納米Al2O3/SBR復合改性瀝青高溫性能研究

敬尚偉

（華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著交通的迅速發展，在高等級、重交通路段中使用瀝青的地方越來越多，這是由于隸屬于柔性路面的瀝青路面，有著施工容易、穩定性好、行駛舒適、易修復、適用范圍廣等優點。但是隨著近幾年路面使用情況的復雜，交通量增加，交通荷載隨之增加，氣候惡劣變化使得瀝青路面在使用過程中，極易在高溫、紫外線、水、荷載作用下出現車轍破壞[1]，從而對瀝青路面的高溫性能提出了挑戰，向瀝青中摻入改性劑[2]來提高高溫性能，對滿足目前的交通要求有著重要意義。

目前，我國有SBR、PE、EVA、SBS等類型聚合物改性瀝青[3]的研究，張江斌[4]制備SBS改性瀝青并投入運用到高速公路，發現SBS改性瀝青路面的抗離析能力強且平整度高，劉淑娟[5]制備不同摻量的SBR改性瀝青測定其基本技術指標，得到其最佳摻量為4%，改性瀝青的低溫性能得到大幅度改善，高溫性能有一定的改善。暢潤田[6]將SBS、SBR復摻制備乳化改性瀝青，通過測定復合改性瀝青儲存穩定性與蒸發殘留物常規指標，得到在2%SBS、3%SBR復合改性下，顯著提高了乳化瀝青蒸餾殘余的高低溫性能和彈性性能。隨著聚合物摻入，瀝青的高低溫性能得到了一定程度的提高，但聚合物改性瀝青仍然存在很多不足，比如聚合物與瀝青相容性不好、對改性瀝青的性能提升不明顯等。

為使瀝青有著更優越的性能，專家學者考慮向瀝青中摻入無機納米材料，葉超等[7]通過向改性瀝青中摻入納米TiO2，利用動態剪切流變儀（DSR）試驗分析，得出隨納米TiO2的加入，改性瀝青的車轍因子增大，高溫性能得到提升。張金升等[8]制備了納米Fe3O4改性瀝青，通過三大指標試驗，發現隨著納米Fe3O4的摻入，改性瀝青的三大指標都得到提升。周宏斌等[9]通過制備1%～7%摻量的疏水性納米SiO2改性瀝青并測定其三大指標和黏度，得到隨著納米SiO2摻量的增加，改性瀝青針入度、黏度升高，針入度和延度呈現先升后減的趨勢，且在摻量4%時達到最優性能，高溫性能提升了9.8%，低溫性能提升77.6%。由此可以看出納米材料的摻入不同程度地提高了改性瀝青的高低溫性能及流變性能。

本文分別對SBR改性瀝青與納米Al2O3/SBR復合改性瀝青進行三大指標基本指標試驗與動態剪切流變（DSR）試驗，分析其高溫性能。

1 原材料與試驗準備

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

試驗采用的是鄭州某公司生產的70號A級道路石油瀝青，依據試驗規程[10]的要求進行常規試驗，技術指標如表1所示。

表1 基質瀝青技術指標

1.1.2 納米Al2O3

試驗采用的是湖北某公司生產的ALUNA80型號的Al2O3，技術指標如表2所示。

表2 Al2O3技術指標

考慮到無機納米材料與有機瀝青之間的相容性不好，先選擇偶聯劑對納米Al2O3進行活化，從而使得納米Al2O3更好地融入瀝青中并充分分散，經過研究選擇使用鋁酸酯對納米Al2O3進行活化，改變了納米Al2O3的表面官能團，顯著提高了改性瀝青的穩定性。

1.1.3 丁苯橡膠

丁苯橡膠是由天津某公司提供，米白色粉狀外觀，技術指標見表3所示。

表3 丁苯橡膠技術指標

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 SBR改性瀝青制備方法

首先置基質瀝青于85 ℃的烘箱，待完全融化時稱取一定質量的基質瀝青放置于高速剪切機下的加熱爐上，在溫度140 ℃加熱20 min，加熱過程中不斷進行攪拌，攪拌過程中將4%摻量的SBR加入，待SBR與基質瀝青基本融合，打開高速剪切機并以轉速5 000 r/min進行剪切40 min，后將高速剪切機轉速降至2 000 r/min進行剪切20 min，完成后將SBR改性瀝青進行溶脹發育，即制成SBR改性瀝青。

1.2.2 納米Al2O3/SBR復合改性瀝青制備方法

首先置基質瀝青于85 ℃的烘箱，待完全融化時稱取一定質量的基質瀝青放置于高速剪切機下的加熱爐上，在溫度140 ℃加熱20 min，加熱過程中不斷進行攪拌，攪拌過程中加入5%摻量的納米Al2O3，待納米Al2O3與基質瀝青基本融合，打開高速剪切機并以轉速5 000 r/min進行剪切40 min，接著向瀝青中摻入4%摻量的SBR，保持轉速5 000 r/min繼續剪切40 min，后將高速剪切機轉速降至2 000 r/min進行剪切20 min，完成后將復合改性瀝青進行溶脹發育，即制成納米Al2O3/SBR復合改性瀝青。

2 試驗結果分析

2.1 常規性能試驗

按照試驗規程[10]進行常規性能的試驗，試驗結果如表4所示。

表4 基質瀝青和復合改性瀝青的基本性能指標

由表4看出，在向SBR改性瀝青中摻入納米Al2O3，復合改性瀝青的針入度較SBR單一改性瀝青與基質瀝青有著顯著的下降趨勢，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青、SBR改性瀝青、基質瀝青的針入度分別為51.9（0.1 mm）、57.0（0.1 mm）、63.1（0.1 mm），復合改性瀝青的針入度較SBR改性瀝青減小了8.95%，較基質瀝青降低了17.62%。針入度表示的是瀝青稠度，由此可知向基質瀝青中摻入SBR，改性瀝青的稠度增大，向SBR改性瀝青中摻入納米Al2O3，復合改性瀝青的稠度得到進一步增大。

隨著納米Al2O3的摻入，使得復合改性瀝青的軟化點增高，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青、SBR改性瀝青、基質瀝青的軟化點分別為57.2 ℃、48.6 ℃、46.2 ℃，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的軟化點較SBR單一改性瀝青提高了17.70%，較基質瀝青提高了23.81%，說明納米Al2O3對增高瀝青軟化點的作用顯著。軟化點表示的是瀝青高溫穩定性、耐高溫性能，由試驗結果可知，SBR的摻入可以改善瀝青的高溫穩定性但作用不是特別明顯，隨著納米Al2O3的摻入，改性瀝青的高溫性能得到顯著提高。復合改性瀝青的延度增高，但也滿足要求。

綜上所述，向基質瀝青摻入SBR，可以改善瀝青的高溫性能，隨后在SBR改性瀝青中摻入納米Al2O3，能夠顯著提高改性瀝青的高溫性能。

2.2 動態剪切流變試驗

試驗使用美國TA公司廠家，型號為DHR-1的動態剪切流變儀，主要對基質瀝青、SBR單一改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青三種瀝青進行高溫性能研究，按照試驗規程進行DSR試驗。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的試驗數據得出：

（1）基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的復數剪切模量G*隨著溫度的不斷升高而減小，三種瀝青的變化趨勢基本相同，在同樣的中高溫下，復合改性瀝青的復數剪切模量明顯大于SBR改性瀝青和基質瀝青，SBR改性瀝青的復數剪切模量大于基質瀝青，比如在58 ℃時，基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的復數剪切模量分別為3.82 kPa、5.04 kPa、6.03 kPa，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的復數剪切模量比SBR改性瀝青的大19.64%，比基質瀝青的大57.85%。這表明在同一中高溫度下，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的抗剪切能力最好，運用在瀝青路面中，能夠更好地抵抗住所受到的車輛反復荷載。

（2）基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的相位角δ隨著溫度的不斷升高而增加，在同樣的溫度下，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的相位角相比較最小，其次是SBR改性瀝青，基質瀝青的相位角最大，在70 ℃時，基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的相位角分別為88.77°、86.95°、83.37°，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的相位角比SBR改性瀝青的小1.82°，比基質瀝青的小5.4°。表明隨著納米Al2O3的摻入改變了瀝青的黏彈性，使瀝青中彈性物質與黏性物質的比例升高，在路面受到變形時，有著更好的恢復能力而不至于造成破壞。

（3）基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的上升而降低，在同樣的中高溫下，復合改性瀝青的車轍因子是最高的，基質瀝青的車轍因子是最小的，在70 ℃時，基質瀝青、SBR改性瀝青、納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的車轍因子分別為0.74 kPa、1.12 kPa、1.98 kPa，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的車轍因子較SBR改性瀝青增大了0.86 kPa，較基質瀝青增大了1.24 kPa。這表明隨著納米Al2O3摻入，能夠很好地抵抗車轍變形，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的抗車轍能力最強，納米Al2O3的加入使SBR改性瀝青高溫性能得到顯著提高。

3 結論

（1）納米Al2O3/SBR復合改性瀝青較基質瀝青和SBR改性瀝青，針入度呈現下降的趨勢，軟化點升高，延度升高。納米Al2O3/SBR復合改性瀝青針入度較SBR改性瀝青下降了8.95%，軟化點升高了17.70%。

（2）DSR試驗中，在同樣的溫度下，三種不同的瀝青相比較，納米Al2O3/SBR復合改性瀝青的復數剪切模量G*最大，相位角δ最小，這表明隨著納米Al2O3的摻入，使得瀝青中彈性物質與黏性物質的比例升高，有著更好的彈性恢復能力。

（3）在同樣的中高溫下，復合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ是最高的，這表明納米Al2O3的加入使SBR改性瀝青高溫性能得到顯著提高。