納米TiO2和SBR改性瀝青混合料路用性能研究

陳宇坤 陸繼廣 王啟力 牛鑫磊 張 帥 陳志文

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

受氣候條件、原材料質量、現場施工不利條件等因素影響，我國道路瀝青路面壽命極短，達不到國家規定的要求。提高道路瀝青質量的主要途徑是對道路石油基質瀝青進行改性，通過添加各類改性劑增強瀝青混合料的路用性能。程永春等[1]將不同劑量的納米TiO2和納米CaCO3以及玄武巖纖維加入到90#基質瀝青當中，用高速剪切設備進行16組改性，并測其三大指標和表觀黏度，最后進行動態剪切流變性能和低溫彎曲梁蠕變性能分析，得出三者復合改性有助于提高瀝青的低溫應力松弛能力，增強低溫抗裂性能，對瀝青高低溫性能的影響有疊加效應。葉超等[2]將0.5%、1%、3%、5%劑量的納米TiO2加入到瀝青中，運用高速剪切機使它與瀝青充分溶脹，測其高溫性能和老化性能，隨著納米TiO2用量的增加，車轍因子逐漸減小，改善了瀝青的高溫性能，有較高的路用研究價值。國內外大量試驗研究可知，丁苯橡膠粉末可以提高瀝青及瀝青混合料的大部分性能，尤其是瀝青混合料的水穩定性和低溫性能。姜兆平[3]利用廢舊的塑料和橡膠制成SBR和PR改性劑，用高速剪切機對90#瀝青進行復合改性，測其三大指標。發現當單獨摻入SBR時，隨著SBR的加入，瀝青的軟化點和延度逐漸升高，而針入度逐漸降低；當單獨摻入PR時，軟化點明顯提高，針入度和延度略有下降；當兩者復合改性時，軟化點和延度大幅提升，而針入度降低，能顯著提高原瀝青的高溫性能和低溫性能。孫培等[4]通過對比分析基質瀝青、CaCO3改性瀝青、SBR改性瀝青和兩者復合改性瀝青混合料的高溫性能，得出復合改性的高溫性能的動穩定度提高38.2%且效果最好。Mohammad等[5]使用不同的加載頻率測SBR改性瀝青的高溫性能，當加載頻率為5 Hz時，能較好地反映混合料的高溫性能。丁蘭[6]通過探索不同礦料級配的SBR改性瀝青的高、低溫性能，水穩定性能，耐老化性能等，分析出在西藏地區SBR改性劑對瀝青混合料路用性能的影響。最后得出，礦料級配AC-16型瀝青混合料的熱老化性能、水穩定性能比AC-20型瀝青混合料好，而AC-20型的高溫車轍動穩定度要優于其他礦料級配，SBR改性瀝青的各種性能均優于110#瀝青混合料。綜上所述，SBR能有效提高瀝青的低溫抗裂性，納米TiO2提高了瀝青的高溫性能。因此，本文以納米TiO2和SBR復合改性瀝青為研究對象，探究復合改性瀝青的路用性能，并揭示在不同環境條件下改性瀝青常規性能的演變規律，為今后復合改性瀝青的推廣提供理論依據。

1 試驗材料及混合料級配

1.1 試驗材料

TiO2：由南京埃普瑞納米材料有限公司提供，主要技術指標見表1。

表1 納米TiO2產品技術指標

SBR粉末：佛山鑫路材料有限公司生產，性能參數見表2。

表2 SBR性能參數

基質瀝青：依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，對韓國SK-70基質瀝青的基本性能進行常規試驗，技術指標見表3。

表3 基質瀝青技術指標

集料規格：粗集料采用新鄉產的天然碎石；細集料采用機制砂；填料采用礦粉。各集料技術性能如表4所示。

表4 集料基本性能測試

1.2 復合改性瀝青的制備

目前共有3種改性瀝青方法：高速剪切法、機械攪拌法和溶劑法。納米粒子比表面積大，表面能高，加入到黏度大的瀝青中易團聚，而高速剪切法能在改性過程中加熱瀝青，降低黏度，利于納米粒子分散[7]。所以此試驗采用高速剪切法（高速剪切混合乳化機）制備改性瀝青，每組取基質瀝青800 g，用精度0.001 g的電子秤稱取相應比例改性劑，用高速剪切混合乳化機進行改性。將基質瀝青熔融，加入一定劑量的改性劑，先手動攪拌到改性劑完全融入瀝青中，然后開動高速剪切混合乳化機，插入傳感器，在130 ℃下以3 000 r/min轉速攪拌20 min，再升溫到160 ℃，調節轉速到6 000 r/min，高速剪切30 min，最后在120 ℃下充分溶脹，發育1 h。因為在油性物質中納米TiO2粉末摻量不宜大于2%[8]，所以選用0.5%、1%、1.5%三種比例的納米TiO2量和1%、2%、4%比例的SBR，進行正交試驗。

1.2.1 復合改性瀝青最佳摻量確定

為確定納米TiO2和SBR的最佳用量，根據規范對改性好的9組瀝青進行針入度、延度和軟化點試驗，只不過改性瀝青的延度測其5 ℃延度，以便更好地評價復合改性劑對其低溫性能影響。結合基質瀝青結果，綜合分析后確定最佳的一組，9組改性瀝青的三大指標平行試驗數據見表5。

表5 復合改性瀝青常規性能試驗

在河南地區，夏季高溫炎熱，冬季干燥嚴寒，軟化點高，可防止路面發軟和泛油；延度高，表明瀝青塑性越好，瀝青低溫抗裂和低溫拉伸效果也越好；針入度越小，表明瀝青越硬。結合經濟狀況和試驗研究，綜合三大指標數據，選擇摻量1%TiO2＋4%SBR為最佳改性瀝青摻量。

1.2.2 納米TiO2和SBR復合對瀝青三大指標的影響

基質瀝青和改性瀝青三大指標對比如圖1所示。從圖1（a）、圖1（b）基質瀝青的性能檢測結果可知，針入度為7.46 mm，軟化點為46.2 ℃，15 ℃延度為131.3 cm，5 ℃延度為66.3 cm；最佳摻量的改性瀝青的針入度為5.21 mm，軟化點為59.4 ℃，5 ℃延度為84.0 cm，它們的三大指標均符合規范要求。改性后針入度降低了2.25 mm，軟化點提升了13.2 ℃，延度提高了17.7 cm。根據9組改性瀝青的三大指標測試結果，隨著SBR量的加入，針入度降低，軟化點和延度升高；隨著納米TiO2含量的增多，針入度逐漸下降，軟化點和延度先升高再下降，呈現復雜變化。

圖1 基質瀝青和改性瀝青三大指標

1.3 混合料級配的確定

對礦料的性能進行分析可以保證瀝青混合料的質量，性能良好的礦料更能改善瀝青混合料的高溫穩定性、低溫性能和水穩定性，從以上粗集料、細集料及礦料的性能試驗結果可以看出，集料的各項指標均符合規范要求，可以用于試驗研究。AC-13礦料級配各粒徑集料摻量對應篩孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分計篩余百分數分別為5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%，礦粉（5%），最終合成級配如表6所示。

表6 AC-13瀝青混合料礦料級配

由表6可知：合成級配接近中值，滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求。

1.4 最佳油石比的確定

1.4.1 基質瀝青油石比的確定

根據已有相關研究[7]，取AC-13瀝青混合料最佳油石比為4.8%，用3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%等5組油石比進行試驗。礦料的合成毛體積相對密度、5組不同油石比試件的空隙率VV、間隙率VMA、瀝青飽和度VFA按JTG E20—2011[9]中相關公式計算，基質瀝青混合料馬歇爾試驗技術標準見表7。

表7 馬歇爾試驗性能指標

根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》，由表7中油石比與馬歇爾試件各項物理力學指標關系確定基質瀝青混合料最佳油石比。結合實際情況和相關研究，最終確定最佳油石比為4.9%。

1.4.2 改性瀝青最佳油石比確定

根據基質瀝青混合料最佳油石比研究，預估改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%，用4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%等5組油石比進行試驗，最后根據各項性能確定最佳油石比。計算礦料的合成毛體積相對密度、5組不同油石比試件的空隙率VV、間隙率VMA、瀝青飽和度VFA，AC-13級配改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果如表8所示。

表8 馬歇爾試驗性能指標

由表8中油石比與馬歇爾試件各項物理力學指標關系確定基質瀝青混合料最佳油石比。結合實際情況和相關研究，最終確定改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%。

2 復合改性瀝青混合料路用性能

2.1 高溫性能評價

根據規范，采用輪碾成形機成形馬歇爾車轍試件。

瀝青混合料的高溫穩定性能是指混合料在夏季高溫條件下（60 ℃），經車輛車輪荷載重復作用下不產生車轍位移和變形的能力。經驗表明，瀝青路面永久性變形主要發生在高溫炎熱的夏季，在汽車荷載作用（尤其是重型車輛）下發生變形，且隨溫度升高和荷載加大而增大，使得路面不平整，危及行車安全，縮短瀝青路面使用時間。

混合料質量及礦料質量由試件的體積按馬歇爾密度乘以1.03的系數得到。先以4.8%油石比毛體積密度代替4.9%油石比毛體積密度，大體估計所需礦料及瀝青量，采用的輪碾試模規格為300 mm×300 mm×50 mm，即M＝10.72 kg。取11 kg的礦量進行試驗，按礦料級配準確稱取3組相應集料和礦粉放進160 ℃烘箱中加熱，重復上述拌和步驟，在輪碾試模中鋪上一層報紙，迅速將料由邊到中裝入試模內，中間凸起，放在輪碾機上，在試模上再鋪一層報紙，開動輪碾機，加熱到100 ℃，加壓至9 kN對中，先一個方向碾壓12次往返，再調轉方向進行12次往返。依此條件成形3個試件。壓實成形后，記錄下試件的碾壓方向，放在室溫下冷卻12 h進行車轍試驗。預估改性瀝青的車轍試件成形需要的質量M＝10.484 kg，取11 kg的礦料進行試驗，也按前步驟成形3個試件，在室溫下冷卻48 h。

將車轍試驗機連接計算機打開，設定好試驗溫度為60 ℃，輪碾1 h，將成形好的試塊放進試驗儀內，在60 ℃條件下放置6 h，輪碾方向和成形方向一致。放下膠輪，如圖2所示。啟動試驗，輪碾1 h。記錄下45 min形變、60 min形變以及動穩定度，按同樣步驟輪碾改性瀝青試件，車轍后形變試件如圖3所示。改性瀝青45 min形變、60 min形變以及動穩定度見表9。

表9 車轍試驗性能指標

圖2 車轍輪碾

圖3 車轍后形變試件

瀝青混合料45 min和60 min位移以及動穩定度對比分析如圖4和圖5所示。從圖中可知，復合改性瀝青的45 min和60 min位移明顯比基質瀝青低，基質瀝青的位移差為0.52 mm，改性瀝青的位移差為0.1 mm，比基質瀝青明顯低很多，動穩定度是基質瀝青的1.3倍多，有明顯改善效果。

圖4 位移對比分析

圖5 動穩定度對比分析

2.2 水穩定性能評價

根據規范要求，采用T 0709—2011浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂2個試驗來評價瀝青混合料的水穩定性，根據基質瀝青和改性瀝青結果對比，評價改性劑對混合料路用性能的影響。

水穩定性是指瀝青混合料受水的影響程度，也叫做瀝青混合料的防水性或抗水性能。水損害是瀝青路面在浸水或長期周而復始的凍融作用下，在表面施加荷載時，使瀝青從集料表面剝落而降低瀝青混合料的黏結強度，從而形成大小不一的坑洞的現象。

2.2.1 基質和改性瀝青浸水馬歇爾試驗性能評價

浸水馬歇爾強度試驗與基質瀝青馬歇爾穩定度試驗方法前期的成形方式一樣，采用4.9%的油石比成形10個試件，分為2組，常溫冷卻12 h后脫模，一組根據測穩定度方法測其強度，另一組在60 ℃的恒溫水浴中保溫48 h，測定其穩定度。

同樣，改性瀝青采用5.0%的油石比成形10個混合料試件，常溫冷卻12 h，和基質瀝青混合料試驗的方法一樣，分為2組測定，分別按規定測其穩定度，根據T 0709—2011公式計算，結果見表10。

表10 浸水馬歇爾試驗性能指標

從表10中可知，基質瀝青混合料和改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度均符合規范要求，且改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度比基質瀝青提高了9.06%。

2.2.2 基質和改性瀝青凍融劈裂試驗性能評價

凍融劈裂的試件采用馬歇爾標準擊實儀成形8個試件（其他條件同上），擊實次數為雙面各50次，并且做好標記，測定每一個試件高度，平均分成2組，進行標記，室溫下冷卻。將第1組試件放入25 ℃恒溫水槽中保溫2 h后，進行凍融劈裂試驗，第2組放在真空飽水缸中抽真空，保持15 min，取出后放進塑料袋中，如圖6所示，加入10 mL水，放進－18 ℃低溫試驗箱中保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒溫水浴中保溫24 h，再在25 ℃恒溫水槽中保溫2 h后進行試驗。凍融劈裂試驗也采用馬歇爾穩定度儀測定，只不過把試件夾具換成劈裂試驗專用夾具（圖7），只讀取劈裂強度值。改性瀝青同樣采用基質瀝青混合料試驗凍融劈裂方法，評價改性瀝青混合料的凍融劈裂性能，根據規范公式計算凍融劈裂強度比，結果見表11。

圖6 凍融劈裂試件

圖7 凍融劈裂試驗

表11 浸水馬歇爾試驗性能指標

由表11可知，基質瀝青混合料和改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比均符合規范要求，且改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比較基質瀝青提高6.16%。

3 結語

1）運用高速剪切混合乳化機對基質瀝青進行改性，先手動攪拌至無粉末，再用剪切機先以130 ℃、3 000 r/min剪切20 min，再以160 ℃、6 000 r/min剪切30 min，整個過程高速高溫剪切50 min，能夠很好地將改性劑均勻分散在瀝青中，最后高溫發育1 h，讓瀝青充分溶脹，使瀝青性能達到最好。

2）對比基質瀝青和改性瀝青的三大指標，結合各方面條件，選取1%TiO2＋4%SBR為改性瀝青的最佳摻量組，改性瀝青的針入度、軟化點、延度均比基質瀝青好，改性劑的加入大大改善了瀝青的基本性能。

3）礦料清洗后測其各個粒徑的基本性能指標，結果表明它們均符合規范要求。確定瀝青混合料各粒徑集料摻量對應篩孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分計篩余百分數分別為5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%。

4）確定最佳油石比可以減少車轍、泛油嚴重等病害，增強路面抗疲勞強度，減少水損害等優點。成形馬歇爾試件測試塊的吸水率，結合相關密度、穩定度、流值、空隙率、瀝青飽和度、間隙率等綜合指標，確定基質瀝青最佳油石比為4.9%，改性瀝青最佳油石比為5.0%。

5）用納米TiO2和SBR復合改性瀝青混合料，能提高瀝青混合料的高溫性能和水穩定性能。改性瀝青的高溫穩定性比基質瀝青提高了1.3倍，浸水后強度比、凍融劈裂強度比分別比基質瀝青提高了9.06%和6.16%。

6）試驗中只做了基質瀝青和摻加了2種改性劑的改性瀝青的三大指標對比，而沒有和單獨摻加SBR和單獨摻加TiO2的改性瀝青性能進行對比，無法了解2種改性劑單獨對普通瀝青改性的效果。