無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料路用-性能研究

作者簡介：黃先濱（1980—），高級工程師，主要從事施工技術管理工作。

為實現納米材料及膠粉對瀝青改性的改進及優勢集成，文章采用碳納米管、納米二氧化鈦及丁腈橡膠對瀝青進行復合改性研究。在通過試驗獲得各組分最佳摻量為碳納米管1%、納米二氧化鈦2%和丁腈橡膠2%的基礎上，進行混合料的配合比設計及車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，評價瀝青混合料的高溫性能和水穩定性。結果表明：無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%，并具有良好的水穩定性及高溫抗車轍性能。

道路工程；無機納米粒子樹脂；改性瀝青；橡膠改性瀝青；水穩定性；高溫抗車轍性能

U414.1A020053

0?引言

納米材料及橡膠材料均為良好的瀝青改性劑［1］，能對瀝青的高溫性能、低溫性能、老化性能及疲勞性能等起到良好的改性效果［2］，因而被廣泛地使用并獲得相關的研究。本文提出使用納米材料與橡膠材料對基質瀝青進行復合改性實現二者的優勢集成，從而制備出性能更加優異的改性瀝青，而國內相關的研究報道較少，對該改性瀝青的性能特點了解甚少，因此，針對無機納米粒子及樹脂橡膠復合改性瀝青開展研究顯得十分必要［3］。同時，結合料的性能最終會影響混合料的性能［4］，因此必須要對制備的混合料的性能進行評價，明確混合料的性能特點，從而使混合料得到更好的發展和應用［5］，使其更好地服務于交通基礎建設和交通強國建設的事業中。

1?原材料性能

1.1?瀝青

本文所用無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青經單組分摻配試驗制得，且其組分最佳摻量為1%碳納米管、2%納米二氧化鈦和2%丁腈橡膠，無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青在下文簡稱為1T/2N/2D，所用基質瀝青及復合改性瀝青性能指標分別見表1、表2。

由表1、表2可知，無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青具有良好的性能，表現出良好的改性效果，使改性瀝青具有更優的高溫性能及低溫性能，從而提高瀝青路面的使用品質。

1.2?集料與填料

本文所用的集料為輝綠巖，填料為石灰石礦粉。嚴格按照《公路工程集料試驗》（JTG E42-2005）對粗、細集料和礦粉進行測試。測試結果見表3及下頁表4～5，所有輝綠巖粗集料、輝綠巖石屑細集料和石灰石礦粉的各項技術指標均滿足規范要求。

2?瀝青混合料組成設計

2.1?級配設計

本文采用連續級配AC-13型，級配設計選擇AC-13級配范圍的中值（見表6）。

2.2?最佳油石比的確定

采用馬歇爾試驗配合比設計法。按照規范JTG F40-2004的要求，選取4.3%、4.6%、4.9%、5.2%以及5.5%共5個油石比，每組油石比制備5個馬歇爾試件。制備完畢后測試各個瀝青混合料試件的空隙率、毛體積相對密度、飽和度、礦料間隙率、穩定度和流值，最后通過式（1）～（3）獲得最佳油石比：

式中：a1、a2、a3、a4[WB]——[ZK（]毛體積相對密度、穩定度最大值時瀝青使用量、空隙率、飽和度范圍的中值時瀝青使用量；

OACmin、OACmax[DW]——[ZK（]瀝青共同用量范圍的最小值和最大值。

計算得到的1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%。

3?混合料路用性能

3.1?水穩定性

水損害是瀝青路面服役過程中的主要破壞形式之一。在大氣因素和車輪荷載的作用下，水分進入瀝青路面的空隙中，經過動水壓力及真空負壓反復抽吸作用侵入瀝青膜，降低瀝青與集料之間的粘附性。這導致粘附在集料上的瀝青剝落，混合料整體強度降低，造成瀝青路面的承載能力下降，進而容易產生松散、坑槽以及唧漿等路面病害，嚴重影響瀝青路面的使用耐久性和行車安全性［6］。水穩定性是指瀝青混合料抵抗水損害的能力。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程完整版》（JTG E20-2011）（以下簡稱《試驗規程》，本文通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評估1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的水穩定性。

3.1.1?浸水馬歇爾試驗

浸水殘留穩定度為馬歇爾試件在長時間浸水后的殘留強度，是瀝青混合料水穩定性的評價指標，其值越大，則水穩定性越好。制備8個1T/2N/2D復合改性瀝青混合料馬歇爾試件和8個基質瀝青混合料馬歇爾（高度均為63.5 mm±1.3 mm，直徑均為101.6 mm），將其隨機分成兩組，每組4個。將成型的試件放置在60 ℃的恒溫水槽中保溫。第一組浸泡30 min，第二組浸泡48 h，測試其穩定度值并取平均值。每次測試均在取出試件后30 s內完成，以降低誤差。通過式（4）計算出各瀝青混合料的浸水殘留穩定度。

基質瀝青和1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度見圖1。

從圖1中可以看出，1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的MS0大于基質瀝青混合料的85.43%，并滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）（以下簡稱《規范》）中潮濕區（年降雨量＞1 000 mm）的要求。1T/2N/2D復合改性瀝青混合料經過48 h浸泡后的MS0為94.67%，比基質瀝青混合料高9.24%，說明在基質瀝青中添加1T/2N/2D后，提高了瀝青混合料抵抗水損害的能力。這是因為1T/2N/2D的摻入提高了瀝青的黏度，增強了瀝青與石料之間的粘結能力，使瀝青能更大程度地吸附在集料上，水分即便經過長時間侵蝕也難以穿過瀝青薄膜將瀝青與集料剝離，具有更大的殘留穩定度。所以，1T/2N/2D復合改性瀝青的水穩定性相對于基質瀝青有所提高。

3.1.2?凍融劈裂試驗

當凍融劈裂強度能模擬溫度變化波動大時，真空飽水對瀝青混合料的損害狀況能更準確地評估瀝青混合料的水穩定性。按《試驗規程》的要求，每種瀝青制備2組馬歇爾試件，每組4個，一組置于室溫作為對照組，另一組進行凍融循環處理，之后將兩組試件放入25 ℃的恒溫水槽保溫2 h，最后以50 mm/min的加載速率進行試驗，測試試件的極限荷載并通過式（5）求出凍融劈裂抗拉強度比（TSR）。

如圖2所示顯示了基質瀝青與1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比。由圖2可以得出以下結論：改性瀝青混合料的TSR大于基質瀝青混合料的75.24%，并滿足《規范》的要求。當在瀝青中添加1T/2N/2D，瀝青混合料的TSR增加到了84.61%，提高了9.37%。說明1T/2N/2D復合改性瀝青經過凍融循環后，劈裂強度變化較小，抗水損害的能力比基質瀝青混合料強很多。

3.2?高溫穩定性

高溫穩定性是指瀝青路面在高溫條件下受到外界荷載作用時抵抗變形的能力。瀝青混合料在服役過程中受到溫度的影響極大，溫度越高，則瀝青路面在交通荷載作用下越容易產生車轍等病害，嚴重影響行車安全。因此，有必要測試瀝青混合料在高溫條件下抵抗變形的能力。

本文用車轍試驗研究基質瀝青、1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的高溫穩定性。車轍板在試驗前應在60 ℃下保溫5 h，荷載輪壓為0.7 MPa，采用動穩定度（DS）來評估高溫條件下瀝青混合料抗變形能力。

具體試驗結果如圖3所示。由圖3可知，基質瀝青混合料的DS為1 463次/mm，1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的DS為2 839次/mm，是基質瀝青混合料的1.94倍，均滿足《規程》（JTG F40-2004）中最炎熱地區的要求，說明1T/2N/2D能明顯改善瀝青混合料的高溫性能，這是因為1T/2N/2D本身就具有優異的高溫性能。其次，碳納米管均勻分散在瀝青表面附近的灰分增大了瀝青與石料之間的摩擦力，受到外界荷載作用時不容易發生永久變形。因此，1T/2N/2D復合改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力較好。

4?結語

本文通過配合比設計、水穩定性分析和高溫穩定性分析，對無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料的路用性能展開研究，主要結論如下：

（1）無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%。

（2）無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料經過凍融循環及高溫浸水后，強度變化較小，具有優異的水穩定性。

（3）無機納米粒子樹脂橡膠復合改性瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍能力。

參考文獻

［1］Xiaoxiao Yu，Danning Li，Zhen Leng，et al.Weathering characteristics of asphalt modified by hybrid of micro-nano tire rubber and SBS［J］.Construction and Building Materials，2023（389）：131785.

［2］崔亞楠，邢永明，王?嵐，等.復合膠粉改性瀝青的微觀結構與流變特性［J］.高分子材料科學與工程，2012，28（2）：41-44.

［3］欒利強，文雙壽，余和德，等.碳納米管改性瀝青混合料低溫裂縫擴展分析［J］.材料導報，2023，37（20）：96-102.

［4］王?佳，蔡?斌，馬華寶.納米材料改性瀝青的制備及分散穩定機理［J］.石油學報（石油加工），2020，36（4）：848-856.

［5］董澤蛟，周?濤，欒?海，等.SBS/橡膠粉復合改性SH型混合生物瀝青工藝及機理［J］.中國公路報，2019，32（4）：215-225.

［6］王?濤.易密實高彈超薄罩面混合料設計及路用性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2023.