納米碳酸鈣改性瀝青混合料路用性能研究

孫 培，張 楠，王 霽，凌婷婷

(合肥學院城市建設與交通學院，安徽合肥 230601)

由于普通石油瀝青“高溫狀態下易軟化，而低溫情況下易發生脆裂”的特性，難以再滿足當下快速發展的交通要求。為了改變上述現狀，學者們將目光轉向對石油瀝青進行改性處理的相關研究上[1-2]。目前，市面上較為常見的改性劑主要是聚合物改性劑，如SBS、SBR等，它們對石油瀝青的性能提升效果顯著。然而，聚合物改性瀝青也存在一些不足，如與石油瀝青相容性較差、造價較高等[3-4]。

在上述背景下，越來越多的新型改性劑被不斷應用，其中納米材料改性瀝青受到了較大的關注。它是基于各種工藝和方法將納米材料摻入瀝青中，以期利用納米效應來提高或改善瀝青的各項性能[5-8]。在眾多的納米材料改性劑中，價格低廉、性能優良且生產工藝成熟的納米碳酸鈣表現出來廣泛的應用前景。劉大梁等對納米碳酸鈣改性瀝青的改性機理展開研究，發現納米碳酸鈣與SBS改性瀝青兩者間發生了一系列反應，最終形成了一個均勻體系，從而改善了SBS改性瀝青的性能[9-10]。孫培等認為納米碳酸鈣能充分改善SBR改性劑和基質瀝青的相容性，從而提高SBR改性瀝青和混合料的高溫性能[11]。陳正偉等探究了對納米碳酸鈣/二氧化鈦/SBR復合改性瀝青的性能和機理，最終結論證實了上述復合改性瀝青的高低溫性能和抗老化性能均優于基質瀝青[12]。程永春等利用納米二氧化鈦、納米碳酸鈣和玄武巖纖維作為改性劑制備的復合改性瀝青粘結力和抗永久變形能力都得到有效提高[13]。

綜上可知，國內外學者在將納米碳酸鈣作為改性劑用來改善瀝青性能方面進行了大量研究，且取得了顯著成果，但目前的研究基本上聚焦于將納米碳酸鈣摻入到聚合物改性瀝青中，鮮少涉及到利用單一的納米碳酸鈣作為改性劑來提高或改善基質瀝青的性能。為了探究納米碳酸鈣是否能有效改善基質瀝青性能及具體的改善效果，本文將納米碳酸鈣作為改性劑，利用高速剪切法制備了7種不同改性劑摻量的納米碳酸鈣改性瀝青，從中挑選出2組納米碳酸鈣摻量，并基于室內車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩定性試驗和耐老化實驗，對基質瀝青混合料和兩組納米碳酸鈣改性瀝青混合料的路用性能展開研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用克拉瑪依70#瀝青，詳細技術指標如表1所示。本文采用的納米碳酸鈣為山東某公司生產的產品，是一種白色粉末狀顆粒，相關技術性質如表2所示。

表1 基質瀝青技術性質

表2 納米碳酸鈣技術性質

1.2 礦料級配

采用玄武巖碎石作為粗集料，石灰巖軋制獲取的機制砂作為細集料，礦粉選用石灰巖。根據前期試驗，最終確定了AC-13目標級配，如表3所示。

表3 礦料級配

1.3 試驗方案

對納米碳酸鈣添加量為1%至7%的7種納米改性瀝青開展針入度、軟化點、延度和DSR試驗，并與基質瀝青性能進行對比分析，優選出2個納米碳酸鈣摻量；其次，基于室內試驗，對基質瀝青混合料和優選的納米碳酸鈣改性瀝青混合料路用性能展開研究。

2 納米碳酸鈣改性瀝青制備工藝

2.1 納米碳酸鈣表面處理

納米碳酸鈣表面活性較強，若將其直接加入到基質瀝青中，極易發生團聚現象，故必須采用相關措施保證其能均勻分散。本文利用硅烷偶聯劑的特性，將其作為活化劑對納米碳酸鈣表面進行修飾，具體操作步驟為：(1)將少量的硅烷偶聯劑和乙醇、蒸餾水等混合，配制偶聯劑混合醇水溶液；(2)將納米碳酸加入到燒瓶中，同時緩慢倒入混合溶液，接著開始加熱并不斷地攪拌，攪拌時間約45～50min；(3)冷卻至室溫后，過濾“納米碳酸鈣+偶聯劑+乙醇+蒸餾水”混合溶液，并置于烘箱中烘干，再加以研磨，即可得到試驗所需的成品納米碳酸鈣。

2.2 納米碳酸鈣改性瀝青制備工藝

高速剪切法的高速剪切力可以很好地保證改性劑較為均勻地分散在瀝青基體中。考慮到高速剪切法操作簡單且對瀝青改性效果好，本文將特定比例的基質瀝青和納米碳酸鈣混合后，先利用攪拌儀將二者攪拌均勻，再利用高速剪切法來制備瀝青，詳細制備工藝如圖1所示。

圖1 改性瀝青制備流程圖

3 納米碳酸鈣改性瀝青性能試驗

3.1 三大指標試驗

對7種納米碳酸鈣改性瀝青及基質瀝青進行三大指標試驗，試驗結果如表4所示。

表4 三大指標試驗結果

由表4針入度數據可知，針入度指標隨納米碳酸鈣添加量的增加表現出下降趨勢，即瀝青的黏度隨之增大，這對服役階段的混合料抵抗高溫永久變形作用時有利的；軟化點隨添加劑劑量的增加呈不斷增大的趨勢，意味著納米碳酸鈣能改善基質瀝青的高溫性能；隨添加的改性劑劑量的增大，延度指標表現為先增大后減小，但變化幅度較小，且當納米碳酸鈣摻量大于5%后，改性瀝青的延度小于基質瀝青，這表明納米碳酸鈣對基質瀝青低溫性能的影響較小，且摻量過大時甚至對瀝青的低溫性能充分發揮起到抑制作用。

納米碳酸鈣具有很大的比表面積，將其加入到基質瀝青中后，它會吸收基質瀝青中的輕質組分，改善了瀝青的高溫性能，且由于納米碳酸鈣表面活化能較高，這就決定了它與基質瀝青能夠更緊密地結合在一起。正是由于上述作用，使得納米碳酸鈣改性瀝青的軟化點和黏度指標均大于相應的基質瀝青指標。

為更深層次地探究納米碳酸鈣改性瀝青的高溫流變性質，對基質瀝青和采用3%、5%這2個劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青進行動態剪切流變試驗。

3.2 DSR試驗

基于DSR試驗，可獲取復數剪切模量和相位角等基本參數。本文采用通過這兩個指標計算獲得的車轍因子進一步表征瀝青的高溫性能，試驗結果如圖2所示。

圖2 DSR試驗結果

由圖2結果可知，在合適的范圍內，納米碳酸鈣摻量的提高帶來的是車轍因子的增大，使得瀝青的高溫性能顯著提升。例如，當試驗溫度為64℃時，摻加3%納米碳酸鈣的改性瀝青車轍因子為基質瀝青車轍因子的1.61倍，而相應的添加5%納米碳酸鈣的改性瀝青車轍因子為基質瀝青車轍因子的1.77倍。

4 納米碳酸鈣改性瀝青混合料路用性能

4.1 高溫穩定性

利用車轍試驗計算的動穩定度來表征3種瀝青混合料高溫抗變形能力，變形和動穩定度結果如表5所示。

表5 車轍試驗結果

由表5動穩定度結果可知，納米碳酸鈣的添加有效提高了基質瀝青混合料的高溫性能。通過比較可以看出，與未摻加改性劑前相比，摻加3%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料動穩定度提高了72.5%，摻加5%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料動穩定度則提高了123.4%。高溫性能的改善得益于納米碳酸鈣的摻加使得基質瀝青的黏性增大，且使得瀝青與集料顆粒間的粘結能力變得更好，進一步表現為在高溫條件下，混合料抵抗變形的能力得到了提升。

4.2 低溫抗裂性

通過小梁彎曲試驗來表征瀝青混合料的低溫抗裂性，測試溫度設置為-10℃，詳細試驗結果如圖3所示。

圖3 小梁低溫彎曲試驗結果

由圖3可知，無論添加3%納米碳酸鈣還是5%納米碳酸鈣，基質瀝青的最大破壞彎拉應變都有小幅度提高，這意味著納米碳酸鈣加入與否對混合料低溫性能的提升作用不明顯，但仍有小幅度改善。

4.3 水穩定性

利用常規的浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗來表征3種不同類型瀝青混合料抵抗水損害的能力，試驗結果如圖4所示。

圖4 水穩定性試驗結果

圖4列出的試驗數據表明：與未摻加改性劑相比，摻加3%、5%納米碳酸鈣的改性瀝青混合料殘留穩定度分別提高了3.74%和4.47%，劈裂強度比分別是基質瀝青混合料的1.04倍和1.05倍，這說明在基質瀝青中摻入納米碳酸鈣可改善其抵抗水損害的能力。這是因為，納米碳酸鈣改性瀝青的黏性優于基質瀝青，在水的作用下，瀝青膜更不易從集料表面剝落，從而表現出水穩定性能的改善。

4.4 耐老化性

路面耐老化性能與其服役壽命密切相關，本文選用SHRP計劃中的長期老化方法來模擬路面的實際老化狀態。考慮到車轍病害最易發生在服役早期的高溫天氣，此時相應的混合料勁度較小，而低溫開裂和水損害則常出現在通車3～5年后，故本文中測試混合料高溫穩定性時選擇經過短期老化的混合料，而低溫抗裂性和水穩定性測試則選擇室內長期老化處理過的混合料。本文采取簡單易操作的烘箱加熱法來模擬短期老化階段，并在此基礎上對其進行長期老化。3種瀝青混合料的耐老化性能試驗結果如表6和表7所示。

表6 老化瀝青混合料高低溫性能試驗結果

表7 老化瀝青混合料水穩定性試驗結果

由表6動穩定度試驗結果可知，短期老化處理后，3種瀝青混合料的動穩定度都有所增大，這是由于經過老化后混合料的勁度有所增大，使得抗車轍能力得以提高。由表6還知，老化作用使得最大彎拉應變有所減小，但兩種納米改性瀝青混合料的最大彎拉應變指標仍然要稍大于基質瀝青混合料的相應指標，且摻量為5%的納米碳酸鈣改性瀝青混合料對應的低溫性能下降幅度最小。

此外，通過表7可知，歷經長期老化作用后，三種不同的瀝青混合料對應的殘留穩定度和TSR值都表現為減小趨勢，意味著在老化作用下混合料抵抗水損害的能力受到負面影響，且抗水損害能力下降幅度滿足：基質瀝青混合料>3%納米碳酸鈣改性瀝青混合料>5%納米碳酸鈣改性瀝青混合料。綜合比較，摻加5%納米碳酸鈣制備的改性瀝青混合料對應的耐老化性能最佳。

5 結論

(1)采用納米碳酸鈣摻量為3%和5%制備的改性瀝青的軟化點、延度和黏度均優于基質瀝青，而當納米碳酸鈣摻量大于5%時，改性瀝青的延度呈下降趨勢，其中當納米改性劑摻量為5%時，瀝青的各項性能達到最優。

(2)相較于基質瀝青混合料，3%劑量和5%劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青混合料測得的動穩定度分別上升了72.5%和123.4%，殘留穩定度則是分別增加了3.74%和4.47%，凍融劈裂強度比分別增大了3.65%和4.78%，最大破壞彎拉應變分別增大了1.47%和3.52%，表明兩種劑量制備的納米碳酸鈣改性瀝青混合料的高低溫性能及水穩定性能均優于基質瀝青混合料。

(3)在老化作用下，3種瀝青混合料的水穩定性能和低溫抗裂性能都有所下降，且下降幅度滿足：基質瀝青混合料>3%納米碳酸鈣改性瀝青混合料>5%納米碳酸鈣改性瀝青混合料。

(4)綜合室內試驗，當納米碳酸鈣添加量取到5%時，制備的納米改性瀝青和混合料對應最優的技術性質，即最佳納米碳酸鈣劑量為基質瀝青質量的5%。