羅文歡

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

道路石油瀝青在我國公路瀝青鋪面中被廣泛應用，但隨著公路建設場景的擴大，在極端氣候環(huán)境下的路面鋪筑需要綜合考慮高溫、低溫條件及路面的抗疲勞性能等因素。一直以來，提升瀝青及瀝青混合料的耐久性、穩(wěn)定性及溫度敏感性是公路工程領域研究者關注的熱點［1-3］。國內(nèi)外學者通過添加不同的納米材料提升瀝青的耐久性，降低溫度敏感性，并取得一定的研究成果。彭天鶴等［4］對不同摻量的納米ZnO改性瀝青開展研究，得出隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的各項性能先提升后降低的結(jié)論，并通過紅外光譜試驗揭示了納米ZnO 與瀝青的作用機理。王瓊［5］對有機蒙脫土改性瀝青及瀝青混合料進行全面研究，認為有機蒙脫土改善了瀝青及瀝青混合料的路用性能。JIN 等［6］研究有機膨潤土對不同瀝青性能的影響，試驗結(jié)果表明，摻加有機膨潤土后的改性瀝青的軟化點和抗車轍能力略有提高，但疲勞因子和低溫抗裂性能有所降低。崔亞楠等［7］對納米有機蒙脫土改性瀝青抗老化性能開展研究，認為納米有機蒙脫土的層狀結(jié)構插入瀝青分子后，對納米有機蒙脫土改性瀝青的抗老化性能有很大的改善作用。黃娟［8］對納米ZnO/SBS 復合改性瀝青進行研究，得出納米ZnO改善了SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，并提升了SBS 改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的結(jié)論。以往的研究發(fā)現(xiàn)納米有機土和納米ZnO 改性劑的加入可以改善瀝青及瀝青混合料性能，但低溫和疲勞性能可能有所下降。上述研究多對納米有機土和納米ZnO 用于改性基質(zhì)瀝青或與其他改性劑對瀝青進行復合改性，但鮮有文獻研究對比2種改性劑在改性瀝青后的高、低溫性能和疲勞性能等。因此，本文選用納米蒙脫土和納米ZnO 2種改性劑，用于改性70#瀝青，并對改性后的瀝青性能進行比較分析，確定瀝青流變性能方面改性更好的一者。本研究對納米有機蒙脫土和納米ZnO 在瀝青改性劑領域獲得更好的應用有一定的參考價值。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

選用70#A 級瀝青作為基質(zhì)瀝青，相關技術指標見表1。

表1 70#A級瀝青技術指標

納米有機蒙脫土和納米ZnO 均購自市場，相關技術指標見表2和表3。

表2 納米有機蒙脫土技術指標

表3 納米ZnO技術指標

參考現(xiàn)有文獻［9-10］的研究結(jié)果，將納米有機蒙脫土的摻量設置為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的8%、10%和12%，納米ZnO的摻量設置為瀝青質(zhì)量的1%、2%和3%。為方便繪制圖表，納米有機蒙脫土以M 表示，納米ZnO以Z表示。

1.2 改性瀝青制備方法

為制備納米有機蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青試樣，選擇高速剪切儀將基質(zhì)瀝青與2種改性劑分別按照相應的重量混合。為確保所有樣品均勻混合，納米蒙脫土與基質(zhì)瀝青的混合時間設置為120 min，混合溫度為（150±5）℃，剪切速率為3 000 rpm。納米ZnO在（160±5）℃的混合溫度下和2 000 rpm 的剪切速度下與基質(zhì)瀝青攪拌20 min，然后在（170±5）℃混合溫度和4 500 rpm 剪切速率下，再次攪拌40 min，最后將2 種改性瀝青的所有試樣放入150 ℃烘箱中采用錫紙密封發(fā)育30 min，制得成品。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規(guī)性能試驗

采用針入度、軟化點和布式旋轉(zhuǎn)黏度評價納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青常溫下的稠度、高溫性能及施工性能。相關試驗過程參考我國規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）［11］。

1.3.2 動態(tài)剪切流變性能試驗

采用動態(tài)剪切流變儀測試納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的黏彈特性，主要是通過測試復數(shù)模量G*和相位角δ表征瀝青的高溫性能和中溫性能。使用TFOT 進行短期老化，并測試原樣、TFOT短期老化后的瀝青試樣復數(shù)模量G*和相位角δ。相關試驗過程參考規(guī)范JTG E20—2011。

1.3.3 彎曲梁流變儀（BBR）試驗

按照我國規(guī)范JTG E20—2011中的要求，“T0627”采用彎曲梁流變儀（BBR）試驗測試瀝青混合料的低溫性能，采用彎曲蠕變勁度蠕變速率（S）和蠕變速率（m）評價瀝青結(jié)合料的低溫性能。S越小，m越大，表明瀝青的低溫性能越好。要求在規(guī)定試驗溫度下，S＜300 MPa，m＞0.3。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)性能試驗結(jié)果及分析

2.1.1 軟化點

軟化點試驗結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知：①隨著納米有機蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，納米有機蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的軟化點均不斷增大，并且增大過程為線性提升，與改性劑摻量有顯著相關性。②納米有機蒙脫土和納米ZnO 均提升了70#瀝青的軟化點，改善了70#瀝青的高溫性能。納米有機蒙脫土和納米ZnO 均會增大70#瀝青的稠度，納米蒙脫土對70#瀝青軟化點的提升高于納米ZnO。

圖1 軟化點試驗結(jié)果

2.1.2 針入度

25 ℃針入度試驗結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，當在改性瀝青中添加更多的納米有機蒙脫土時，觀察到較低的針入度。當納米有機蒙脫土從8%的摻量增加到12%時，針入度從62.3 下降到45.1，相比70#基質(zhì)瀝青，針入度下降幅度從9%變化到34%。此外，納米ZnO 和納米有機蒙脫土的變化趨勢相同，針入度隨著納米ZnO 摻量的增加而降低。隨著從1%納米ZnO 摻量提升至3%，針入度值由61.6下降至49.8。納米有機蒙脫土或納米ZnO 的所有針入度均低于70#基質(zhì)瀝青。隨著納米有機蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，針入度呈下降趨勢，這是因為納米有機蒙脫土和納米ZnO 加入瀝青后會分散，使瀝青變得更硬，從而提高了瀝青的常溫稠度。

圖2 針入度試驗結(jié)果

2.1.3 布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果及分析

布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，隨著納米有機蒙脫土摻量的增加，布式旋轉(zhuǎn)黏度增大，表明納米有機蒙脫土改性瀝青在高溫下具有更低的流動能力（更高的阻力）。納米ZnO 改性瀝青和納米有機蒙脫土改性瀝青有相同的變化趨勢，二者的布式旋轉(zhuǎn)黏度均高于基質(zhì)瀝青，并且其流動阻力隨著納米ZnO 或納米有機蒙脫土改性劑的摻入量增加而提升。然而，較高的布式黏度意味著較低的可施工性。納米有機蒙脫土改性瀝青軟化點和布式旋轉(zhuǎn)黏度的增大是由于納米有機蒙脫土在瀝青中形成層狀插入結(jié)構導致的，瀝青分子通過層狀插入結(jié)構后在高溫下的流動能力被抑制。盡管納米有機蒙脫土試樣的布式旋轉(zhuǎn)黏度高于基質(zhì)瀝青，但是所有試樣均未超過我國規(guī)范《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTGF 40—2004）中對改性瀝青低于3 000 mPa·s（3 Pa·s）的要求。這意味著用2 種選定的改性劑中的任何一種改性70#瀝青，均不會對70#瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度產(chǎn)生較大的負面影響。

圖3 布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果

2.2 流變性能試驗結(jié)果及分析

2.2.1 高溫流變性能試驗結(jié)果及分析

對短期老化的瀝青開展高溫流變性能試驗，試驗溫度范圍為58～82 ℃，間隔溫度為6 ℃。其中，復數(shù)模量G*試驗結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，任何摻量的納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO，其G*值都會隨著測試溫度的升高而降低，表明溫度上升不利于改性瀝青的高溫性能。向70#瀝青中添加納米蒙脫土或納米ZnO，能小幅度提升G*，意味著添加納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 能提升70#瀝青的高溫性能。試驗結(jié)果表明，當納米蒙脫土的含量為12%、納米ZnO 的含量為3%時，能夠更好地提升70#瀝青的高溫性能。

圖4 復數(shù)模量G＊試驗結(jié)果

相位角δ試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 的摻量增加，改性瀝青相比70#瀝青的相位角δ逐漸減小，表明納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 的摻加提高了70#瀝青的彈性成分，使瀝青的高溫性能增強。

圖5 相位角δ試驗結(jié)果

車轍因子G*/sinδ由復數(shù)模量G*和相位角δ計算得出，車轍因子是評價瀝青結(jié)合料高溫性能的指標，因此根據(jù)上文試驗獲得的復數(shù)模量G*和相位角δ計算車轍因子，用于評價納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的高溫性能。計算結(jié)果如圖6 所示。由圖6可知，納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO改性瀝青的車轍因子均隨著溫度升高而降低，隨著納米蒙脫土改性或納米ZnO 摻量的增加而提升，表明溫度不利于改性瀝青的高溫性能，并且隨著溫度升高呈快速下降的趨勢，而改性劑摻量的增加，使車轍因子呈線性增長，這與上文的軟化點試驗結(jié)果類似，進一步反映出車轍因子與軟化點2 個指標具有一定的內(nèi)在相關。

圖6 車轍因子G＊/sinδ的計算結(jié)果

2.2.2 中溫流變性能試驗結(jié)果及分析

長期老化瀝青的溫流變性能試驗采用3個試驗溫度，分別為25 ℃、28 ℃、31 ℃。試驗結(jié)果通過復數(shù)模量G*和相位角δ反映，通過這2個指標計算G*·sinδ，即疲勞因子，該指標能反映瀝青在常溫下的抵抗疲勞荷載能力，疲勞因子越低，表明瀝青的抗疲勞性能越好。中溫條件下，復數(shù)模量G*和相位角δ的試驗結(jié)果如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 可知，隨著溫度上升，復數(shù)模量G*下降，相位角δ 上升；隨著納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，復數(shù)模量G*下降，相位角δ 降低。中溫條件下，復數(shù)模量G*較低有利于瀝青的抗疲勞性能，因此溫度升高會影響瀝青的疲勞性能，而納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的提升有利于提升瀝青的疲勞性能。為更好地對比不同摻量的納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的疲勞性能，采用疲勞因子G*·sinδ進行分析，疲勞因子G*·sinδ計算結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可知，疲勞因子G*·sinδ隨著納米蒙脫土和納米ZnO 改性劑含量的增加而降低，反映了在所有試驗溫度下，添加改性劑后瀝青的抗疲勞性能提高。所有G*·sinδ均小于5 000 kPa，符合JTG E20—2011 中規(guī)定的最大值。2 種改性瀝青的G*·sinδ的試驗結(jié)果差距較小，表明在本文設定摻量下的2種改性瀝青對瀝青的抗疲勞性能的影響相似。

圖7 復數(shù)模量G＊試驗結(jié)果

圖8 相位角δ試驗結(jié)果

圖9 疲勞因子G＊·sinδ計算結(jié)果

2.2.3 低溫流變性能試驗結(jié)果及分析

低溫流變性能試驗溫度設定為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃，結(jié)果如圖10 和圖11 所示。分析圖10 和圖11可知：①在-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃溫度條件下，70#瀝青的m均未達到0.3，摻加納米蒙脫土和納米ZnO后，m均高于0.3，并且在摻加納米蒙脫土和納米ZnO 后，S均有所降低，表明納米蒙脫土和納米ZnO 均能改善70#瀝青的低溫性能。②納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的S和m隨改性劑的摻量增加而提升，其S和m呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即隨著改性劑摻量增加，S降低，m增加，表明納米蒙脫土和納米ZnO摻量越高，改性瀝青的低溫性能越好。③8%～12%摻量的納米蒙脫土8%～12%與1%～3%摻量的納米ZnO 的S與m相當，表明這2種改性劑在上述摻量范圍內(nèi)對瀝青的低溫性能的影響相似。

圖10 m試驗結(jié)果

圖11 S試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過開展常規(guī)性能試驗和高、中、低溫流變性能試驗，對8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能開展研究，得出如下結(jié)論：納米蒙脫土和納米ZnO 改性70#瀝青后，改性瀝青的性能隨著納米蒙脫土和納米ZnO 的摻量而變化，其變化趨勢相同，并且8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能相當。本文所選擇的納米蒙脫土和納米ZnO 摻量使納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的各項性能均有所提升，并且布式旋轉(zhuǎn)黏度均未超出相關規(guī)范的允許范圍，因此在工程實際應用中可在本文研究結(jié)果的基礎上適當?shù)靥嵘{米蒙脫土和納米ZnO 的摻量。本文僅對比研究納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能，未對其微觀特性和化學特性開展研究，在后續(xù)研究中將進一步對納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的微觀特性和化學特性開展研究，以期揭示納米蒙脫土、納米ZnO 改性瀝青的微觀機理和化學機理。