納米ZnO改性瀝青技術性能的研究

湯乾斌，侯少令

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海市 200092； 2.山東路盛公路工程有限公司 荷澤市 274000)

0 引言

高速公路瀝青路面出現的坑槽、麻面、泛油等病害不僅嚴重影響了瀝青路面的使用性能，還增加了瀝青路面的養護成本。越來越多的公路學者將無機納米材料作為一種改性材料添加至基質瀝青中，以期獲得性能優良的改性瀝青，從而減少瀝青路面的病害問題[1-3]。納米ZnO作為一種無機納米材料，具有獨特的光、磁、電、宏觀量子隧道效應及量子尺寸效應，若將其作為改性材料應用到改性瀝青中，則可能會改善瀝青的路用性能[4]。

基于此，通過高速剪切共混法將納米ZnO摻加至基質瀝青中，獲得一系列不同納米ZnO摻量的改性瀝青，并對其進行常規物理性能分析，以探究納米ZnO對基質瀝青的改性效果及改性機理。

1 試驗部分

采用韓國SK70#基質瀝青，技術性能如下：針入度(25℃，100g，5s)68.5(0.1mm)；軟化點46.2℃；延度(15℃)1300mm。采用的納米ZnO產自北京德科島金科技有限公司，技術參數：含量99.9%；比表面積60m2/g；平均粒度40nm。

制備方法：首先將基質瀝青加熱至充分熔融狀態，再加入預先稱量好的納米ZnO，隨后用高速剪切乳化機以3000r·min-1的轉速對其進行高速剪切，持續約30min，即得到納米ZnO摻量分別為1%、3%、5%及7%的改性瀝青。

2 結果與討論

2.1 納米ZnO對瀝青軟化點的影響

由圖1可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的軟化點呈不斷上升的趨勢，這表明納米ZnO能夠顯著改善瀝青的高溫性能。分析原因，一方面，納米氧化鋅的比表面積較大，其獨特的層狀結構會吸附瀝青體系中的輕質組分，使得瀝青質的含量相對增加，從而提高了改性瀝青體系的黏稠度；另一方面，在高速剪切過程中，部分納米ZnO的分子結構受到破壞，產生了一些易與瀝青組分反應的化學鍵，這種化學締合作用也會增加瀝青的高溫性能。

圖1 納米ZnO改性瀝青的軟化點變化趨勢圖

2.2 納米ZnO對瀝青針入度的影響

由圖2可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的針入度呈不斷減小的趨勢。瀝青的針入度反映了瀝青在測定溫度條件下的黏度和硬度，是瀝青體系內聚力的一種體現。由針入度試驗可知，納米ZnO的摻入極大提升了瀝青的黏稠度，這是因為納米ZnO的表面活化能較大，與瀝青的結合較為緊密。因此，可判斷納米ZnO能夠有效改善瀝青體系的黏稠度與內聚力，從而增強瀝青體系的高溫性能。

圖2 納米ZnO改性瀝青的針入度變化趨勢圖

2.3 納米ZnO對瀝青延度的影響

由圖3可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的延度值呈不斷下降的趨勢，這表明納米ZnO對瀝青的低溫延展性及抗開裂性能有著不利影響。究其原因，主要是因為納米ZnO作為一種無機納米粒子，在低溫條件下，會從改性瀝青體系中脫附出來，其剛度比瀝青大很多，會形成應力集中現象，從而阻礙了瀝青試樣的低溫延展性。

圖3 納米ZnO改性瀝青的延度變化趨勢圖

2.4 納米ZnO對瀝青感溫性能的影響

瀝青是一種典型的溫度敏感性材料，其性能也會隨著溫度的改變而發生變化，因此有必要對其感溫性做出分析，選取針入度指數PI作為評價指標，相應的試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著納米ZnO摻量的增加，PI值曲線呈現出先增大后變小的變化趨勢，但均大于基質瀝青，當摻量為5%時，改性瀝青的PI值達到了最大，這表明納米ZnO的摻入能夠有效改善瀝青的溫度敏感性能。這主要是因為，納米ZnO的摻入顯著增加了瀝青體系的內聚力與黏稠度，從而降低了瀝青的感溫性。而由圖中可看出，隨著納米ZnO摻量的進一步增大，改性瀝青的PI值則出現降低趨勢，表明過多摻量的納米ZnO反而會對瀝青的溫度敏感性造成不利影響，這可能是因為當納米ZnO摻量過多時，其在瀝青基體中的分散性較差所致。

圖4 納米ZnO改性瀝青的PI值趨勢圖

3 結論

通過高速剪切共混法將納米ZnO摻加至基質瀝青中，獲得一系列不同納米ZnO摻量的改性瀝青，并對其分別進行軟化點、針入度、延度及溫度敏感性試驗，根據試驗結果，分析了納米ZnO對基質瀝青的改性效果及改性機理，得到的主要結論如下：

(1)軟化點與針入度試驗表明，隨著納米ZnO的摻入，其獨特的結構會吸附瀝青體系中的輕質組分，使得瀝青質的含量相對增加，從而提高了改性瀝青體系的黏稠度與體系的內聚力，進而增強改性瀝青的高溫性能。

(2)低溫延度試驗表明，在低溫條件時，納米ZnO與瀝青的粘附性下降，其剛度比瀝青大很多，會形成應力集中現象，進而阻礙了瀝青試樣的低溫延展性，因此納米ZnO對瀝青的低溫延展性及抗開裂性能有著不利影響。

(3)溫度敏感性試驗表明，適宜摻量的納米ZnO會顯著改善瀝青的感溫性能，但摻量過多時，反而會對瀝青的溫度敏感性造成不利影響。