性，難以再滿足當(dāng)下快速發(fā)展的交通要求。為了改變上述現(xiàn)狀，學(xué)者們將目光轉(zhuǎn)向?qū)κ蜑r青進(jìn)行改性處理的相關(guān)研究上[1-2]。目前，市面上較為常見的改性劑主要是聚合物改性劑，如SBS、SBR等，它們對石油瀝青的性能提升效果顯著。然而，聚合物改性瀝青也存在一些不足，如與石油瀝青相容性較差、造價(jià)較高等[3-4]。

在上述背景下，越來越多的新型改性劑被不斷應(yīng)用，其中納米材料改性瀝青受到了較大的關(guān)注。它是基于各種工藝和方法將納米材料摻入瀝青中，以期利用納米效應(yīng)來提高或改善瀝青的各項(xiàng)性能[5-8]。在眾多的納米材料改性劑中，價(jià)格低廉、性能優(yōu)良且生產(chǎn)工藝成熟的納米碳酸鈣表現(xiàn)出來廣泛的應(yīng)用前景。劉大梁等對納米碳酸鈣改性瀝青的改性機(jī)理展開研究，發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣與SBS改性瀝青兩者間發(fā)生了一系列反應(yīng)，最終形成了一個均勻體系，從而改善了SBS改性瀝青的性能[9-10]。孫培等認(rèn)為納米碳酸鈣能充分改善SBR改性劑和基質(zhì)瀝青的相容性，從而提高SBR改性瀝青和混合料的高溫性能[11]。陳正偉等探究了對納米碳酸鈣/二氧化鈦/SBR復(fù)合改性瀝青的性能和機(jī)理，最終結(jié)論證實(shí)了上述復(fù)合改性瀝青的高低溫性能和抗老化性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青[12]。程永春等利用納米二氧化鈦、納米碳酸鈣和玄武巖纖維作為改性劑制備的復(fù)合改性瀝青粘結(jié)力和抗永久變形能力都得到有效提高[13]。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者在將納米碳酸鈣作為改性劑用來改善瀝青性能方面進(jìn)行了大量研究，且取得了顯著成果，但目前的研究基本上聚焦于將納米碳酸鈣摻入到聚合物改性瀝青中，鮮少涉及到利用單一的納米碳酸鈣作為改性劑來提高或改善基質(zhì)瀝青的性能。為了探究納米碳酸鈣是否能有效改善基質(zhì)瀝青性能及具體的改善效果，本文將納米碳酸鈣作為改性劑，利用高速剪切法制備了7種不同改性劑摻量的納米碳酸鈣改性瀝青，從中挑選出2組納米碳酸鈣摻量，并基于室內(nèi)車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和耐老化實(shí)驗(yàn)，對基質(zhì)瀝青混合料和兩組納米碳酸鈣改性瀝青混合料的路用性能展開研究。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用克拉瑪依70#瀝青，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。本文采用的納米碳酸鈣為山東某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，是一種白色粉末狀顆粒，相關(guān)技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)

表2 納米碳酸鈣技術(shù)性質(zhì)

1.2 礦料級配

采用玄武巖碎石作為粗集料，石灰?guī)r軋制獲取的機(jī)制砂作為細(xì)集料，礦粉選用石灰?guī)r。根據(jù)前期試驗(yàn)，最終確定了AC-13目標(biāo)級配，如表3所示。

表3 礦料級配

1.3 試驗(yàn)方案

對納米碳酸鈣添加量為1%至7%的7種納米改性瀝青開展針入度、軟化點(diǎn)、延度和DSR試驗(yàn)，并與基質(zhì)瀝青性能進(jìn)行對比分析，優(yōu)選出2個納米碳酸鈣摻量；其次，基于室內(nèi)試驗(yàn)，對基質(zhì)瀝青混合料和優(yōu)選的納米碳酸鈣改性瀝青混合料路用性能展開研究。

2 納米碳酸鈣改性瀝青制備工藝

2.1 納米碳酸鈣表面處理

納米碳酸鈣表面活性較強(qiáng)，若將其直接加入到基質(zhì)瀝青中，極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，故必須采用相關(guān)措施保證其能均勻分散。本文利用硅烷偶聯(lián)劑的特性，將其作為活化劑對納米碳酸鈣表面進(jìn)行修飾，具體操作步驟為：(1)將少量的硅烷偶聯(lián)劑和乙醇、蒸餾水等混合，配制偶聯(lián)劑混合醇水溶液；(2)將納米碳酸加入到燒瓶中，同時緩慢倒入混合溶液，接著開始加熱并不斷地?cái)嚢?，攪拌時間約45～50min；(3)冷卻至室溫后，過濾“納米碳酸鈣+偶聯(lián)劑+乙醇+蒸餾水”混合溶液，并置于烘箱中烘干，再加以研磨，即可得到試驗(yàn)所需的成品納米碳酸鈣。

2.2 納米碳酸鈣改性瀝青制備工藝

高速剪切法的高速剪切力可以很好地保證改性劑較為均勻地分散在瀝青基體中。考慮到高速剪切法操作簡單且對瀝青改性效果好，本文將特定比例的基質(zhì)瀝青和納米碳酸鈣混合后，先利用攪拌儀將二者攪拌均勻，再利用高速剪切法來制備瀝青，詳細(xì)制備工藝如圖1所示。

圖1 改性瀝青制備流程圖

3 納米碳酸鈣改性瀝青性能試驗(yàn)

3.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)

對7種納米碳酸鈣改性瀝青及基質(zhì)瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表4針入度數(shù)據(jù)可知，針入度指標(biāo)隨納米碳酸鈣添加量的增加表現(xiàn)出下降趨勢，即瀝青的黏度隨之增大，這對服役階段的混合料抵抗高溫永久變形作用時有利的；軟化點(diǎn)隨添加劑劑量的增加呈不斷增大的趨勢，意味著納米碳酸鈣能改善基質(zhì)瀝青的高溫性能；隨添加的改性劑劑量的增大，延度指標(biāo)表現(xiàn)為先增大后減小，但變化幅度較小，且當(dāng)納米碳酸鈣摻量大于5%后，改性瀝青的延度小于基質(zhì)瀝青，這表明納米碳酸鈣對基質(zhì)瀝青低溫性能的影響較小，且摻量過大時甚至對瀝青的低溫性能充分發(fā)揮起到抑制作用。

納米碳酸鈣具有很大的比表面積，將其加入到基質(zhì)瀝青中后，它會吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分，改善了瀝青的高溫性能，且由于納米碳酸鈣表面活化能較高，這就決定了它與基質(zhì)瀝青能夠更緊密地結(jié)合在一起。正是由于上述作用，使得納米碳酸鈣改性瀝青的軟化點(diǎn)和黏度指標(biāo)均大于相應(yīng)的基質(zhì)瀝青指標(biāo)。

為更深層次地探究納米碳酸鈣改性瀝青的高溫流變性質(zhì)，對基質(zhì)瀝青和采用3%、5%這2個劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)。

3.2 DSR試驗(yàn)

基于DSR試驗(yàn)，可獲取復(fù)數(shù)剪切模量和相位角等基本參數(shù)。本文采用通過這兩個指標(biāo)計(jì)算獲得的車轍因子進(jìn)一步表征瀝青的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 DSR試驗(yàn)結(jié)果

由圖2結(jié)果可知，在合適的范圍內(nèi)，納米碳酸鈣摻量的提高帶來的是車轍因子的增大，使得瀝青的高溫性能顯著提升。例如，當(dāng)試驗(yàn)溫度為64℃時，摻加3%納米碳酸鈣的改性瀝青車轍因子為基質(zhì)瀝青車轍因子的1.61倍，而相應(yīng)的添加5%納米碳酸鈣的改性瀝青車轍因子為基質(zhì)瀝青車轍因子的1.77倍。

4 納米碳酸鈣改性瀝青混合料路用性能

4.1 高溫穩(wěn)定性

利用車轍試驗(yàn)計(jì)算的動穩(wěn)定度來表征3種瀝青混合料高溫抗變形能力，變形和動穩(wěn)定度結(jié)果如表5所示。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表5動穩(wěn)定度結(jié)果可知，納米碳酸鈣的添加有效提高了基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能。通過比較可以看出，與未摻加改性劑前相比，摻加3%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料動穩(wěn)定度提高了72.5%，摻加5%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料動穩(wěn)定度則提高了123.4%。高溫性能的改善得益于納米碳酸鈣的摻加使得基質(zhì)瀝青的黏性增大，且使得瀝青與集料顆粒間的粘結(jié)能力變得更好，進(jìn)一步表現(xiàn)為在高溫條件下，混合料抵抗變形的能力得到了提升。

4.2 低溫抗裂性

通過小梁彎曲試驗(yàn)來表征瀝青混合料的低溫抗裂性，測試溫度設(shè)置為-10℃，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，無論添加3%納米碳酸鈣還是5%納米碳酸鈣，基質(zhì)瀝青的最大破壞彎拉應(yīng)變都有小幅度提高，這意味著納米碳酸鈣加入與否對混合料低溫性能的提升作用不明顯，但仍有小幅度改善。

4.3 水穩(wěn)定性

利用常規(guī)的浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)來表征3種不同類型瀝青混合料抵抗水損害的能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖4列出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：與未摻加改性劑相比，摻加3%、5%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度分別提高了3.74%和4.47%，劈裂強(qiáng)度比分別是基質(zhì)瀝青混合料的1.04倍和1.05倍，這說明在基質(zhì)瀝青中摻入納米碳酸鈣可改善其抵抗水損害的能力。這是因?yàn)椋{米碳酸鈣改性瀝青的黏性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，在水的作用下，瀝青膜更不易從集料表面剝落，從而表現(xiàn)出水穩(wěn)定性能的改善。

4.4 耐老化性

路面耐老化性能與其服役壽命密切相關(guān)，本文選用SHRP計(jì)劃中的長期老化方法來模擬路面的實(shí)際老化狀態(tài)?？紤]到車轍病害最易發(fā)生在服役早期的高溫天氣，此時相應(yīng)的混合料勁度較小，而低溫開裂和水損害則常出現(xiàn)在通車3～5年后，故本文中測試混合料高溫穩(wěn)定性時選擇經(jīng)過短期老化的混合料，而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性測試則選擇室內(nèi)長期老化處理過的混合料。本文采取簡單易操作的烘箱加熱法來模擬短期老化階段，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行長期老化。3種瀝青混合料的耐老化性能試驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。

表6 老化瀝青混合料高低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 老化瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表6動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可知，短期老化處理后，3種瀝青混合料的動穩(wěn)定度都有所增大，這是由于經(jīng)過老化后混合料的勁度有所增大，使得抗車轍能力得以提高。由表6還知，老化作用使得最大彎拉應(yīng)變有所減小，但兩種納米改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)仍然要稍大于基質(zhì)瀝青混合料的相應(yīng)指標(biāo)，且摻量為5%的納米碳酸鈣改性瀝青混合料對應(yīng)的低溫性能下降幅度最小。

此外，通過表7可知，歷經(jīng)長期老化作用后，三種不同的瀝青混合料對應(yīng)的殘留穩(wěn)定度和TSR值都表現(xiàn)為減小趨勢，意味著在老化作用下混合料抵抗水損害的能力受到負(fù)面影響，且抗水損害能力下降幅度滿足：基質(zhì)瀝青混合料>3%納米碳酸鈣改性瀝青混合料>5%納米碳酸鈣改性瀝青混合料。綜合比較，摻加5%納米碳酸鈣制備的改性瀝青混合料對應(yīng)的耐老化性能最佳。

5 結(jié)論

(1)采用納米碳酸鈣摻量為3%和5%制備的改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和黏度均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，而當(dāng)納米碳酸鈣摻量大于5%時，改性瀝青的延度呈下降趨勢，其中當(dāng)納米改性劑摻量為5%時，瀝青的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)。

(2)相較于基質(zhì)瀝青混合料，3%劑量和5%劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青混合料測得的動穩(wěn)定度分別上升了72.5%和123.4%，殘留穩(wěn)定度則是分別增加了3.74%和4.47%，凍融劈裂強(qiáng)度比分別增大了3.65%和4.78%，最大破壞彎拉應(yīng)變分別增大了1.47%和3.52%，表明兩種劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

(3)在老化作用下，3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能都有所下降，且下降幅度滿足：基質(zhì)瀝青混合料>3%納米碳酸鈣改性瀝青混合料>5%納米碳酸鈣改性瀝青混合料。

(4)綜合室內(nèi)試驗(yàn)，當(dāng)納米碳酸鈣添加量取到5%時，制備的納米改性瀝青和混合料對應(yīng)最優(yōu)的技術(shù)性質(zhì)，即最佳納米碳酸鈣劑量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的5%。