极端高温下纳米复合改性沥青及其混合料高温性能试验研究

苏曼曼，张洪亮，吕建伟，张永平

(1.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 3.杭州市公路管理局，浙江 杭州 310000)

0 引 言

极端高温天气具有如下特点：高温持续时间长，强度强，温度可达38～42 ℃。在极端高温天气下，沥青路表面温度可达75 ℃，该温度远远高于现有针对路面的高温试验研究温度60 ℃。目前对沥青路面材料及沥青混合料选择尚未见针对极端高温气候的研究，因此，笔者欲从沥青材料及混合料级配方面着手，开发具有耐持续极端高温天气的沥青混合料。

提高沥青高温性能一个重要的方法就是对基质沥青进行改性，目前业界采用聚合物对沥青进行物理性能改善较为普遍[1-3]。常见聚合物如SBS、SBR、PE、EVA等均已被用来改善沥青的物理性能[4-9]。但采用聚合物对沥青进行改性时会有一些弊端，首先改性效果具有一定限制性，目前聚合物改性并不能满足极端高温气候地区对沥青性能的要求；其次，聚合物与沥青不相容性较为严重，改性沥青热存储性能差。纳米材料以其表面效应强、比表面积大及活性高等特点，逐渐被应用于沥青的改性中。有学者采用单掺纳米SiO2、纳米Ca(OH)2等材料对沥青进行改性，发现纳米粒子能有效提高基质沥青的高温性能[10-11]。为取得更加优良的改性效果，研究人员开始尝试对纳米与聚合物复掺进行研究，采用纳米黏土、碳纳米管等纳米材料与聚合物SBS对沥青进行改性[12-15]。相对于仅采用单纯纳米材料进行沥青性能改性，纳米/聚合物复合材料对基质沥青的改善效果明显具有优势。另外，M.ARDBANI等[16]和H.Y.LIU等[17]的研究分别表明：纳米ZnO可提高沥青抗老化性能。C.YE等[18]向AH-70基质沥青中单掺纳米TiO2，其软化点提高了5 ℃。J.TANZADEH等[19]则认为纳米TiO2能提高基质沥青软化点，加强沥青抗紫外线老化能力。孙培等[20]对纳米复合改性沥青进行了路用性能研究，但未对纳米改性方案中改性剂掺量进行研究，且未进行极端高温温度下改性沥青混合料的性能验证。

综上，笔者认为将纳米ZnO、TiO2和聚合物SBS复合对沥青进行改性，能获得更好的改性效果。因此，笔者首先制备不同纳米改性剂、聚合物改性剂掺量的纳米复合改性沥青，对纳米复合改性沥青进行3大指标试验、DSR试验及老化试验，优选出对高温改善性能最好的改性方案组合。根据改性方案结合两种级配AC-20、SMA-13制备了不同的沥青混合料，然后进行极端高温下的汉堡车辙试验，分析了不同温度和不同混合料对车辙深度的影响，推荐适用于极端高温气候地区的沥青混合料类型。

1 试验材料

1.1 基质沥青

笔者选用韩国生产的SK-70沥青作为基质沥青，具体技术指标如表1。

表1 基质沥青性能Table 1 Properties of base asphalt

1.2 改性剂

本研究所用改性剂包括纳米ZnO、纳米TiO2和聚合物SBS，其指标如表2、3。

表2 纳米材料性能Table 2 Properties of nano-materials

表3 SBS基本性能参数Table 3 Parameters of SBS basic properties

1.3 集料级配

本研究在进行沥青混合料耐极端高温性能研究时，分别设计了AC-20、SMA-13这2种沥青混合料，其级配见表4。

表4 沥青混合料级配Table 4 Grades of asphalt mixture

2 试验方法

2.1 纳米复合改性方案

对纳米ZnO、纳米TiO2和SBS的掺量进行组合设计，并根据复合改性方案制备纳米复合改性沥青，对改性沥青进行针入度、软化点、延度试验，优选出对基质沥青高温性能改善效果较好的改性方案，并对优选出的纳米复合改性沥青进行DSR试验及薄膜烘箱老化试验，进一步验证该方案对基质沥青高温性能的改性效果。

2.2 抗持续极端高温性能试验设计

笔者采用优选出的纳米复合改性方案制备改性沥青混合料，并成型4 cm厚度的车辙板试件。采用美国PMW公司生产汉堡车辙试验仪进行了不同类型沥青混合料的极端高温条件下车辙试验，考虑到我国南方持续极端高温气候条件下沥青路面路表温度最高可达75 ℃，因此试验过程中对每种沥青混合料温度分别设定为60、67、75 ℃。

3 纳米复合改性沥青制备

在制备纳米复合改性沥青前，笔者首先对纳米材料进行表面修饰处理。采用硅烷偶联剂Kh560修饰纳米ZnO和TiO2。其具体步骤如下：将100 g纳米材料置于三口烧瓶中，并启动聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene，PTFE)转子均匀搅拌；然后将2 g的Kh560与醇水溶液(醇/水=10/1)充分混合后倒入三口烧瓶，持续搅拌10 min；待溶液与纳米材料充分混合后，加热三口烧瓶至100～150 ℃，继续搅拌40 min；完成搅拌后将混合材料烘干研磨。

纳米复合改性沥青的制备步骤为：① 首先将沥青置于电炉上，待沥青融化为流动液体时加入纳米材料和聚合物改性剂，并采用机械搅拌器搅拌，搅拌转速为2 000转/min、温度为140 ℃、时间为20 min；② 为达到沥青与纳米材料和SBS充分融合效果，将沥青、改性剂混合物置于高速剪切机下进行剪切，剪切转速为4 000转/min、温度设为160 ℃、时间为40 min。

4 试验结果

4.1 纳米复合改性方案

4.1.1 3大指标试验

纳米ZnO和SBS均能改善沥青的高、低温性能，纳米TiO2可更好地改善沥青高温性能。纳米ZnO、纳米TiO2、SBS的市场价格分别为1.0、2.0、1.4万元/t。综合考虑这3种改性剂的掺量、造价和沥青性能改善功效，纳米ZnO掺量取2%、3%、4%；纳米TiO2掺量取0.5%、1.0%；由于SBS若掺量过大会直接造成复合改性沥青成本提高，故SBS掺量取2.7%、3.2%、3.7%。根据3种改性剂掺量进行复合改性沥青方案的正交设计(表5)。

表5 改性方案组合设计Table 5 Combination design of the modified scheme

根据表5分别制备出6种不同纳米复合改性沥青，并测定改性沥青的3大指标，试验结果如图1。由图1可知：采用3#纳米复合改性沥青的软化点比基质沥青的软化点高至30.5 ℃，该方案对基质沥青高温性能改善最佳。

图1 纳米复合改性沥青3大指标试验结果Fig. 1 Penetration, softening point and ductility results of nano-composite modified asphalt

4.1.2 老化试验

对基质沥青及3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的纳米复合改性沥青进行薄膜烘箱老化试验，考察沥青的短期抗老化性能，试验结果如表6。

表6 各复合改性沥青短期老化试验性能指标Table 6 Performance indexes of various kinds of composite modified asphalt in short term aging test

由表6可知：基质沥青及3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7%SBS纳米复合改性沥青经老化试验后，基质沥青质量损失较大(可达0.64%)，而改性沥青的质量损失仅为0.09%。

由残留针入度比数值可看出：纳米改性剂及聚合物改性剂的添加显著改善了基质沥青抗老化性能，改性沥青残留针入度较基质沥青提高了约16%。由于沥青经老化试验后会变硬，延度数值会变小，基质沥青10 ℃延度损伤非常严重，较老化之前降低了86.1%；而纳米复合改性沥青的5 ℃延度值则较老化试验之前降低了48.3%。综上分析，显然3%ZnO+0.5%TiO2+ 3.7%SBS改性沥青在抗老化性能方面明显优于基质沥青。

4.1.3 DSR试验

对基质沥青及3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7%SBS改性沥青进行DSR试验，通过对剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ这3项指标研究了不同温度下沥青流变特性。DSR试验结果如图2。由于基质沥青在76 ℃时的DSR试验结果已低于规范中要求，故未对其进行82 ℃及88 ℃下试验。

图2 DSR试验结果Fig. 2 Results of DSR tests

由图2(a)可知：基质沥青和纳米复合改性沥青的复变剪切模量均随温度升高而降低，同温度下改性沥青的剪切模量值明显高于基质沥青；由图2(b)可知：同温度下改性沥青相位角明显低于基质沥青，这是因为添加改性剂增大了沥青抗剪切作用，提高了沥青中的弹性分量，减少了弹性模量的损失；由图2(c)可知：纳米复合改性沥青在88 ℃时的车辙因子为2.7 kPa，该值仍高于规范的1.0 kPa。因此，通过DSR试验可知：3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7% SBS改性沥青具有更好的高温性能。

4.2 对不同沥青混合料永久变形的影响

4.2.1 汉堡车辙试验

笔者通过马歇尔试验确定出AC-20基质沥青混合料、AC-20改性沥青混合料和SMA-13改性沥青混合料中的最佳油石比分别为4.69%、4.8%和6.2%。进而制备了基质沥青AC-20混合料、3.7%SBS改性沥青AC-20混合料、3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7% SBS复合改性沥青AC-20混合料、3.7%SBS改性沥青SMA-13混合料和3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS复合改性沥青SMA-13混合料。

汉堡车主试验仪参数如下：加载钢轮宽度为47 mm、施加荷载为705 N的垂直作用力作为荷载、加载频率52次/min、当试件加载达到20 000次或试件表面车辙深度达到20 mm时试验结束。记录混合料在0.05、0.10、0.30、0.50、0.80、1.00、1.20、1.50、1.80、2.00万次碾压次数下的变形量。

4.2.2 对不同沥青混合料永久变形的影响

为方便试验结果分时的描述，笔者对不同沥青混合料进行编号，如表7。

表7 不同沥青混合料的编号Table 7 Number of different asphalt mixtures

1)温度对车辙深度影响

图3为AC-20沥青混合料在不同温度下车辙深度随碾压次数的变化曲线。对基质沥青混合料来说〔图3(a)〕，当试验温度升高到75、67 ℃时，同一碾压次数下车辙深度较60 ℃的车辙深度值大很多，最高可分别达155%和98%。显然AC基质沥青混合料抗高温性能较差，75 ℃下的AC基质沥青混合料车辙变形量为16.84 mm。AC-20纳米复合改性沥青混合料表现出较好的抗车辙性能，75 ℃试验温度下试件变形量仅为6.69 mm。而SBS改性沥青混合料高温性能则明显逊于AC纳米复合改性沥青混合料，67 ℃试验温度车辙变形量比纳米复合改性沥青混合料最高高出117%。

图3 不同温度下AC-20混合料车辙深度随碾压次数的变化Fig. 3 Rutting depths of AC-20 asphalt mixtures changingwith rolling frequency at different temperatures

图4为SMA沥青混合料在不同温度下车辙深度随碾压次数的变化曲线。对SBS改性沥青混合料和纳米复合改性沥青混合料来说，60、67 ℃试验温度表现出的车辙变形量在碾压初期极为相近，随着碾压次数增大，差值逐渐变大。总体而言，纳米复合改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料表现出更好的高温稳定性。75 ℃试验结果表明：纳米复合改性沥青混合料试件变形量比SBS改性沥青混合料试件变形量少13%。

图4 不同温度下SMA-13混合料车辙深度随碾压次数的变化Fig. 4 Rutting depths of SMA-13 asphalt mixtures changing with rolling frequency at different temperatures

2)混合料类型对车辙深度的影响

图5为相同温度下不同混合料试件车辙深度随碾压次数的变化曲线。试验温度为60 ℃时，不同沥青混合料抗车辙性能优劣排序为：AC-3>SMA-2>AC-2>SMA-1>AC-1；试验温度为67 ℃时，排序为：AC-3>SMA-2>SMA-1>AC-2>AC-1；试验温度为75 ℃时，排序为：SMA-2>SMA-1>AC-3>AC-2>AC-1。

综上所述，对极端高温气候地区，笔者推荐使用采用3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS改性方案制备的AC-20沥青混合料作为中面层铺筑料，以抵抗极端高温天气造成中面层剪切破坏。

图5 相同温度下不同混合料试件车辙深度随碾压次数的变化Fig. 5 Rutting depths of different asphalt mixtureschanging with rolling frequency at the same temperature

5 结 论

1)3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的改性方案能显著改善SK-70基质沥青高温性能，可将软化点提高至30.5 ℃；且该改性方案使基质沥青具有更优良的抗老化性能。

2)极端高温对沥青混合料流变性影响较大，在极端高温(75 ℃)下，沥青混合料更容易出现剪切破坏。

3)对极端高温气候地区，笔者推荐采用3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的改性方案所制备的AC-20沥青混合料作为沥青道路中面层材料，以抵抗极端高温造成的剪切破坏。

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