納米ZnO/TiO2-SBS復合改性瀝青性能研究

張哲銘 董偉智 周宏斌 徐 楠

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

為了進一步提高瀝青路面的低溫抗裂性，近些年研究人員開始嘗試對基質瀝青進行改性，其中SBS聚合物改性瀝青最先被發現是性能合適的改性瀝青。其性能雖較基質瀝青有所提高，但仍不能滿足對瀝青低溫性能有較高要求地區的需要，只好尋找外加劑對SBS改性瀝青進一步改性來提高其路用性能[1]。

試驗人員多年研究發現，納米材料具有良好的性質，將納米材料作為瀝青改性劑可以提高瀝青的各種性能。張明祥[2]研究發現將納米ZnO摻入瀝青及其混合料中可以提高其高溫穩定性、水穩定性和抗紫外老化能力；肖鵬[3]對納米ZnO/SBS復合改性瀝青的制備方法、路用性能和改性機理進行了全面的研究，納米ZnO/SBS復合能夠改善基質瀝青的高低溫性能和抗老化能力；樊亮等[4]人研究發現納米TiO2改性提高了瀝青的耐久性和抗老化性；張恒龍[5]研究發現納米SiO2、納米ZnO、納米Ti O2與有機膨脹蛭石復配可改善SBS改性瀝青的抗熱氧老化和光氧老化性能。

本文選用納米ZnO和TiO2這兩種材料先后摻入SBS瀝青對其改性，進行瀝青三大指標試驗以及黏度試驗，通過試驗來判斷和研究不同摻量下納米材料對SBS改性瀝青性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗瀝青

SBS改性瀝青由米沙子鎮某瀝青攪拌站提供，相關參數如表1。

表1 SBS改性瀝青參數表

1.2 納米ZnO、TiO2

納米ZnO和TiO2選自南京某新材料有限公司，外觀為白色粉末，具體參數如表2。

表2 疏水性納米SiO2參數表

1.3 改性瀝青的制備方法

烘箱調至175℃，隨后將SBS瀝青置入烘箱中加熱1.5h，加熱完成后取出瀝青倒入玻璃杯容器中并稱取其重量，稱重完成后置于175℃的油浴中。接下來稱取納米ZnO，其質量為已稱重瀝青質量的1%，然后將納米ZnO粉末分批、少量、多次加入SBS瀝青中，邊加入邊攪拌，直至白色粉末在瀝青中分散至肉眼不可見為止，后用高速剪切機以4500r/min的速率剪切60min[6]。用相同的方法制備2%～5%納米ZnO改性瀝青，其質量以1%為間隔增加。制備ZnO/TiO2復合改性瀝青的方法同上，在加入納米粉末時依次分批量多次加入納米ZnO與TiO2攪拌至肉眼不可見白色粉末為止，再使用高速剪切機剪切。

1.4 針入度試驗方法

恒溫水浴調至25℃，將熱好的瀝青倒入試模中，靜置后將試件置于恒溫水浴中1.5h，取出試件后迅速放入針入度試驗儀進行試驗，要求平行試驗不得少于3次。

1.5 軟化點試驗方法

試驗選用環球法，在將瀝青加入環狀試模時注意要使瀝青略高于環面但又不致溢出，然后加熱刮刀將高出環面部分刮平，靜置后再將儀器中與試件接觸的配件包括試件一并置于-5℃的低溫水浴中20min，取出試件后迅速置于軟化點試驗儀進行試驗，要求至少進行2次平行試驗。

1.6 延度試驗方法

將試驗儀器的拉伸速度調節為1cm/min，溫度調為5℃，將瀝青倒入試模中時注意要使瀝青略高于試模表面但又不致溢出，后加熱刮刀將高出試模部分刮平，靜置后將試件置于5℃低溫水浴1.5h，取出試件后迅速置于儀器開始試驗，平行實驗不得少于3次。

1.7 黏度試驗方法

采用布式粘度計法測瀝青黏度值，轉子選用RV（27），多次試驗后將轉速定為100RPM。烘箱調至135℃，后將瀝青、試管、轉子一同置于烘箱中不得少于1.5h，同時將粘度計提前預熱至135℃，后取出瀝青加入試管并與轉子置于儀器上，使轉子剛好浸入瀝青，保溫15min后開始試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 納米ZnO對SBS改性瀝青三大指標的影響

由圖1所示，隨著SBS改性瀝青中納米ZnO的摻量不斷增加，SBS改性瀝青的針入度減小，瀝青變硬；當摻量為3%～4%時針入度下降趨勢明顯變大，當摻量大于4%時，針入度下降趨勢較之前又開始減緩。

圖1 25℃針入度

如圖2可見SBS改性瀝青的軟化點會隨著摻入其中的納米ZnO的增加而增大，當摻量增加到3%到4%之間時軟化點上升速度明顯變快，當摻量大于4%時，軟化點上升趨勢較之前又開始減慢。由此可見，當摻量在3%到4%之間時，改性瀝青的高溫性能增長較快，當摻量超過4%時為過摻情況，反而對高溫性能產生不利影響[9]。

圖2 軟化點

由圖3所示，改性瀝青的延度會隨著納米ZnO摻量的提高先增大后減小，延度在摻量為4%時達到峰值，此時的改性瀝青低溫性能最好。當摻量大于4%時，延度開始下降，此時改性瀝青中瀝青比例下降，反而使改性瀝青低溫性能遭到破壞。

圖3 5℃延度圖

圖4 135℃黏度

2.2 納米TiO2對納米ZnO復合SBS改性瀝青三大指標的影響

將4%的摻量定為納米ZnO的較優摻量，在此基礎上探究納米TiO2的較優摻量，保持納米ZnO的摻量不變，分別在其基礎上加入0.5%～2.5%的納米TiO2制備ZnO/TiO2-SBS復合改性瀝青，其中納米Ti O2的摻量以0.5%為間隔增加。

由圖5所示，在摻有4%納米ZnO的基礎上加入納米TiO2后瀝青的針入度再次降低，且隨著納米TiO2摻量的增加而逐漸減小，改性瀝青的硬度再次變大。

圖5 25℃針入度

由圖6所示，改性瀝青的軟化點隨著納米TiO2摻量的提高而提高，但提升不大。

圖6 軟化點

由圖7所示，改性瀝青的延度會隨著納米TiO2摻量的增加先增大后減小，當摻量為1.5%時達到峰值，此時改性瀝青低溫性能最好。隨著摻量的繼續增加，延度開始下降，這是由于改性瀝青中瀝青比例下降，反而使改性瀝青低溫性能遭到破壞。

圖7 5℃延度圖

三大指標能夠初步反應瀝青的高低溫等特性，瀝青在常溫狀態下的抗變形能力可由針入度體現，軟化點越高則說明瀝青的高溫特性越好，而延度越高則說明瀝青的低溫特性越好。綜上可知，納米材料的加入小幅度地改善了瀝青的高溫特性，并提高了瀝青的低溫特性，當納米ZnO摻量為4%，納米TiO2摻量為1.5%時，低溫性能較SBS改性瀝青提高了41.6%。

圖8 135℃黏度

3 結束語

（1）試驗發現納米ZnO和納米TiO2的摻入均可提高SBS瀝青的硬度，提升瀝青的高低溫性能以及黏度。恰當地復摻可以達到最好的效果，但當摻量過大時則會產生不利影響。

（2）可選擇4%納米ZnO和1.5%納米Ti O2作為較優的改性瀝青摻量，此時的改性瀝青黏度增長率達到8%，和SBS改性瀝青相比，高溫性能提高了15%，低溫性能提高了41.6%。

（3）本文只研究了納米材料對瀝青的性能影響，后續可制備復合改性瀝青混合料來進一步探究納米材料對改性瀝青路用性能的影響。也可嘗試與不同改性劑進行復合改性的效果。

（4）單一納米材料對瀝青的性能只側重提升高溫或低溫一項，通過本試驗可知，可以通過不同納米材料的復配來同時改善瀝青的高低溫性能，在將來應用納米材料對瀝青進行改性時，可同時選用具有不同改性效果的納米材料，多方面提升瀝青的性能。