納米ZnO/SBR復合改性瀝青高溫性能研究

張全立

(河南省交通科研院，鄭州 450000)

在我國現今的道路工程中，瀝青路面因具有表面平整、能承擔繁重的交通量、且施工簡單等優點得到了廣泛的應用。然而，在長期的服役過程中，由于復雜的環境變化與交通荷載的逐步增大，使得瀝青路面出現各種病害[1]。在瀝青中加入不同種類的改性劑來提高其高溫性能，已成為道路工作者不可或缺的使命。

近年來，聚合物改性瀝青是改性瀝青中使用最為普遍的技術[2]，尤其是SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性瀝青和SBR改性瀝青。它們具有諸多優點，最為突出的為其具有優異的高低溫性能[3-5]。但聚合物改性瀝青仍存在許多不足，為能滿足瀝青路面更高的要求，無機納米材料被廣大學者青睞。納米Fe3O4的加入能夠對瀝青的三大指標都有顯著的提高效果[6]，納米CaCO3摻入SBS改性瀝青能夠提高其流變性能[7]，經過表面修飾的納米SiO2與丁苯橡膠均能夠改善瀝青的高溫穩定性[8]。

通過試驗分別對單一改性瀝青和復合改性瀝青的性能進行測試，分析并研究SBR改性瀝青和納米ZnO/SBR復合改性瀝青的高溫性能。

1 原材料與試驗準備

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

試驗所用瀝青為鄭州某公司提供的70#A級瀝青，按照試驗規程[9]對基質瀝青進行性能指標試驗，試驗結果如表1所示。

表1 瀝青基本性能指標

1.1.2 納米氧化鋅

試驗所用的納米氧化鋅也是由鄭州某公司提供，納米氧化鋅為白色粉末狀，其技術指標如表2所示。

表2 納米氧化鋅技術指標

無機納米材料與基質瀝青相容性較差，選取偶聯劑對納米氧化鋅進行表面活化，可促進納米材料均勻分散于基質瀝青中。通過研究優選出鋁酸脂偶聯劑和乙醇混合溶液對納米ZnO進行處理，能夠有效地改善無機納米材料與基質瀝青的結合，從而增加改性材料的穩定性。

1.1.3 丁苯橡膠(SBR)

丁苯橡膠是由天津某公司提供，外觀為米白色粉狀，其技術指標見表3。

表3 丁苯橡膠技術指標

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 SBR改性瀝青

將一定量的基質瀝青放在高速剪切機的加熱底座上加熱至熔融狀態，溫度設定為135 ℃，在攪拌過程中加入所需劑量4%SBR，直至SBR與基質瀝青充分融合，改用以4 500 r/min轉速對其進行連續勻速剪切35 min，攪拌完成后，把轉速設定為1 500 r/min，繼續勻速剪切30 min達到溶脹狀態后，即制備出SBR改性瀝青。

1.2.2 納米ZnO/SBR改性瀝青

將一定量的基質瀝青放置于高速剪切機的加熱底座上加熱至熔融狀態，溫度設定為135 ℃，在攪拌過程中加入表面修飾過的4%納米ZnO，當修飾后的納米ZnO融入瀝青后，將高速剪切機穩定在4 000 r/min并高速攪拌35 min，接著向其加入4%SBR繼續剪切攪拌35 min，攪拌完成后，繼續以低速1 500 r/min勻速剪切45 min，即可制得復合改性瀝青。

2 試驗與結果分析

2.1 常規性能試驗

按照試驗規程[9]對三種瀝青進行常規性能試驗，試驗結果如表4所示。

表4 改性瀝青常規性能試驗

由表4可知，加入納米ZnO后，復合改性瀝青針入度較SBR改性瀝青降低約10.7%、較基質瀝青降低約16.6%。復合改性瀝青軟化點與SBR改性瀝青軟化點相比提升約13.3%、與基質瀝青軟化點相比提升約23.3%。延度明顯增加但仍滿足要求。表明在基質瀝青中添加納米ZnO及SBR改性劑，能明顯提高改性瀝青的高溫性能。納米ZnO/SBR復合改性瀝青的變化幅度則比SBR改性瀝青更為顯著，即在SBR改性瀝青中添加納米ZnO可以有效提高復合改性瀝青的高溫性能。

2.2 動態剪切試驗

采用美國TA公司生產的動態剪切流變儀，按照試驗規程[9]中的T 0628—2011對三種瀝青實施溫度掃描，測定出相位角、復數剪切模量、抗車轍因子隨溫度的升高而隨之改變的規律，試驗結果如表5所示。

表5 復合改性瀝青復數剪切模量、相位角、車轍因子

由表5可以得出：

1)隨著溫度的升高，復數剪切模量值是逐漸減小，并且基質瀝青和復合改性瀝青的復數剪切模量值的變化趨勢基本一致。SBR改性瀝青的復數剪切模量在同一溫度條件下都小于復合改性瀝青的復數剪切模量值，這表明在同一高溫條件下，復合改性瀝青抵抗剪切的能力要比SBR改性瀝青的強。

2)隨著溫度的提高，SBR改性瀝青和復合改性瀝青的相位角都呈現逐漸上升的趨勢。同一溫度條件下，兩種改性瀝青相比，復合改性瀝青的相位角較小。說明納米材料的加入使SBR改性瀝青的粘性成分和彈性成分的占比發生了變化，基質瀝青由粘彈性向彈性轉化，這有利于路面變形的恢復。

3)三種瀝青的抗車轍因子均隨溫度上升而呈現大幅度降低的趨勢。如復合改性瀝青在46 ℃的車轍因子為36.86 kPa，而82 ℃車轍因子為1.25 kPa，下降了97%。在相同溫度條件下，兩種改性瀝青的抗車轍因子均大于基質瀝青，且復合改性瀝青抗車轍因子最大，表明在SBR改性瀝青中加入納米氧化鋅可以提高瀝青的抗車轍能力。抵抗車轍能力越強，瀝青的高溫性能越好，說明納米氧化鋅的加入提高了SBR改性瀝青的高溫性能。

3 結 論

a.與基質瀝青相比，SBR改性瀝青、納米ZnO/SBR改性瀝青都呈現出針入度下降、軟化點和延度升高的趨勢。在SBR改性瀝青中添加納米ZnO后，復合改性瀝青針入度和軟化點分別比原SBR改性瀝青降低10.7%和增加13.3%。

b.三種瀝青的復數剪切模量和相位角差別較明顯，在同樣的溫度條件下復合改性瀝青的復數模量最高，相位角最小，而基質瀝青的復數模量最低，相位角最大。說明納米材料的加入使SBR改性瀝青的粘性和彈性的成分占比發生了變化，基質瀝青由粘彈性向彈性轉化，這有利于路面變形的恢復。

c.采用抗車轍因子G*/Sinδ來表征瀝青的高溫性能。在同樣的溫度條件下，復合改性瀝青抗車轍因子最大，SBR改性瀝青次之，基質瀝青抗車轍因子最小，說明在SBR改性瀝青中添加納米氧化鋅能夠增強瀝青的抗車轍能力，即納米氧化鋅的加入提高了SBR改性瀝青的高溫性能。