作者簡介：藍玲玲（1986—），工程師，主要從事高速公路項目建設(shè)管理工作。

摘要：為增大鋼渣基瀝青路面集料在道路工程的利用率，文章采用納米二氧化硅和SBS對鋼渣瀝青混合料進行復(fù)合改性，基于離析試驗、動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗和彎曲梁流變儀（BBR）試驗，研究了納米二氧化硅/SBS改性對瀝青性能的影響，并評價納米聚合物對鋼渣瀝青混合料路用性能的影響。試驗結(jié)果表明：納米二氧化硅/SBS的添加降低了復(fù)合改性瀝青的蠕變剛度，提高了其車轍因子和m值，表明這種納米聚合物能改善瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性、高溫抗車轍性能與低溫抗裂性能；與天然石料瀝青混合料相比，納米二氧化硅/SBS的加入使得鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均有顯著提升。納米聚合物改性技術(shù)能進一步提升鋼渣瀝青混合料的路用性能，可為鋼渣基瀝青路面集料的固廢利用技術(shù)提供新思路。

關(guān)鍵詞：改性瀝青；瀝青混合料；納米二氧化硅；鋼渣；路用性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

隨著公路基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，不可避免地對天然石料進行大量開采，使得國內(nèi)的天然優(yōu)質(zhì)石料資源逐漸枯竭^[1]。此外，我國作為鋼鐵產(chǎn)量大國，面臨著大量鋼渣無法得到有效處理的問題，傳統(tǒng)的處理方法易造成危害環(huán)境、占用土地、處置費用高等^[2-4]。在優(yōu)質(zhì)天然石料分布不均及逐漸枯竭的背景下，若能在道路工程中利用鋼渣部分替代天然石料，既能為鋼渣處理提供新思路，又能減少不可再生資源的開采，還能促進可持續(xù)性瀝青路面建設(shè)的發(fā)展。迄今為止，眾多研究者已經(jīng)對鋼渣在瀝青路面中的應(yīng)用進行了大量研究。目前的研究結(jié)果均能表明，鋼渣的添加能明顯改善瀝青混合料的路用性能，即鋼渣用作瀝青路面集料是一種可行的再利用方法^[5-7]。

目前，納米技術(shù)已被引進于瀝青改性技術(shù)中，該技術(shù)有助于瀝青顆粒在納米尺度上的性能表征^[8]。納米技術(shù)研究的是在1～100 nm尺度上的特征維度粒子，在此納米尺度下，改性瀝青顆粒具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，主要是由其高比表面積和量子效應(yīng)所決定。納米二氧化硅是一種常見的納米瀝青改性劑，眾多研究表明納米二氧化硅可有效改善瀝青混合料的路用性能^[9-10]。

綜上所述，盡管目前已針對納米瀝青材料進行了大量研究，但是其與鋼渣在瀝青混合料體系中的作用機理仍不明晰，且納米聚合物對鋼渣瀝青混合料性能的影響還需深入研究，對納米技術(shù)與瀝青路用鋼渣集料技術(shù)的耦合作用的研究仍然不足。因此，本文研究了納米聚合物改性瀝青的流變性能及其對鋼渣瀝青混合料的路用性能的影響，采用不同比例下的納米二氧化硅和SBS組合，基于瀝青試驗評價改性瀝青的流變特性，通過瀝青混合料試驗評價納米聚合物對鋼渣瀝青混合料路用性能的影響。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

采用加德士牌70^#A級道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標如表1所示。選擇納米二氧化硅和SBS作為瀝青改性劑，均由湖南某化工公司提供，性能指標如下頁表2和表3所示。石灰?guī)r和花崗巖作為粗集料，石灰?guī)r作為細集料，礦粉為石灰?guī)r礦粉，集料與礦粉均為湖南地產(chǎn)集料。選用的鋼渣是由江蘇某煉鋼廠提供的轉(zhuǎn)爐鋼渣，使用前將鋼渣在自然條件下陳化＞3個月，鋼渣的性能指標如下頁表4所示，其測試結(jié)果滿足《瀝青混合料用鋼渣》（JT/T 1086-2016）。

1.2 試件制備與配合比設(shè)計

納米二氧化硅/SBS改性瀝青的制備過程如下：將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，緩慢添加SBS到基質(zhì)瀝青中，在170 ℃的溫度下用高速剪切儀處理，剪切速率和剪切時間分別為4 000 r/min和45 min，隨后緩慢分批加入納米二氧化硅，在相同條件下，繼續(xù)以高速剪切儀對復(fù)合改性瀝青剪切30 min，后將復(fù)合改性瀝青放入160 ℃的烘箱發(fā)育2 h。瀝青混合料級配選擇為AC-13C，由于鋼渣的密度與天然石料差異較大，選擇體積替代法進行級配設(shè)計，如圖1所示。天然石料瀝青混合料的最佳油石比為4.8%，考慮到鋼渣多孔、高吸水性等性質(zhì)，鋼渣瀝青混合料的最佳油石比設(shè)為5.2%，試件制備說明如表5所示。

1.3 試驗方案

基于試件制備與配合比設(shè)計，采用3種二氧化硅摻量（0.5%、1.0%、1.5%）和3種SBS摻量（2%、4%、6%），制備3種不同摻量組合下的改性瀝青，對瀝青試樣分別開展離析試驗、DSR試驗和BBR試驗，研究不同摻量下納米二氧化硅/SBS改性瀝青的性能。其中，DSR試驗的試樣為未老化和短期老化后的瀝青，BBR試驗的試樣為長期老化后的瀝青?；诿芗壟錇r青混合料AC-13C，選擇3種不同集料類型（鋼渣、花崗巖和石灰?guī)r）作為粗集料，石灰?guī)r作為細集料，瀝青類型包括3種不同改性劑摻量下的復(fù)合改性瀝青，以此制備和成型相應(yīng)的瀝青混合料試樣。通過高溫車轍試驗、低溫彎曲梁試驗和水穩(wěn)定性試驗，驗證納米二氧化硅/SBS復(fù)合改性鋼渣瀝青混合料的路用性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青性能指標

2.1.1 聚合物離析試驗

納米二氧化硅/SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，SBS改性瀝青的軟化點差值隨著SBS摻量的增加而增加，說明高摻量下的SBS改性瀝青容易發(fā)生離析現(xiàn)象。在SBS改性瀝青中添加納米二氧化硅后，SBS改性瀝青的軟化點差值下降，說明納米二氧化硅能改善其離析情況。這是由于SBS改性瀝青中瀝青與SBS之間存在密度差，而納米二氧化硅的納米效應(yīng)可以平衡二者的密度。隨著納米二氧化硅摻量的增加，納米二氧化硅/SBS改性瀝青的軟化點差值略微增加，可能是納米材料的團聚效應(yīng)使瀝青性能發(fā)生變化。

2.1.2 高溫穩(wěn)定性

采用DSR試驗評價不同摻量下納米二氧化硅/SBS改性瀝青的高溫性能，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青的車轍因子呈上升趨勢，這說明加入不同比例的納米二氧化硅和SBS對瀝青高溫流變性能有積極影響。這是因為納米聚合物能吸收瀝青相中的芳香烴，從而增大瀝青中的瀝青質(zhì)組分。此外，納米顆粒的添加可以增大瀝青的剛度，即納米材料與聚合物的復(fù)合改性提高了瀝青的粘聚力，從而改善其高溫穩(wěn)定性。由圖4可知，隨著納米二氧化硅摻量的增加，納米二氧化硅/SBS改性瀝青的車轍因子略微降低，這同樣是由于納米材料的團聚效應(yīng)使瀝青性能產(chǎn)生變化。

2.1.3 低溫抗裂性

采用BBR試驗評價不同摻量下納米二氧化硅/SBS改性瀝青的低溫性能，試驗結(jié)果如表6所示。由表6可知，在相同測試溫度下，隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青的S值下降而m值上升，說明納米聚合物能改善瀝青的低溫蠕變性能，這是因為納米二氧化硅與SBS組成的納米聚合物，能在瀝青基體中形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得瀝青中輕質(zhì)組分的比例增加，從而提高瀝青材料的彈性，以此改善瀝青的應(yīng)力松弛性能。

2.2 瀝青混合料性能指標

2.2.1 高溫抗車轍性能

瀝青混合料的動穩(wěn)定度結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，與天然集料瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度更高，說明鋼渣瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于天然石料瀝青混合料，即在瀝青混合料中加入鋼渣可提高其抗永久變形能力，與單摻SBS的瀝青混合料相比，納米二氧化硅與SBS的復(fù)合改性能進一步提高鋼渣瀝青混合料的高溫性能，這是因為納米聚合物的加入能改變?yōu)r青的組分比例，納米聚合物可作為瀝青質(zhì)存在于瀝青基體中，使瀝青中的瀝青質(zhì)比例增加，從而提高其高溫性能。

2.2.2 低溫抗開裂性能

如下頁圖6和圖7所示為瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果，一般來說，試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變越大，表明瀝青混合料在低溫下可以承受更大的損傷應(yīng)變，即瀝青混合料的低溫抗裂性越好。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變應(yīng)≥2 500 με，由圖7可知，花崗巖瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變不滿足規(guī)范要求，而鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料均滿足規(guī)范值。與天然石料瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料的彎拉強度和彎拉應(yīng)變更大，說明加入鋼渣可以明顯提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。同時，與單摻SBS的瀝青混合料相比，納米二氧化硅/SBS組成的納米聚合物能改善鋼渣瀝青混合料的低溫性能，且隨著比例的增加，改善效果也隨之提高。這是因為納米聚合物顆粒的界面作用，使瀝青的溫度敏感性下降，進一步提高了瀝青的黏度，因此低溫性能上升。

2.2.3 抗水損壞性能

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8可知，花崗巖瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料的抗水損壞性能存在顯著差異。鋼渣瀝青混合料殘留穩(wěn)定度明顯高于花崗巖瀝青混合料，這是因為鋼渣表面的瀝青含量較高，其相對較厚的瀝青膜能更好地防止混合料的體積膨脹和水損現(xiàn)象。同時，鋼渣的高堿度顯著提高了瀝青混合料的耐磨性與粘附性，從而防止瀝青在集料表面上輕易剝落。

采用凍融劈裂試驗對瀝青混合料的水敏感性進行評價。由圖9可知，鋼渣瀝青混合料的劈裂強度比均明顯高于天然石料瀝青混合料。與單摻SBS的瀝青混合料相比，納米二氧化硅/SBS的復(fù)合改性對鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性有進一步改善，這是因為納米二氧化硅與SBS組成的納米聚合物具有更高的比表面積，能提高瀝青的粘聚力和粘附性，使鋼渣瀝青混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青含量增加。綜上所述，納米聚合物與鋼渣的耦合作用能顯著改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

（1）與天然石料瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均有所提高。這是由于鋼渣的堿性和粗糙的表面結(jié)構(gòu)，增強了瀝青混合料的路用性能。

（2）與SBS改性鋼渣瀝青混合料相比，納米二氧化硅/SBS的添加進一步提高了鋼渣瀝青混合料的路用性能。

（3）盡管本文已研究納米二氧化硅/SBS改性對鋼渣瀝青混合料性能的影響，但納米聚合物對鋼渣瀝青混合料耐久性能的影響仍需進一步探究，因此后續(xù)應(yīng)考慮不同老化程度下納米聚合物對鋼渣瀝青混合料耦合作用的影響。

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收稿日期：2023-11-08