納米改性基質(zhì)瀝青的耐低溫與抗裂性能研究

摘要：為提高瀝青低溫抗裂性能，采用辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷以及ADP-S473共3種硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2表面進(jìn)行修飾，修飾后納米顆粒被用于改性基質(zhì)瀝青。經(jīng)瀝青基礎(chǔ)性質(zhì)與抗低溫性能評(píng)價(jià)，分析了各種納米材料對(duì)基質(zhì)瀝青的改善效果，同時(shí)對(duì)其改善混合料低溫抗裂性與穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)測(cè)試。結(jié)果表明，采用ADP-S473（胺類硅烷偶聯(lián)劑）以及辛基三甲氧基硅烷修飾后的納米SiO2（SI-1與SI-3）對(duì)基質(zhì)瀝青的抗低溫性能改善效果較佳，其SiO2最優(yōu)加量均為2.5%；2種納米瀝青改善后的混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度均達(dá)10 MPa以上，梁底最大彎拉應(yīng)變均達(dá)2 600μ?以上，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)1 MPa以上，其中ADP-S473修飾后的納米SiO2效果較佳。

關(guān)鍵詞：表面修飾；納米改性瀝青；混合料；低溫抗裂性

中圖分類號(hào)：TQ522.65文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0086-05

Research on the low temperature resistance and crack resistance properties of nano modified matrix asphalt

LI Zhao1，TANG Wenyang2，CAO Yong2

（1.Hunan Expressway Group Co.，Ltd.，Changsha 410005，China；

2.Yueyang Road and Bridge Group Co.，Ltd.，Yueyang 414000，Hunan China）

Abstract：In order to improve the crack resistance of asphalt at low temperature，three silane coupling agents，namely octyltrimethoxysilane，phenyltrimethoxysilane，and ADP-S473，were used to modify the surface of nano SiO2.The modified nanoparticles were used to modify the matrix asphalt.Through the evaluation of the basic proper?ties and low-temperature resistance of asphalt，the improvement effect of various nano materials on the matrix as?phalt was analyzed，and the improvement of low temperature crack resistance and stability of the mixture was evalu?ated and tested.The results showed that the nano-SiO2（SI-1 and SI-3）modified with ADP-S473（amine silane coupling agent）and octyltrimethoxysilane had a better effect on the low temperature resistance of matrix asphalt，and the optimal SiO2 dosage was 2.5%.The low-temperature flexural tensile strength of the mixture improved by two types of nano asphalt was both above 10 MPa，and the maximum flexural tensile strain at the bottom of the beam was more than 2 600μ?，the freeze-thaw splitting tensile strength reached over 1 MPa，among which the nano SiO2 modi?fiedwith ADP-S473 had the best effect.

Key words：surface modification；nano modified asphalt；mixtures；low temperature crack resistance

瀝青混合料路面在我國(guó)應(yīng)用范圍廣泛，其優(yōu)勢(shì)在于平整舒適、降噪減震、施工便利、維護(hù)便捷、防水防滑、環(huán)保特性以及路面美觀。然而，瀝青材料具有較強(qiáng)的溫度敏感性[1-2]，高溫易軟化變形、骨料粘附力減弱造成結(jié)構(gòu)損害；低溫條件下，瀝青路面易產(chǎn)生縮裂、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問(wèn)題[3-4]。低溫抗裂性不足是源于基質(zhì)瀝青在低溫環(huán)境下脆性增加、粘連性下降，導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)微裂紋并隨著循環(huán)載荷的作用及溫度變化下細(xì)微裂紋擴(kuò)張?jiān)斐纱罅芽p[5-9]。為此，常采用納米材料改性的方式提高瀝青混合料的抗裂性能。研究將常規(guī)納米SiO2顆粒采用多種硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面修飾，將表面修飾后的納米SiO2材料按一定比例摻入基質(zhì)瀝青，在一定條件下制備出納米改性瀝青，使瀝青的基礎(chǔ)性質(zhì)以及低溫流變性均得到良好的改善。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

納米SiO2、納米粘土采購(gòu)于蘇州凱發(fā)新材料科技有限公司；辛基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、ADP-S473胺類硅烷偶聯(lián)劑，（工業(yè)級(jí)，南京能德新材料技術(shù)有限公司）；四氫呋喃、煤油（分析純，上海阿拉丁生物試劑有限公司）；AH-70瀝青（工業(yè)級(jí)，茂名市富偉化工有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

MYP11-2型恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）；ZD-15型高速分散機(jī)（眾時(shí)機(jī)械有限公司）；101-A3型電熱鼓風(fēng)干燥箱（無(wú)錫瑪瑞特科技有限公司）；ZS920型動(dòng)態(tài)光散射納米粒度儀及zeta電位分析儀（上海梓夢(mèng)科技有限公司）；BSD-660S型比表面儀器（貝士德儀器）；LYY-8型瀝青低溫延伸儀（河北中科北工試驗(yàn)儀器有限公司）；JTGE20型彎曲梁變儀器（天津市港源試驗(yàn)儀器廠）；WDW-20GD型瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南華衡試驗(yàn)設(shè)備有限公司）；TD729-2型瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)儀檢測(cè)設(shè)備（滄州華網(wǎng)建筑器材有限公司）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1納米SiO2表面修飾

將10 g納米SiO2分散于80 mL的四氫呋喃溶劑中，將5 g硅烷偶聯(lián)劑溶于20 mL四氫呋喃溶劑中，采用微注射泵以0.5 mL/min的速度，緩慢滴入納米SiO2分散體系中，在60℃、800 r/min磁子攪拌條件下，反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，采用高速離心機(jī)使納米SiO2顆粒沉淀，并采用旋轉(zhuǎn)蒸器分離殘余四氫呋喃溶劑，最終得到表面修飾后的納米SiO2。

1.3.2納米SiO2表面修飾效果表征

將表面修飾后的納米SiO2分散于四氫呋喃溶劑中，采用ZS920型動(dòng)態(tài)光散射納米粒度儀觀察其粒徑分布。采用比表面儀器測(cè)試納米SiO2比表面積，同時(shí)測(cè)試納米SiO2分散液的pH值。

1.3.3瀝青改性方法

為確保納米顆粒在基質(zhì)瀝青中充分分散，先將納米顆粒分散于煤油中；隨后倒入160℃的基質(zhì)瀝青中，采用高速分散機(jī)以5 000 r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)剪切40 min，即獲得納米改性瀝青。

1.3.4改性瀝青性能評(píng)價(jià)

依據(jù)JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求，對(duì)改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)以及15℃延度常規(guī)性能測(cè)試；對(duì)比分析納米粘土改性瀝青、原始納米SiO2改性瀝青以及經(jīng)表面修飾的納米SiO2改性瀝青低溫抗裂的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，篩選出適用于瀝青改性的最優(yōu)納米顆粒。

1.3.5改性瀝青低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

JTGE20型彎曲梁變儀器測(cè)試各納米改性瀝青的勁度模量和蠕變速率，用于分析改性瀝青低溫性能。

1.3.6改性瀝青混合料的配制

按照J(rèn)TGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求，選用的集料技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

其實(shí)測(cè)級(jí)配情況如表2所示，集料的技術(shù)指標(biāo)與級(jí)配均滿足規(guī)范要求，混合料的配制方法同樣參考JTGE 20—2011規(guī)范要求。

1.3.7低溫抗裂性能評(píng)價(jià)

采用WDW-20GD型瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展低溫小梁彎曲試驗(yàn)，設(shè)置環(huán)境溫度為（-10±0.5）℃，測(cè)試改性瀝青混合料試件的抗彎拉強(qiáng)度與梁底最大彎拉應(yīng)變，以評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性。

1.3.8凍融劈裂試驗(yàn)

采用TD729-2型瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)儀檢測(cè)設(shè)備開(kāi)展凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)低溫環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)性。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1納米SiO2表面修飾前后性質(zhì)變化

2.1.1粒徑分布

為表征納米SiO2顆粒的表面修飾情況，采用動(dòng)態(tài)光散射分析納米SiO2顆粒表面修飾前后的粒徑分布曲線，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，采用3種硅烷偶聯(lián)劑修飾后的納米SiO2顆粒，粒徑均有一定幅度增加，平均粒徑分別是35.2、37.9和41.7 nm。因此，通過(guò)粒徑尺寸的變化可以判斷3種硅烷偶聯(lián)劑均成功對(duì)納米SiO2顆粒表面進(jìn)行了修飾。

2.1.2各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)

表面修飾后的納米SiO2顆粒的比表面積以及其分散液pH值測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，表面修飾后的納米SiO2與未處理的SiO2相比較，均未發(fā)生明顯的變化。這說(shuō)明，其對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果僅受納米SiO2表面修飾基團(tuán)的結(jié)構(gòu)影響。同時(shí)，為便于后文表述，將未處理的納米SiO2、辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷和ADP-S473修飾的納米SiO2分別設(shè)置編號(hào)為SI-0、SI-1、SI-2以及SI-3納米顆粒。

2.2改性瀝青基礎(chǔ)性能評(píng)價(jià)

2.2.1針入度

針入度是表示瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞能力的一個(gè)重要指標(biāo)。各類納米顆粒摻入量對(duì)改性瀝青針入度的影響規(guī)律如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，隨著納米顆粒摻入量的增加，針入度均有所下降，SI-0改性的瀝青針入度下降幅度最小，其次是納米粘土改性瀝青，這是因?yàn)槠浔砻婀倌軋F(tuán)與瀝青分子間作用力相對(duì)較弱；SI-1、SI-2以及SI-3對(duì)瀝青的改性效果更加明顯，當(dāng)摻入量達(dá)到2.5%時(shí)，針入度下降幅度趨于穩(wěn)定，保持在6.4 mm以下。由此可見(jiàn)，3種硅烷偶聯(lián)劑修飾后的納米SiO2均具有良好的改性效果，其中ADP-S473修后的SI-3效果最佳，5種納米顆粒對(duì)針入度影響程度按大小排序依次為SI-3、SI-2、SI-1、SI-0、納米粘土。

2.2.2軟化點(diǎn)

各類納米顆粒摻入量對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的影響規(guī)律如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，SI-1、SI-2和SI-3的摻入量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響顯著，這是由于其烴類、苯基以及烷基胺類表面修飾結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了納米SiO2與瀝青分子間吸附力，從而提高了瀝青軟化點(diǎn)。其中，SI-2對(duì)軟化點(diǎn)的改性效果最佳，SI-3次之，其摻入量達(dá)2.0%后軟化點(diǎn)趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，5種納米顆粒對(duì)軟化點(diǎn)影響程度按大小排序依次為SI-2、SI-3、SI-1、納米粘土、SI-0。

2.2.3延度

延度測(cè)試在15℃下進(jìn)行，各類納米摻入量對(duì)改性瀝青延度的影響規(guī)律如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，各類納米顆粒的加入均可以改善瀝青延度，且呈現(xiàn)先升高后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，SI-3改善瀝青延度的效果最為顯著，摻入量達(dá)2.5%時(shí)延度趨于穩(wěn)定，延度值達(dá)到115 cm，其對(duì)延度改善效果遠(yuǎn)優(yōu)于其他納米顆粒，這是由于SI-3表面多胺結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青分子較為強(qiáng)大的束縛力。

2.3改性瀝青低溫彎曲梁變?cè)囼?yàn)

-12℃下的彎曲梁變?cè)囼?yàn)分別考察了不同納米顆粒摻入量對(duì)瀝青勁度模量、蠕變速率的影響規(guī)律。依據(jù)行業(yè)要求，勁度模量必須小于300 MPa，蠕變速率必須大于30%。

各納米摻入量對(duì)改性瀝青勁度模量的影響規(guī)律如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，改性瀝青勁度模量均隨SI-1與SI-3摻入量增加大幅度下降，加入量達(dá)1.0%時(shí)勁度模量低于300 MPa，加入量達(dá)3.0%時(shí)，勁度模量趨于平衡，分別達(dá)199 MPa與188 MPa；而勁度模量卻隨SI-0與SI-2摻入量先下降后上升，這是由于隨著SI-0與SI-2加入量增加，在低溫下瀝青呈現(xiàn)出較大脆性，同時(shí)SI-0無(wú)法使瀝青的勁度模量低于300 MPa。因此，為使瀝青具有良好的抗低溫效果（勁度模量＜300 MPa），SI-2的最佳加量應(yīng)為2.0%，SI-1、SI-2和納米粘土均為2.5%。

各納米摻入量對(duì)改性瀝青蠕變速率的影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，其規(guī)律與圖5基本一致。為確保改性瀝青最佳的耐低溫性能（蠕變速率＞30%），SI-2的最佳加量應(yīng)為2.0%，SI-1、SI-2和納米粘土均為2.5%，SI-0改性瀝青材料的蠕變速率始終低于30%，其不適用于抗低溫瀝青混合料公路的鋪設(shè)。

2.4改性瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述改性瀝青性能的評(píng)價(jià)，篩選出4種納米改性瀝青，對(duì)4種納米改性瀝青進(jìn)行黏度試驗(yàn)，確定拌合、壓實(shí)溫度，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，結(jié)果見(jiàn)表4。

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)研究納米改性瀝青混合料的抗低溫性能，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，4種納米改性瀝青混合料抗低溫性能均有所提升，其中SI-3納米改性瀝青效果最佳，可使抗彎拉強(qiáng)度提高31.1%，最大彎拉應(yīng)變提高16.31%；SI-1納米改性瀝青效果次之，使抗彎拉強(qiáng)度提高27.4%，最大彎拉應(yīng)變提高10.97%；隨后是納米粘土與SI-3改性瀝青，其分別使抗彎拉強(qiáng)度提高13.2%與5.84%，提升幅度相對(duì)較低。因此，SI-3與SI-1納米改性瀝青適用于路用抗低溫瀝青混合料的配制。

2.5改性瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

納米改性瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6所示。

由表6可知，4種納米改性瀝青均改善了瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)，SI-3納米改性瀝青對(duì)混合料改善效果最佳，SI-1納米改性瀝青次之，SI-2納米改性瀝青最弱。SI-3與SI-1納米在低溫下使瀝青與集料依然保持粘附性，能夠有效抵抗水分對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖刷破壞，提高瀝青混合料低溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3結(jié)語(yǔ)

（1）采用辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷以及ADP-S473共3種硅烷偶聯(lián)劑可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米SiO2的表面修飾，修飾后的納米SiO2平均粒徑有所增加，但比表面積、分散液pH值無(wú)明顯變化；

（2）辛基三甲氧基硅烷與ADP-S473偶聯(lián)劑修飾后的納米SiO2，SI-1與SI-3對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果較佳，在2.5%摻入量下可使-12℃條件下改性瀝青的勁度模量下降至200 MPa以下，蠕變速率高于30%，其中SI-3改性效果最佳；

（3）SI-1與SI-3改性瀝青對(duì)混合料的改善效果優(yōu)于其他納米顆粒，其使低溫抗彎拉強(qiáng)度均達(dá)10 MPa以上，梁底最大彎拉應(yīng)變均達(dá)2 600μ?以上，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)1 MPa以上，其中SI-3效果最佳，說(shuō)明ADP-S473偶聯(lián)劑具有最佳修飾效果。

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（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）