納米ZnO對EPDM改性瀝青抗熱氧老化性能影響的研究

程培峰 田玉軍

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

三元乙丙橡膠以其良好的耐天候、耐腐蝕、電絕緣性等特點被廣泛應用于橡膠制品之中，近些年來，它也逐漸被應用于瀝青改性。李志偉等[1]將EPDM添加于90號基質瀝青，通過研究發現經EPDM改性后瀝青的高低溫性能明顯提高。但是，EPDM瀝青作為一種橡膠瀝青，其抗老化性能較差[2],需要摻配另一種改性劑改善其抗老化性能。有研究表明[3]，納米ZnO的超大比表面積以及獨特的表面效應能夠使瀝青具有良好的抗老化性能。因此納米ZnO是改善EPDM瀝青抗老化性能的一種較為理想的材料。該文通過摻入納米ZnO對EPDM瀝青進行改性，研究其對EPDM改性瀝青抗老化性能的影響,可為提高橡膠類改性瀝青抗老化性能研究提供參考。

1 試驗原材料與老化方法

1.1 原材料

本試驗基質瀝青選用盤錦90號瀝青，其性能指標見表1。

表1 盤錦90號基質瀝青性能指標

納米ZnO由北京某公司生產，一次粒徑為30 nm，產品外觀為白色粉末。

EPDM由美國某公司生產，細度為200目，產品外觀為白色粉末。

根據相關研究[4,5]，選取EPDM摻量為瀝青質量的2%。納米ZnO摻量為瀝青質量的1%，2%，3%，4%。

1.2 復合改性瀝青的制備

EPDM改性瀝青的制備：將500 g基質瀝青在140 ℃的條件下加熱到熔融狀態，然后加入一定比例的EPDM粉末，在600 r/min的速度下低速攪拌10 min，然后利用高速剪切機在150 ℃,3 500 r/min的條件下剪切40 min，即可完成EPDM改性瀝青的制備。

EPDM/納米ZnO復合改性瀝青的制備：先將EPDM改性瀝青在140 ℃條件下加熱到熔融狀態，然后加入一定比例的納米ZnO，在600 r/min的速度下低速攪拌10 min，然后利用高速剪切機，在150 ℃,3 500 r/min的條件下剪切40 min，完成 EPDM/納米ZnO復合改性瀝青的制備。

1.3 老化方法

該文采用RTFOT老化方法，分別對瀝青進行85 min，5 h的老化，模擬瀝青在拌合過程中以及在長期使用過程中產生的老化現象。

2 試驗結果與分析

2.1 納米ZnO摻量與老化作用對改性瀝青常規性能的影響

對不同納米ZnO摻量下的原樣、RTFOT 85 min，RTFOT 5 h后的復合改性瀝青進行常規性能試驗，實驗結果如圖1所示。

由圖1可得到以下結論：

1)隨著納米ZnO摻量的增加，復合改性瀝青的針入度逐漸減小，軟化點逐漸升高，這說明納米ZnO的加入提高了復合改性瀝青的高溫性能。復合改性瀝青的延度隨著納米ZnO摻量的增加略有增加，說明納米ZnO并不會給其低溫性能造成不利影響，反而在一定程度上改善了其低溫變形能力。當納米ZnO的摻量為3%時，復合改性瀝青具有相對較好的常規性能。

2)老化后復合改性瀝青的針入度明顯降低，而軟化點明顯升高，這說明老化作用使其稠度增大。老化后復合改性瀝青的延度有所減小，這說明老化作用使得復合改性瀝青的低溫性能有所減弱。

針入度比與軟化點增量是評價瀝青抗老化性能的指標，針入度比越大、軟化點增量越小，說明瀝青抗老化性能越好。復合改性瀝青老化后的針入度比與軟化點增量如表2所示。

表2 復合改性瀝青老化后的針入度比與軟化點增量

由表2可以得到以下結論：

1)復合改性瀝青老化后的針入度比高于EPDM瀝青，且隨著納米ZnO摻量的增加而逐漸增加，這說明納米ZnO的摻入改善了EPDM瀝青的抗老化性能，其中當納米ZnO摻量為3%時的改善效果最為明顯,瀝青經RTFOT 85 min與5 h后的針入度比分別提高了6%與11%。

2)復合改性瀝青老化后的軟化點增量低于EPDM瀝青。隨著納米ZnO摻量的增加，其軟化點增量呈現出先減小后增加的趨勢，當納米ZnO摻量為3%時，經RTFOT 85 min 與5 h后的復合改性瀝青的軟化點增量均最低。繼續提高納米ZnO的摻量，復合改性瀝青的軟化點增量略有增加。

2.2 納米ZnO摻量與老化作用對改性瀝青流變性能的影響

按JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[6]中的規定分別對原樣、RTFOT 85 min,RTFOT 5 h后的復合改性瀝青進行流變性質試驗，其中原樣瀝青的試驗角頻率為10 rad/s，試驗溫度為52 ℃～76 ℃，應變控制目標值為12%。瀝青老化殘留物的試驗角頻率為10 rad/s，試驗溫度為52 ℃～76 ℃，應變控制目標值為10%。試驗結果如表3，表4所示。

表3 復合改性瀝青老化前后的G*/sinδ kPa

表4 復合改性瀝青老化前后的δ (°)

由表3，表4可以得到以下結論：

復合改性瀝青的抗車轍因子均高于EPDM瀝青，相位角均低于EPDM瀝青。這表明納米ZnO的摻入提高了瀝青的高溫穩定性。5組瀝青經老化后，抗車轍因子明顯增加，相位角明顯降低，這說明老化作用使瀝青中的粘性成分逐漸減少，抗變形能力有所增強。

老化指數[7]是評價瀝青老化程度的一個指標，它的公式如下：

老化指數=瀝青老化后的抗車轍因子/瀝青未老化時的抗車轍因子。

老化指數值越低，表明瀝青材料的抗老化性能越好，5組瀝青64 ℃時的老化指數如圖2所示。

由圖2可知：復合改性瀝青RTFOT 85 min后的老化指數略低于EPDM瀝青，這說明納米ZnO的摻入在一定程度上提高了瀝青的抗短期老化能力。復合改性瀝青RTFOT 5 h后的老化指數明顯低于EPDM瀝青，表明納米ZnO對EPDM瀝青抗長期老化性能有明顯改善作用。隨著納米ZnO摻量的增加，復合改性瀝青RTFOT 5 h后的老化指數呈現出先降低后升高的趨勢，當納米ZnO摻量為2%時，其值最低。這說明在該摻量下長期老化作用對瀝青的流變性能影響最小。

3 結語

1)納米ZnO的加入會對EPDM改性瀝青的高低溫性能起一定改善作用，但其改善效果受到納米ZnO摻量的影響，當納米ZnO摻量為3%時，瀝青具有較好的高低溫性能。

2)納米ZnO減弱了老化作用對復合改性瀝青常規性能與流變性能的影響，當納米ZnO摻量為2%和3%時，復合改性瀝青老化后的常規性能與流變性能變化較小，抗老化能力較強。

3)根據瀝青常規性能，流變性能，抗老化性能等多方面因素綜合考慮，推薦采用納米ZnO摻量為3%。