孫 培， 張 蒙， 肖 赟， 梁子君

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

0 引 言

由于優(yōu)良的低溫抗裂能力，在我國寒冷地區(qū)，尤其是青藏高原地區(qū)，SBR改性瀝青占據(jù)了很大的市場[1]。然而，受到其高溫方面性質(zhì)不理想的制約，導(dǎo)致SBR改性瀝青難以同時滿足高溫抗車轍和低溫抗開裂的要求，進(jìn)一步阻礙了SBR改性瀝青在我國夏熱冬寒地區(qū)的應(yīng)用推廣，如陜北和華北地區(qū)?？紤]到納米材料比表面積大、表面效應(yīng)強(qiáng)的特點，眾多學(xué)者嘗試將納米材料加入到瀝青中，從而實現(xiàn)改善瀝青技術(shù)性能的目標(biāo)[2-6]。肖鵬等通過研究發(fā)現(xiàn)加入合適劑量的納米ZnO后，SBS改性瀝青的高低溫性能均得以不同程度的改善[7,8]。Arabani等通過研究發(fā)現(xiàn)納米ZnO的加入不僅有助于降低瀝青的溫度敏感性，且可顯著提高混合料的抗永久變形能力[9]。張華研究了納米ZnO對兩種不同類型瀝青混合料性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)納米ZnO可大幅度改善SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但對基質(zhì)瀝青混合料的高溫抗變形能力提升作用卻并不明顯[10]。陳淵召對摻加不同納米ZnO劑量的改性瀝青混合料性能展開分析，結(jié)果表明不同劑量的納米ZnO均能改善基質(zhì)瀝青的各項性能，且當(dāng)納米劑量為4%時，瀝青混合料的高低溫性能和抗水損害能力獲得最佳[11]。綜上可知，將納米ZnO作為改性劑加入瀝青中，是可實現(xiàn)改善瀝青高溫性能這一目標(biāo)的。為改善SBR改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力，選用可改善瀝青高溫性能的納米ZnO，將納米ZnO和SBR改性劑復(fù)摻加入到基質(zhì)瀝青中，利用“機(jī)械攪拌+高速剪切”相結(jié)合的手段來研制納米ZnO/SBR改性瀝青，基于常規(guī)性能試驗篩選出最佳劑量的“納米ZnO+SBR改性劑”組合，并通過DSR試驗進(jìn)一步分析了兩種改性瀝青的高溫性能。同時，對利用SBR改性瀝青和優(yōu)選出的納米ZnO/SBR改性瀝青制備的混合料的高溫性能及其它路用性能展開研究，以此評價納米ZnO對SBR改性瀝青混合料性能的改善效果，進(jìn)一步分析納米ZnO/SBR改性瀝青在夏熱冬寒地區(qū)的應(yīng)用前景。

1 原材料及試驗方案

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗選用克拉瑪依70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)見表1，均能滿足規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 納米ZnO

試驗所用納米ZnO購于陜西中科納米材料有限公司，為一種淡黃色粉末，氧化鋅含量達(dá)到95.24%，滿足技術(shù)要求。

納米ZnO表面活性較強(qiáng)，若不對其進(jìn)行處理，直接與基質(zhì)瀝青、SBR改性劑混合，極易出現(xiàn)團(tuán)聚，故在投入使用前應(yīng)對納米ZnO表面進(jìn)行修飾。結(jié)合已有研究，采用偶聯(lián)劑法對納米ZnO表面進(jìn)行修飾，以期實現(xiàn)達(dá)到降低納米ZnO表面能的目標(biāo)，進(jìn)而來無機(jī)納米材料與有機(jī)瀝青材料間的相容性。

1.3 混合料級配

粗集料選用玄武巖碎石，細(xì)集料選用石灰?guī)r軋制的機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。根據(jù)前期試驗綜合考慮，選用如表2所示的AC-13目標(biāo)級配。

表2 礦料級配

2 納米ZnO/SBR改性瀝青的制備

2.1 制備方法

溶劑法、機(jī)械攪拌法及高速剪切法是當(dāng)下較為常見的改性瀝青制備方法，考慮到后兩種操作方法的優(yōu)點，最終選擇“先機(jī)械攪拌+后高速剪切”的方式來制備改性瀝青。通過高速剪切力的作用，可以很大程度上保證納米ZnO和SBR改性劑能均勻分散在瀝青基體中。兩種不同類型改性瀝青的制備工藝如圖1所示。

(a)SBR改性瀝青制備流程

2.2 納米ZnO和SBR改性劑摻量的確定

2.2.1 SBR劑量的確定

對納米/聚合物復(fù)合改性瀝青而言，影響基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)的主導(dǎo)因素是聚合物，而非納米材料。因此，采取“先確定SBR改性劑摻量，再確定納米ZnO摻量”的方法確定兩種改性劑的劑量，納米ZnO主要扮演提升SBR改性瀝青高溫性能以及改善SBR改性劑和基質(zhì)瀝青相容性的作用。

若SBR摻量過大，一是不經(jīng)濟(jì)，二是會加大改性瀝青制備的難度，制備過程中改性劑難以均勻分散。綜合考慮，選取3%,3.5%,4%,4.5%和5%這5個劑量制備SBR改性瀝青，并進(jìn)行三大指標(biāo)測試，試驗結(jié)果如圖2所示。

(a)針入度和軟化點

由圖2可知，SBR改性劑摻量的提高帶來的是瀝青的軟化點和延度隨之增加，且延度的增加幅度遠(yuǎn)大于軟化點的增加幅度。當(dāng)SBR改性劑的摻量達(dá)到5%時，SBR改性瀝青的軟化點和延度分別是基質(zhì)瀝青的1.22倍和17.45倍，表明SBR改性劑對基質(zhì)瀝青低溫延性的提高作用遠(yuǎn)勝于對其熱穩(wěn)定性能的改善效果。由圖2(a)可知，瀝青針入度隨SBR劑量的增大呈減小趨勢，這意味著瀝青的黏性不斷增大。

當(dāng)SBR劑量為3.5%時，改性瀝青的延度為92.5cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范最低要求值40cm，且當(dāng)SBR劑量超過3.5%后，改性劑添加量的變化對軟化點及延度的影響程度愈加趨于平緩。綜合考慮技術(shù)性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性，SBR改性劑的最優(yōu)摻量取3.5%。

2.2.2 納米ZnO劑量的確定

為確定納米ZnO的劑量，選擇7個不同的添加量制備納米復(fù)合改性瀝青，其中SBR改性劑摻量為3.5%，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 納米復(fù)合改性瀝青技術(shù)性能

由表3可以看出：

(1)軟化點隨納米添加劑摻量的增大逐漸增大，且增長速率表現(xiàn)為“先逐步增大，后逐漸減小”，在摻量為4%時取得最大值，這意味著納米ZnO可有效改善SBR改性瀝青的高溫性能。究其本質(zhì)是表面活性極強(qiáng)的納米材料改性劑可吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分，與之對應(yīng)的瀝青質(zhì)及膠質(zhì)的占比則得到提高，從而高溫性能得以提升。

(2)納米ZnO摻量的變化對改性瀝青的針入度影響變化不大，但總體呈下降趨勢，運動粘度則呈增大趨勢，表明納米ZnO能增加SBR改性瀝青的黏性；延度呈先上升后下降的趨勢，但總體變化較小。

綜合對比各項指標(biāo)，當(dāng)納米ZnO摻量取為4%時，瀝青的高低溫性能及粘度等指標(biāo)綜合達(dá)到最佳，因此納米ZnO最終劑量取4%。

2.3 DSR試驗

利用DSR試驗進(jìn)一步評價納米ZnO對SBR改性瀝青高溫性能的改善效果，兩種瀝青的DSR試驗結(jié)果見表4，其中SBR改性瀝青為“3.5%SBR+70#基質(zhì)瀝青”，納米ZnO/SBR改性瀝青為“3.5%SBR+4%納米ZnO+70#基質(zhì)瀝青”。

表4 DSR試驗結(jié)果

從表4數(shù)據(jù)可以看出，SBR改性瀝青的高溫分級是76℃，納米ZnO/SBR改性瀝青的高溫分級則上升至82℃，這表明納米ZnO的摻入擴(kuò)大了SBR改性瀝青的高溫適用范圍，摻加合適劑量的納米ZnO后，SBR改性瀝青從可適用于最高路面設(shè)計溫度不高于76℃的區(qū)域變?yōu)榭蛇m用于最高路面設(shè)計溫度不高于82℃的區(qū)域。此外，無論是否經(jīng)過老化處理，車轍因子(G*/sinδ)都滿足：納米復(fù)合改性瀝青>SBR改性瀝青，這意味著當(dāng)處于高溫狀態(tài)時，納米ZnO/SBR改性瀝青的抗永久變形能力一直優(yōu)于SBR改性瀝青。DSR試驗結(jié)果更深層次地證明了納米ZnO可顯著改善SBR改性瀝青的高溫性能。

3 瀝青混合料路用性能研究

基于馬歇爾試驗，確定了SBR改性瀝青混合料和納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%和4.9%。對采用最佳油石比制備的瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)試驗，并展開性能對比分析。

3.1 高溫穩(wěn)定性

利用車轍試驗計算得到的動穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗結(jié)果

對于夏熱冬寒區(qū)(即2-2區(qū))，當(dāng)選擇改性瀝青時，要求動穩(wěn)定度不可小于2400次/mm。由表5數(shù)據(jù)可知，SBR改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度結(jié)果雖達(dá)到了基本要求，但僅比最低要求值大477次/mm.經(jīng)過加入4%納米ZnO進(jìn)行改性后，動穩(wěn)定度提高了35.2%，意味著SBR改性瀝青混合料的高溫抗變形能力得到了顯著提高。這是由于納米材料強(qiáng)大的表面效應(yīng)使得納米ZnO,SBR改性劑和基質(zhì)瀝青這三者能夠緊密結(jié)合，制備的改性瀝青的粘度有所增大，從而改善了混合料的高溫性能。

3.2 低溫抗裂性

基于小梁低溫彎曲試驗表征兩種瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 小梁彎曲試驗結(jié)果

由表6可以看出，納米ZnO的摻入使得SBR改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度增大了3.22%，最大破壞彎拉應(yīng)變則提高了2.84%，這表明SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂能力得到了改善。雖然納米ZnO對SBR改性瀝青混合料低溫性能的改善效果遠(yuǎn)小于對其高溫性能的改善效果，但對于自身低溫抗裂性能突出的SBR改性瀝青而言，也起到一定的積極作用。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行表征，試驗結(jié)果見表7。

表7 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由表7可以看出，經(jīng)過加入納米ZnO改性后，青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR值分別增長了4.9%和4.5%，即抵抗水損害的能力得到了一定程度的改善。由于納米材料的比表面積較大，這就使得利用納米ZnO制備的納米聚合物改性瀝青也具有較強(qiáng)的表面效應(yīng)，且粘聚力較強(qiáng)，在其與礦料顆粒的拌合過程中，混合料中結(jié)構(gòu)瀝青所占比例增大，從而水穩(wěn)定性能得以改善。

3.4 間接抗拉性

選用劈裂試驗來間接評價瀝青混合料的抗拉特性，試驗溫度15℃，泊松比取0.3，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 劈裂試驗結(jié)果

由表8可以看出，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度為SBR改性瀝青混合料的1.08倍，換言之，納米ZnO對SBR改性瀝青混合料的抗拉性能起到了積極作用。混合料的抗拉性能主要由瀝青膠漿的性質(zhì)控制，當(dāng)?shù)V料級配保持一致時，抗拉能力的強(qiáng)弱則由瀝青的性質(zhì)決定。納米ZnO的加入，充分發(fā)揮了SBR改性瀝青的改性效果，使瀝青結(jié)合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為密實，在受拉狀態(tài)下能更好地限制瀝青膠漿的位移變形，從而提高了SBR改性瀝青混合料的抗拉性能。

3.5 耐疲勞性能

基于三分點疲勞彎曲試驗對兩種瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行測試，選取3個應(yīng)力比：0.5,0.6和0.7，選取的應(yīng)力水平為試件在10mm/min的加載狀態(tài)下破壞時對應(yīng)的平均破壞荷載，測試結(jié)果見表9.

表9 疲勞試驗結(jié)果

雙對數(shù)方程lgNf=B-nlgσt可準(zhǔn)確表征應(yīng)力和疲勞壽命間的線性關(guān)系，其中，B越小代表瀝青混合料抗疲勞能力越差，n越小表明瀝青混合料對應(yīng)力變化越不敏感。由表9可知，相較于SBR改性瀝青混合料，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的抗疲勞性能得到了提高，且對應(yīng)力變化更加不敏感，這說明納米ZnO的摻入提高了SBR改性瀝青混合料抵抗疲勞的能力。

4 結(jié) 論

(1)納米ZnO/SBR改性瀝青的軟化點和黏度均與納米ZnO摻量呈正相關(guān)性，低溫延度則變化不大，且當(dāng)納米ZnO劑量取4%時，改性瀝青的各項性能取得最優(yōu)解。

(2)在不同試驗溫度下，納米ZnO/SBR改性瀝青的車轍因子均不小于SBR改性瀝青，且在摻入4%納米ZnO后，SBR改性瀝青的高溫分級從76℃提高到82℃，表明納米ZnO可顯著改善SBR改性瀝青的高溫性能。

(3)相較于SBR改性瀝青混合料，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大了35.2%，抗彎拉強(qiáng)度和最大破壞彎拉應(yīng)變分別增大了3.22%和2.84%，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別增長了4.9%和4.5%，說明納米ZnO的摻入能顯著提高SBR改性瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性。綜合考慮高低溫性能，納米ZnO/SBR改性瀝青可滿足夏熱冬寒地區(qū)的要求。

(4)兩種改性瀝青混合料的劈裂試驗和四點疲勞試驗結(jié)果表明：摻入4%的納米ZnO后，SBR改性瀝青的間接拉伸強(qiáng)度和抗疲勞性能均得到顯著提高。