納米SiO2改性瀝青混合料的制備及性能研究*

鎖利軍

(山西工程技術學院 土木工程系，山西 陽泉 045000)

0 引 言

近年來，隨著我國城市化的發展，交通路網和公路建設也取得了很大的進步，隨著車流量的增加和運輸規模的擴大，導致了對路面性能的要求也在不斷提高[1-2]。瀝青路面因具有高溫穩定性、低溫抗裂性、耐疲勞性和水穩定性等而被廣泛應用于路面建設[3-5]。但近些年由于重型車輛的作用，瀝青路面出現的問題也越來越多，車轍、開裂、冬季易脆裂、夏季易軟化、結構強度下降等已經嚴重影響了瀝青路面的正常使用[6-8]。為此，提高瀝青路面材料的性能指標和改善路用性能的研究顯得很有意義。目前關于改性瀝青及混合料的方法主要分為物理改性、摻雜劑改性和工藝改性，其中比較常用的方法是通過對瀝青材料中摻雜礦料、橡膠粉、納米材料以及聚合物改性劑等來提高其性能[9-12]。這幾年由于納米技術的飛速發展，關于納米材料改性瀝青及混合料的研究也開始被人們關注[13-15]。納米材料因尺寸小、表面能高等特點而具有良好的物理性能和化學性能，納米材料引入瀝青混合料后因“小尺寸效應”和“表面效應”能夠與瀝青材料很好地結合，并且良好的相容性能夠保證納米材料在瀝青中的均勻分散和穩定性，從而有效降低瀝青的溫度敏感性，提高軟化點和增加抗裂性能，在瀝青改性研究方面有著較好的發展前景[16-18]。關于納米材料改性瀝青及混合料的研究也越來越多，開前正等[19]通過將納米填料TiO2和SiO2摻雜到瀝青材料中，以提高瀝青混凝土的反射率，結果表明，納米填料TiO2和 SiO2能明顯地提高改性瀝青的反射率，6%摻雜量納米TiO2的改性瀝青表面溫度減低超過5 ℃，有效地提高了瀝青的反射率，降低了路面溫度及帶來的溫度應力破壞。李永琴等[20]通過摻雜納米TiO2和納米CaCO3制備了納米改性瀝青混合料，并進行了單軸壓縮蠕變試驗，結果表明，5%摻雜量納米TiO2和納米CaCO3的瀝青混合料的穩態蠕變激活能提高了約20%，瀝青混合料的高溫抗車轍性能顯著提高，摻入復合納米TiO2和納米CaCO3后有效改善了瀝青混合料的黏彈性?；谝陨涎芯浚疚倪x擇納米SiO2為摻雜填料，90#A級瀝青作為基質瀝青，制備了納米SiO2改性瀝青混合料，并對改性瀝青的三大指標、混合料的高低溫性能、水穩定性和抗凍性能進行了研究。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

納米SiO2：白色粉末，堆積密度為0.3 g/cm3，平均粒徑為65 nm，比表面積為10 m2/g，湖北匯富納米材料股份有限公司；粗集料：石灰巖，表觀相對密度為2.72 g/cm3，吸水率為0.31%，集料壓碎值為18.4%，磨損損耗為13.2%，山東德葡石材裝飾工程有限公司；細集料：機制砂，表觀相對密度為2.42 g/cm3，砂當量為65%，含泥量為1.4%，邵武市尚中憲砂石料貿易有限公司；填料：礦粉，表觀相對密度為2.715 g/cm3，邵武市尚中憲砂石料貿易有限公司。

1.2 納米SiO2改性瀝青混合料的制備

采用高速剪切法制備納米SiO2改性瀝青混合料：首先，選擇90#A級瀝青作為基質瀝青，稱取500 g基質瀝青放入燒杯中，加熱至熔融狀態，用電子天平量取基質瀝青質量分數為0，1%，3%，5%和7%的納米SiO2，在170 ℃高溫下將不同質量分數的納米SiO2加入到熔融狀態的基質瀝青中，然后，進行人工攪拌10 min，保證基質瀝青與納米SiO2能夠均勻混合，最后，使用剪切儀在溫度為170 ℃、轉速為6 000 r/min的條件下高速剪切1 h，即得不同摻雜量的納米SiO2改性瀝青混合料。

1.3 納米SiO2改性瀝青混合料的級配設計

根據JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》技術要求對改性瀝青混合料進行級配設計，如圖1所示。

圖1 納米SiO2改性瀝青混合料的級配設計

表1為納米SiO2改性瀝青混合料級配數據。從表1可以看出，每一檔的合成配比均處于上下限之間，綜合考慮不同油石比下試件的馬歇爾穩定度、流值、瀝青飽和度等因素求出基質瀝青混合料的最佳油石比為5.1%，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的最佳油石比為5.2%[21]，本文以此進行制備瀝青混合料試件。

表1 納米SiO2改性瀝青混合料級配數據

2 結果與討論

2.1 納米SiO2改性瀝青混合料的指標分析

圖2為納米SiO2改性瀝青混合料的針入度曲線。從圖2可以看出，隨著納米SiO2摻雜量的增加，改性瀝青混合料在25 ℃時標準針100 g、5 s時刺入瀝青試樣的深度出現先持續降低后輕微升高的趨勢。當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，針入度達到了最低值61.2(0.1 mm)。

圖2 納米SiO2改性瀝青混合料的針入度曲線

圖3為納米SiO2改性瀝青混合料的軟化點測試曲線。從圖3可以看出，未摻雜納米SiO2的瀝青軟化點最低為50.2 ℃，摻入納米SiO2后，改性瀝青的軟化點均得到了提高，并隨著納米SiO2摻雜量的增加呈現出先升高后輕微降低的趨勢。當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，軟化點達到最大值58.7 ℃。

圖3 納米SiO2改性瀝青混合料的軟化點曲線

圖4為納米SiO2改性瀝青混合料的延度曲線。從圖4可以看出，隨著納米SiO2摻雜量的增加，改性瀝青的延度曲線呈現出先升高后降低的趨勢。當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，延度最大為19.2 cm，相比未摻雜納米SiO2的瀝青，延度增大了90.1%?？梢?，納米SiO2對于瀝青材料的延度改善較大，可以有效提高改性瀝青的拉伸性能。

圖4 納米SiO2改性瀝青混合料的延度曲線

圖5為納米SiO2改性瀝青混合料的粘度曲線。從圖5可以看出，隨著納米SiO2摻雜量的增加，改性瀝青的粘度表現出先升高后輕微降低的趨勢，整體來看，改性瀝青的粘度均得到了較大程度地提高。當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，粘度達到了最大值669 Pa·s，相比未摻雜納米SiO2的瀝青材料，粘度提高了114.4%。

圖5 納米SiO2改性瀝青混合料的粘度曲線

對于瀝青材料來說，當軟化點越高時，表明高溫性能越優異，延度越大，則瀝青材料的拉伸性能越好。表2為納米SiO2改性瀝青混合料的指標測試結果。從表2可以看出，當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，改性瀝青混合料的軟化點最高、延度最大，表明納米SiO2的摻入有效改善了瀝青的各項性能參數。分析其原因為納米SiO2的尺寸較小，表面能較大，且具有較多的不飽和官能團，當納米SiO2摻雜到瀝青中后，納米材料能夠與瀝青材料的不飽和鍵結合，形成網狀結構并在瀝青材料基體中產生聚合效果，當瀝青材料受外部應力或溫度應力時，網狀結構能夠有效傳遞和釋放應力，提高改性瀝青的韌性和溫度穩定性。綜合各性能參數，納米SiO2的最佳摻量為5%(質量分數)，因此，本文采用5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料進行高溫性能測試、水穩定性測試、凍融劈裂測試和低溫抗裂性測試。

表2 納米SiO2改性瀝青混合料的指標測試結果

2.2 納米SiO2改性瀝青混合料的高溫性能

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中瀝青混合料車轍試驗方法來測定瀝青混合料的高溫抗車轍能力，給定溫度為60 ℃，車轍板試件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，采用0.7 MPa輪壓的橡膠輪胎來回輪壓[22]，記錄輪子在試件上豎向位移增加1 mm所需要的往返次數，分別測試了45 min車轍深度和60 min車轍深度，計算出動穩定度D，計算公式如式(1)：

(1)

其中，Ds為動穩定度，次/mm；C1為試驗機修正系數；C2為試件系數，取0.1；d1為對應t1時間下的變形量，mm；d2為對應t2時間下的變形量，mm；N為碾壓速度，本文固定碾壓速度為42次/min。

在高溫條件下瀝青路面很容易發生車轍病害現象，提高動穩定度才能有效解決這一問題。表3為5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的車轍試驗測試結果。從表3可以看出，相比基質瀝青，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料在45和60 min的車轍深度明顯降低，分別降低了45.90%和52.27%，動穩定度從6 503次/mm增加至10 442次/mm，提高了60.57%。這是因為納米SiO2具有較大的比表面積和較強的表面活性，當納米SiO2引入瀝青混合料后可以對瀝青產生較強的吸附效果，納米材料的“小尺寸效應”會與混合料發生物理反應，在一定范圍內改變了瀝青混合料的力學性質，其次納米SiO2的引入減小了瀝青混合料中的輕組分含量，有效改善了瀝青混合料的溫度敏感性，從而提高了瀝青混合料的高溫性能。

表3 5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的車轍試驗結果

2.3 納米SiO2改性瀝青混合料的水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗對納米SiO2改性瀝青混合料的水穩定性進行測試表征，將兩組瀝青混合料分別進行成型穩定測試和放入60 ℃的恒溫水浴中保溫48 h，分別計算標準馬歇爾穩定度和浸水48 h后穩定度，并根據測試結果計算殘留穩定度，測試結果如表4所示。

表4 5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的水穩定性測試結果

表4為5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的水穩定性測試結果。從表4可以看出，兩種瀝青混合料的殘留穩定度均大于80%，滿足了規范中大于75%的要求，基質瀝青混合料的殘留穩定度為84.40%，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的殘留穩定度高達90.69%，并且無論是標準馬歇爾穩定度還是浸水48 h后的穩定度，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的穩定度均高于基質瀝青。可見納米SiO2的摻雜有效提高了瀝青混合料的水穩定性，這是因為納米SiO2具有高的比表面能和大的比表面積，能夠與瀝青分子的有機官能團發生物理反應和化學反應，并形成固定相，提高了瀝青分子之間的結合力，在瀝青分子表面還能夠形成有機保護膜，促進了集料從親水性向親油性的轉變，從而提高了瀝青混合料的水穩定性。

2.4 納米SiO2改性瀝青混合料的凍融劈裂性能

對納米SiO2改性瀝青混合料進行凍融劈裂測試，采用馬歇爾擊實法成型的馬歇爾圓柱體試件，數量為10個，擊實次數雙面各50次，試件尺寸為直徑(101.6±0.25)mm，高度(63.5±1.3)mm，凍融劈裂試驗溫度25 ℃，試驗機加載速率50 mm/min，測試結果如表5所示。

表5 5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的凍融劈裂測試結果

表5為5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗測試結果。從表5可以看出，不管是凍融前還是凍融后，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的劈裂強度均大于基質瀝青，基質瀝青混合料的凍融劈裂強度比為76.52%，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比達到了91.24%，相比較基質瀝青混合料提高了14.72%。這是因為摻入的納米SiO2可以對基質瀝青進行填充，并且納米材料的小尺寸效應使其可以與瀝青混合料進行有效結合，提高集料和瀝青之間粘結程度，在瀝青混合料體系中形成連續相，從而阻礙瀝青之間的相互運動，提高了抗損壞性能。

2.5 納米SiO2改性瀝青混合料的低溫抗裂性

低溫開裂是目前瀝青路面比較常見的問題，當溫度較低時，瀝青混合料不能快速降低溫度應力，容易造成瀝青路面發生拉伸變形，嚴重時會產生開裂[23]。對5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料和90#A級瀝青混合料分別在-10 ℃下進行了小梁彎曲性能試驗，利用位移傳感器采集小梁在恒載作用下的變形數據，分別測試出兩種瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量，以此來表征納米SiO2改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，測試結果如表6所示。

表6 5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的低溫抗裂性測試結果

表6為5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的低溫抗裂性測試結果。從表6可以看出，納米SiO2的摻雜有效改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。相比基質瀝青，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的抗彎拉強度提高了17.70%，最大彎拉應變提高了11.36%，彎曲勁度模量提高了8.86%。這是因為摻入納米SiO2后有效促進了瀝青和集料直接的結合程度，使水分更難從集料和瀝青之間進入，粘聚力得到了明顯提高，從而在低溫環境中的抗裂能力得到改善。

3 結 論

(1)當納米SiO2的摻雜量為5%(質量分數)時，改性瀝青混合料的針入度最低為61.2(0.1 mm)，軟化點最高為58.7 ℃，延度最大為19.2 cm，粘度最大為669 Pa·s?？芍{米SiO2的最佳摻量為5%(質量分數)。

(2)相比基質瀝青，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料在45和60 min的車轍深度明顯降低，分別降低了45.90%和52.27%，動穩定度從6 503次/mm增加至10 442次/mm，提高了60.57%。

(3)納米SiO2的摻雜有效提高了瀝青混合料的水穩定性，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料浸水48 h后殘留穩定度高達90.69%。

(4)5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比達到了91.24%，相比較基質瀝青混合料提高了14.72%。

(5)相比基質瀝青，5%(質量分數)納米SiO2改性瀝青混合料的抗彎拉強度提高了17.70%，最大彎拉應變提高了11.36%，彎曲勁度模量提高了8.86%。