考慮微觀形貌的納米填料增強瀝青混合料性能研究

中圖分類號：TQ522.65 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0068-04

Study on the performance of nano-filler enhancing asphalt mixture considering microscopic morphology

YANG Hanming （Sujiaoke Group Co. ，Ltd.，Nanjing 210017，China）

Abstract：Domestic A7O# straight-run asphalt and industrial-grade multi-walled carbon nanotubes were selected as the main materials，and the nanofiller reinforced asphalt mixture specimens with mass fractions of 0.3%，0.5% ， 0.7% and 1.0% were prepared，respectively，and the mechanical properties and road properties of the material specimens were studied.The results showed that theaddition of nano-filler to asphalt mixture would play an obvious rolein bridging and strengthening in the microscopic morphology of the fault area.The average indirect tensile strength of specimen No.4 with a nanofiller mass fraction of 1.0% was 1.91 MPa，the indirect tensile strength ratio was O.83 before and after freezing and thawing，and the rutting depth reached -16.1 mm after 20 000 loads. The dynamic modulus value of the specimen was the lowest in the high-frequencyenvironmentand the highest in the low-frequency condition，which proves that itsperformanceisbeter than thatofother specimensinall aspects. When the mass fraction of nanomaterials was 0.7% ，the nanofiller reinforced asphalt mixture had the best tensile properties，viscoelastic properties，low-temperature crack resistance and water damage resistance.

Keywords：microscopic morphology;nano filers;asphalt mixture;preparation;mechanical properties;road performance

納米填料作為一種新型的增強材料，被廣泛應用于瀝青混合料的改性中，能夠有效改善瀝青的微觀結構[1]。同時，納米填料的高比表面積和表面能，使其與瀝青分子之間產(chǎn)生強烈的相互作用[2]，進而增強瀝青的粘附性和抗老化性能[3]。由于納米填料的特殊性質，其分散性、穩(wěn)定性以及與瀝青基體的相容性等問題成為了制約其應用的關鍵因素[4]。劉嘉偉等提出按照不同的配合比制備瀝青混合料，分別展開車轍變形測試、抗水損測試和疲勞性能測試，明確最佳配比下材料力學性能[5]。張志萍等按照瀝青混合料增強理論，向基礎瀝青材料中添加增強材料，制成性能研究所需的試件，針對材料試件的微觀結構進行觀察，并展開拉伸、動態(tài)模量、漢堡車轍等測試，多角度了解瀝青混合料應用性能。但對于混合料的長期性能變化規(guī)律、影響因素及改善措施等方面的研究不夠深人[6]。王民等提出在實驗室內(nèi)混合瀝青材料和輔助材料，得到性能研究所需的試件，針對試件展開馬歇爾測試、貫入度測試、疲勞性能測試以及車轍測試，得到瀝青混合料性能研究結果[7]。但實際工程環(huán)境中的溫度、濕度、荷載等復雜因素影響下，性能表現(xiàn)存在偏差。王嵐等分析了膠粉瀝青混合料的疲勞壽命，反映膠粉瀝青混合料疲勞損傷速率的變化趨勢，對4種膠粉改性瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，得到不同混合料的疲勞壽命。但是混合料微觀形貌存在差異，低溫抗裂性能和抗水損害性能較差[8]

本研究提出在考慮微觀形貌的情況下，從多角度研究納米填料增強瀝青混合料性能，為納米填料在瀝青混合料中的高效應用提供理論支持。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料

在納米填料增強瀝青混合料性能研究的材料準備階段，選擇國產(chǎn)A70#直餾瀝青作為主要原材料，針對其進行簡單的實驗測試，得到材料參數(shù)如表1所示。

由表1可知，國產(chǎn)A70#直餾瀝青的各項參數(shù)，均滿足公路瀝青路面施工技術要求。為了提升瀝青材料的耐久性和穩(wěn)定性，準備部分工業(yè)級多壁碳納米管作為填料，該納米填料產(chǎn)自博宇高新材料技術有限公司，其對應的參數(shù)如表2所示。

分析，本試驗將多壁碳納米管材料和A70#瀝青材料按照合理配比混合起來，即可得到性能研究所需的混合料試件。

1.2納米填料增強瀝青混合料制備工藝

在制備納米填料增強瀝青混合料之前，嚴格按照公路用瀝青材料使用方式，向瀝青材料中摻入50% 的再生骨料，最終得到瀝青混合料，該階段給出的瀝青混合料級配曲線見圖1。

如圖1所示，在級配上限和級配下限之間，提出最佳瀝青混合料設計級配。在此基礎上，按照表3所示的配比要求，向瀝青混合料內(nèi)添加不同比例的多壁碳納米管材料，制備出4類實驗試件。

按照上述配比制備納米填料增強瀝青混合料時，需要先對瀝青材料進行加熱，將其平分為3份后，分別向其中加入再生骨料和不同比例的納米填料，在170% 環(huán)境下利用機器進行旋轉攪拌，再注入不同尺寸的模具中，等待自然冷卻即可獲得納米填料增強瀝青混合料試件。最后，將所有脫模后的試件放入135^°C 的烤箱內(nèi)，進行約 ^2h 的老化處理[9]

2 性能測定方法

2.1 微觀形貌分析

在電子拉伸實驗裝置上，對 10mm×10mm× 3mm 的試件進行拉伸處理，直到試件出現(xiàn)斷裂，再對斷裂部分噴涂鍍金層[10]，應用電子掃描顯微鏡觀察其微觀形貌，以此來描述納米增強瀝青混合料的基礎性能。

2.2 間接拉伸測試

在間接拉伸測試過程中，以 50mm/min 的速度對材料試件施加壓力，當試件出現(xiàn)斷裂情況后停止操作。

以現(xiàn)場間接拉伸試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，求出不同配比納米填料增強瀝青混合料的間接抗拉強度。

2.3 動態(tài)模量測試

為了體現(xiàn)納米填料增強瀝青混合料的粘彈性能，選取制備為圓柱體的材料試件，將其安裝到測試裝置上，進行動態(tài)模量測試。

控制動態(tài)模態(tài)測試溫度為－5、5、21、35和54^°C ，在每種溫度條件下，按照 1×10^-6，1×10^-4 1×10^-2，1，1×10²，1×10⁴，1×10⁶ 的頻率對圓柱體試件進行加載，得到動態(tài)模量變化曲線，以此來表征材料粘彈性變化。

2.4水穩(wěn)定性測試

在納米填料增強瀝青混合料低溫抗裂性能研究階段，展開水穩(wěn)定性測試分析[11]。將不同配比的試件放到零下 18^qC 環(huán)境中 24h ，隨后取出置于25 C 環(huán)境中 24h ，完成凍融處理[12]。記錄凍融前后材料試件的間接拉伸強度。

2.5 漢堡車轍測試

為了評估納米填料增強瀝青混合料的抗水損害性能，將充分浸水后的試件放入漢堡車轍測試儀器中，通過施加車輪荷載模擬車輪碾壓情況[13]，測量混合料上方輪跡處的車轍深度變化，以此來評價材料高溫變形和抗水損害的能力[14]

3 實驗結果分析

3.1微觀結構與形貌分析結果

對不同納米填料含量的試件微觀結構進行深入分析，得到圖2所示的對比結果。

由圖3（a）可知，增強后的瀝青混合料中，納米材料會呈現(xiàn)為單絲的形式，同時對瀝青基體中的膠質成分進行吸附，單絲兩端的瀝青均為錐形結構，最終組成一層致密的結構，使得大量自由瀝青轉變?yōu)榻Y構瀝青，從根本上提升了瀝青混合料拉伸抗裂性。

由圖3（b）可知，混合料出現(xiàn)裂縫后納米材料會表現(xiàn)出加筋效果，增加了瀝青混合料之間的摩擦力，實現(xiàn)對材料之間相對滑移的抑制。

3.2 間接拉伸性能測試結果

經(jīng)過多次間接拉伸強度試驗，得到不同配比混合料試件的間接拉伸強度最大值、最小值和平均值，生成圖4所示的對比結果。

2 -最大值一最小值1234試件編號

由圖4可以看出，隨著瀝青混合料中納米填料含量的增多，試件間接拉伸強度不斷提高。當納米填料質量分數(shù)達到 0.7% 時，間接拉伸強度的最大值、最小值和平均值分別達到1.93、1.90和1.91MPa ，此時納米填料增強瀝青混合料具有最高的間接拉伸強度，可以更好地抑制材料開裂。而試件4中納米材料含量雖然更多，但其余瀝青基體之間的結合效果不佳，間接拉伸強度反而會降低。

3.3粘彈性能測試結果

由圖2可知，當納米填料質量分數(shù)為 0.7% 時，瀝青混合料中納米材料更好地被瀝青包裹，代表此時2種材料的結合更加緊密。相比其他3種配比試件，其更不容易發(fā)生粘聚失效效果。

動態(tài)模量測試完成后，設定參考溫度為 21°C ，獲取該條件下每個材料試件在不同加載頻率下動態(tài)模量取值變化，繪制得到圖5所示的動態(tài)模量變化曲線，以此來表征材料粘彈性能。

以編號3的材料試件為例，在發(fā)生斷裂情況后，其微觀結構掃描結果如圖3所示。

由圖5可以看出，試件3在高頻（低溫）環(huán)境下表現(xiàn)出的動態(tài)模量最低，代表納米填料增強瀝青混合料具有更優(yōu)的低溫開裂抵抗能力。而處于低頻（高溫）條件，該試件又展現(xiàn)出最高的動態(tài)模量，表明該材料具有最佳的高溫變形抵抗能力。綜合來看，向瀝青混合料中添加質量分數(shù) 0.7% 的納米材料，可以從根本上提升材料黏彈性能。

3.4低溫抗裂性能測試結果

從凍融處理前后的材料試件入手，觀察間接拉伸強度變化，得到圖6所示的拉伸強度比計算結果。

由圖6可以看出，4個試件凍融前后間接拉伸強度比分別為 0.52、0.7、0.83 和0.72。對比可以看出，3號納米填料增強瀝青混合料具有最高的間接拉伸強度比，主要是因為該試件內(nèi)添加的壁碳納米管材料量最合適，實現(xiàn)了混合料低溫抗裂性能的明顯提升。

3.5抗水損害性能測試結果

通過最后的漢堡車轍試驗，得到納米填料增強瀝青混合料在不同荷載作用次數(shù)下的車轍深度變化，如圖7所示。以此來體現(xiàn)材料的抗水損害性能變化，充分說明材料的路面應用性能。

由圖7可以看出，通過漢堡車轍試驗，3號試件完成20000次荷載作用測試，所形成的車轍深度為-16.1mm 。相比其他3個試件產(chǎn)生的車轍深度明顯更小，代表瀝青混合料摻入適量納米填料后，具有優(yōu)越的抵抗高溫車轍的能力。

4 銀 實驗結果討論

采用國產(chǎn)A70#直餾瀝青和多壁碳納米管材料，制備出納米填料質量分數(shù)分別為 0.3% 0.5%、0.7% 和 1.0% 的納米填料增強瀝青混合料試件，進行后續(xù)材料性能研究。

從材料微觀形貌來看，在瀝青混合料內(nèi)加入多壁碳納米管材料后，可以發(fā)揮出加筋橋聯(lián)的效果，實現(xiàn)對瀝青混合材料開裂情況的抑制。

根據(jù)間接拉伸強度測試、動態(tài)模量測試、水穩(wěn)定性測試、漢堡車轍測試結果可知，加人 0.7% 的納米填料后，瀝青混合料試件的間接拉伸強度最大值、最小值和平均值分別達到1.93、1.90和 1.91MPa ；間接拉伸強度比為 0.83、20 000 次荷載作用后的車轍深度為 -16.1mm ;該試件動態(tài)模量在高頻環(huán)境下最低，低頻環(huán)境下最高，代表這一混合料試件具有最佳的力學性能和路用性能。

5 結語

考慮微觀形貌的納米填料增強瀝青混合料性能研究是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。通過深入研究納米填料的性質、與瀝青基體的相互作用以及優(yōu)化設計等方面，為道路工程領域提供更為優(yōu)質的材料選擇和技術支持，推動道路工程領域的持續(xù)發(fā)展。

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