納米TiO2和SBR改性瀝青混合料路用性能研究

陳宇坤 陸繼廣 王啟力 牛鑫磊 張 帥 陳志文

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

受氣候條件、原材料質(zhì)量、現(xiàn)場施工不利條件等因素影響，我國道路瀝青路面壽命極短，達(dá)不到國家規(guī)定的要求。提高道路瀝青質(zhì)量的主要途徑是對(duì)道路石油基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，通過添加各類改性劑增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能。程永春等[1]將不同劑量的納米TiO2和納米CaCO3以及玄武巖纖維加入到90#基質(zhì)瀝青當(dāng)中，用高速剪切設(shè)備進(jìn)行16組改性，并測(cè)其三大指標(biāo)和表觀黏度，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變性能和低溫彎曲梁蠕變性能分析，得出三者復(fù)合改性有助于提高瀝青的低溫應(yīng)力松弛能力，增強(qiáng)低溫抗裂性能，對(duì)瀝青高低溫性能的影響有疊加效應(yīng)。葉超等[2]將0.5%、1%、3%、5%劑量的納米TiO2加入到瀝青中，運(yùn)用高速剪切機(jī)使它與瀝青充分溶脹，測(cè)其高溫性能和老化性能，隨著納米TiO2用量的增加，車轍因子逐漸減小，改善了瀝青的高溫性能，有較高的路用研究價(jià)值。國內(nèi)外大量試驗(yàn)研究可知，丁苯橡膠粉末可以提高瀝青及瀝青混合料的大部分性能，尤其是瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能。姜兆平[3]利用廢舊的塑料和橡膠制成SBR和PR改性劑，用高速剪切機(jī)對(duì)90#瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，測(cè)其三大指標(biāo)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)單獨(dú)摻入SBR時(shí)，隨著SBR的加入，瀝青的軟化點(diǎn)和延度逐漸升高，而針入度逐漸降低；當(dāng)單獨(dú)摻入PR時(shí)，軟化點(diǎn)明顯提高，針入度和延度略有下降；當(dāng)兩者復(fù)合改性時(shí)，軟化點(diǎn)和延度大幅提升，而針入度降低，能顯著提高原瀝青的高溫性能和低溫性能。孫培等[4]通過對(duì)比分析基質(zhì)瀝青、CaCO3改性瀝青、SBR改性瀝青和兩者復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能，得出復(fù)合改性的高溫性能的動(dòng)穩(wěn)定度提高38.2%且效果最好。Mohammad等[5]使用不同的加載頻率測(cè)SBR改性瀝青的高溫性能，當(dāng)加載頻率為5 Hz時(shí)，能較好地反映混合料的高溫性能。丁蘭[6]通過探索不同礦料級(jí)配的SBR改性瀝青的高、低溫性能，水穩(wěn)定性能，耐老化性能等，分析出在西藏地區(qū)SBR改性劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。最后得出，礦料級(jí)配AC-16型瀝青混合料的熱老化性能、水穩(wěn)定性能比AC-20型瀝青混合料好，而AC-20型的高溫車轍動(dòng)穩(wěn)定度要優(yōu)于其他礦料級(jí)配，SBR改性瀝青的各種性能均優(yōu)于110#瀝青混合料。綜上所述，SBR能有效提高瀝青的低溫抗裂性，納米TiO2提高了瀝青的高溫性能。因此，本文以納米TiO2和SBR復(fù)合改性瀝青為研究對(duì)象，探究復(fù)合改性瀝青的路用性能，并揭示在不同環(huán)境條件下改性瀝青常規(guī)性能的演變規(guī)律，為今后復(fù)合改性瀝青的推廣提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及混合料級(jí)配

1.1 試驗(yàn)材料

TiO2：由南京埃普瑞納米材料有限公司提供，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 納米TiO2產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

SBR粉末：佛山鑫路材料有限公司生產(chǎn)，性能參數(shù)見表2。

表2 SBR性能參數(shù)

基質(zhì)瀝青：依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)韓國SK-70基質(zhì)瀝青的基本性能進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)，技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

集料規(guī)格：粗集料采用新鄉(xiāng)產(chǎn)的天然碎石；細(xì)集料采用機(jī)制砂；填料采用礦粉。各集料技術(shù)性能如表4所示。

表4 集料基本性能測(cè)試

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

目前共有3種改性瀝青方法：高速剪切法、機(jī)械攪拌法和溶劑法。納米粒子比表面積大，表面能高，加入到黏度大的瀝青中易團(tuán)聚，而高速剪切法能在改性過程中加熱瀝青，降低黏度，利于納米粒子分散[7]。所以此試驗(yàn)采用高速剪切法（高速剪切混合乳化機(jī)）制備改性瀝青，每組取基質(zhì)瀝青800 g，用精度0.001 g的電子秤稱取相應(yīng)比例改性劑，用高速剪切混合乳化機(jī)進(jìn)行改性。將基質(zhì)瀝青熔融，加入一定劑量的改性劑，先手動(dòng)攪拌到改性劑完全融入瀝青中，然后開動(dòng)高速剪切混合乳化機(jī)，插入傳感器，在130 ℃下以3 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌20 min，再升溫到160 ℃，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速到6 000 r/min，高速剪切30 min，最后在120 ℃下充分溶脹，發(fā)育1 h。因?yàn)樵谟托晕镔|(zhì)中納米TiO2粉末摻量不宜大于2%[8]，所以選用0.5%、1%、1.5%三種比例的納米TiO2量和1%、2%、4%比例的SBR，進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1.2.1 復(fù)合改性瀝青最佳摻量確定

為確定納米TiO2和SBR的最佳用量，根據(jù)規(guī)范對(duì)改性好的9組瀝青進(jìn)行針入度、延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)，只不過改性瀝青的延度測(cè)其5 ℃延度，以便更好地評(píng)價(jià)復(fù)合改性劑對(duì)其低溫性能影響。結(jié)合基質(zhì)瀝青結(jié)果，綜合分析后確定最佳的一組，9組改性瀝青的三大指標(biāo)平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)

在河南地區(qū)，夏季高溫炎熱，冬季干燥嚴(yán)寒，軟化點(diǎn)高，可防止路面發(fā)軟和泛油；延度高，表明瀝青塑性越好，瀝青低溫抗裂和低溫拉伸效果也越好；針入度越小，表明瀝青越硬。結(jié)合經(jīng)濟(jì)狀況和試驗(yàn)研究，綜合三大指標(biāo)數(shù)據(jù)，選擇摻量1%TiO2＋4%SBR為最佳改性瀝青摻量。

1.2.2 納米TiO2和SBR復(fù)合對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響

基質(zhì)瀝青和改性瀝青三大指標(biāo)對(duì)比如圖1所示。從圖1（a）、圖1（b）基質(zhì)瀝青的性能檢測(cè)結(jié)果可知，針入度為7.46 mm，軟化點(diǎn)為46.2 ℃，15 ℃延度為131.3 cm，5 ℃延度為66.3 cm；最佳摻量的改性瀝青的針入度為5.21 mm，軟化點(diǎn)為59.4 ℃，5 ℃延度為84.0 cm，它們的三大指標(biāo)均符合規(guī)范要求。改性后針入度降低了2.25 mm，軟化點(diǎn)提升了13.2 ℃，延度提高了17.7 cm。根據(jù)9組改性瀝青的三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，隨著SBR量的加入，針入度降低，軟化點(diǎn)和延度升高；隨著納米TiO2含量的增多，針入度逐漸下降，軟化點(diǎn)和延度先升高再下降，呈現(xiàn)復(fù)雜變化。

圖1 基質(zhì)瀝青和改性瀝青三大指標(biāo)

1.3 混合料級(jí)配的確定

對(duì)礦料的性能進(jìn)行分析可以保證瀝青混合料的質(zhì)量，性能良好的礦料更能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能和水穩(wěn)定性，從以上粗集料、細(xì)集料及礦料的性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，集料的各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，可以用于試驗(yàn)研究。AC-13礦料級(jí)配各粒徑集料摻量對(duì)應(yīng)篩孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分計(jì)篩余百分?jǐn)?shù)分別為5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%，礦粉（5%），最終合成級(jí)配如表6所示。

表6 AC-13瀝青混合料礦料級(jí)配

由表6可知：合成級(jí)配接近中值，滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

1.4 最佳油石比的確定

1.4.1 基質(zhì)瀝青油石比的確定

根據(jù)已有相關(guān)研究[7]，取AC-13瀝青混合料最佳油石比為4.8%，用3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%等5組油石比進(jìn)行試驗(yàn)。礦料的合成毛體積相對(duì)密度、5組不同油石比試件的空隙率VV、間隙率VMA、瀝青飽和度VFA按JTG E20—2011[9]中相關(guān)公式計(jì)算，基質(zhì)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表7。

表7 馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)

根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，由表7中油石比與馬歇爾試件各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系確定基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比。結(jié)合實(shí)際情況和相關(guān)研究，最終確定最佳油石比為4.9%。

1.4.2 改性瀝青最佳油石比確定

根據(jù)基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比研究，預(yù)估改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%，用4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%等5組油石比進(jìn)行試驗(yàn)，最后根據(jù)各項(xiàng)性能確定最佳油石比。計(jì)算礦料的合成毛體積相對(duì)密度、5組不同油石比試件的空隙率VV、間隙率VMA、瀝青飽和度VFA，AC-13級(jí)配改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)

由表8中油石比與馬歇爾試件各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系確定基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比。結(jié)合實(shí)際情況和相關(guān)研究，最終確定改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%。

2 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

2.1 高溫性能評(píng)價(jià)

根據(jù)規(guī)范，采用輪碾成形機(jī)成形馬歇爾車轍試件。

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能是指混合料在夏季高溫條件下（60 ℃），經(jīng)車輛車輪荷載重復(fù)作用下不產(chǎn)生車轍位移和變形的能力。經(jīng)驗(yàn)表明，瀝青路面永久性變形主要發(fā)生在高溫炎熱的夏季，在汽車荷載作用（尤其是重型車輛）下發(fā)生變形，且隨溫度升高和荷載加大而增大，使得路面不平整，危及行車安全，縮短瀝青路面使用時(shí)間。

混合料質(zhì)量及礦料質(zhì)量由試件的體積按馬歇爾密度乘以1.03的系數(shù)得到。先以4.8%油石比毛體積密度代替4.9%油石比毛體積密度，大體估計(jì)所需礦料及瀝青量，采用的輪碾試模規(guī)格為300 mm×300 mm×50 mm，即M＝10.72 kg。取11 kg的礦量進(jìn)行試驗(yàn)，按礦料級(jí)配準(zhǔn)確稱取3組相應(yīng)集料和礦粉放進(jìn)160 ℃烘箱中加熱，重復(fù)上述拌和步驟，在輪碾試模中鋪上一層報(bào)紙，迅速將料由邊到中裝入試模內(nèi)，中間凸起，放在輪碾機(jī)上，在試模上再鋪一層報(bào)紙，開動(dòng)輪碾機(jī)，加熱到100 ℃，加壓至9 kN對(duì)中，先一個(gè)方向碾壓12次往返，再調(diào)轉(zhuǎn)方向進(jìn)行12次往返。依此條件成形3個(gè)試件。壓實(shí)成形后，記錄下試件的碾壓方向，放在室溫下冷卻12 h進(jìn)行車轍試驗(yàn)。預(yù)估改性瀝青的車轍試件成形需要的質(zhì)量M＝10.484 kg，取11 kg的礦料進(jìn)行試驗(yàn)，也按前步驟成形3個(gè)試件，在室溫下冷卻48 h。

將車轍試驗(yàn)機(jī)連接計(jì)算機(jī)打開，設(shè)定好試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪碾1 h，將成形好的試塊放進(jìn)試驗(yàn)儀內(nèi)，在60 ℃條件下放置6 h，輪碾方向和成形方向一致。放下膠輪，如圖2所示。啟動(dòng)試驗(yàn)，輪碾1 h。記錄下45 min形變、60 min形變以及動(dòng)穩(wěn)定度，按同樣步驟輪碾改性瀝青試件，車轍后形變?cè)嚰鐖D3所示。改性瀝青45 min形變、60 min形變以及動(dòng)穩(wěn)定度見表9。

表9 車轍試驗(yàn)性能指標(biāo)

圖2 車轍輪碾

圖3 車轍后形變?cè)嚰?/p>

瀝青混合料45 min和60 min位移以及動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比分析如圖4和圖5所示。從圖中可知，復(fù)合改性瀝青的45 min和60 min位移明顯比基質(zhì)瀝青低，基質(zhì)瀝青的位移差為0.52 mm，改性瀝青的位移差為0.1 mm，比基質(zhì)瀝青明顯低很多，動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青的1.3倍多，有明顯改善效果。

圖4 位移對(duì)比分析

圖5 動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比分析

2.2 水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

根據(jù)規(guī)范要求，采用T 0709—2011浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂2個(gè)試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，根據(jù)基質(zhì)瀝青和改性瀝青結(jié)果對(duì)比，評(píng)價(jià)改性劑對(duì)混合料路用性能的影響。

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料受水的影響程度，也叫做瀝青混合料的防水性或抗水性能。水損害是瀝青路面在浸水或長期周而復(fù)始的凍融作用下，在表面施加荷載時(shí)，使瀝青從集料表面剝落而降低瀝青混合料的黏結(jié)強(qiáng)度，從而形成大小不一的坑洞的現(xiàn)象。

2.2.1 基質(zhì)和改性瀝青浸水馬歇爾試驗(yàn)性能評(píng)價(jià)

浸水馬歇爾強(qiáng)度試驗(yàn)與基質(zhì)瀝青馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)方法前期的成形方式一樣，采用4.9%的油石比成形10個(gè)試件，分為2組，常溫冷卻12 h后脫模，一組根據(jù)測(cè)穩(wěn)定度方法測(cè)其強(qiáng)度，另一組在60 ℃的恒溫水浴中保溫48 h，測(cè)定其穩(wěn)定度。

同樣，改性瀝青采用5.0%的油石比成形10個(gè)混合料試件，常溫冷卻12 h，和基質(zhì)瀝青混合料試驗(yàn)的方法一樣，分為2組測(cè)定，分別按規(guī)定測(cè)其穩(wěn)定度，根據(jù)T 0709—2011公式計(jì)算，結(jié)果見表10。

表10 浸水馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)

從表10中可知，基質(zhì)瀝青混合料和改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求，且改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青提高了9.06%。

2.2.2 基質(zhì)和改性瀝青凍融劈裂試驗(yàn)性能評(píng)價(jià)

凍融劈裂的試件采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀成形8個(gè)試件（其他條件同上），擊實(shí)次數(shù)為雙面各50次，并且做好標(biāo)記，測(cè)定每一個(gè)試件高度，平均分成2組，進(jìn)行標(biāo)記，室溫下冷卻。將第1組試件放入25 ℃恒溫水槽中保溫2 h后，進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，第2組放在真空飽水缸中抽真空，保持15 min，取出后放進(jìn)塑料袋中，如圖6所示，加入10 mL水，放進(jìn)－18 ℃低溫試驗(yàn)箱中保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒溫水浴中保溫24 h，再在25 ℃恒溫水槽中保溫2 h后進(jìn)行試驗(yàn)。凍融劈裂試驗(yàn)也采用馬歇爾穩(wěn)定度儀測(cè)定，只不過把試件夾具換成劈裂試驗(yàn)專用夾具（圖7），只讀取劈裂強(qiáng)度值。改性瀝青同樣采用基質(zhì)瀝青混合料試驗(yàn)凍融劈裂方法，評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的凍融劈裂性能，根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果見表11。

圖6 凍融劈裂試件

圖7 凍融劈裂試驗(yàn)

表11 浸水馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)

由表11可知，基質(zhì)瀝青混合料和改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均符合規(guī)范要求，且改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比較基質(zhì)瀝青提高6.16%。

3 結(jié)語

1）運(yùn)用高速剪切混合乳化機(jī)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，先手動(dòng)攪拌至無粉末，再用剪切機(jī)先以130 ℃、3 000 r/min剪切20 min，再以160 ℃、6 000 r/min剪切30 min，整個(gè)過程高速高溫剪切50 min，能夠很好地將改性劑均勻分散在瀝青中，最后高溫發(fā)育1 h，讓瀝青充分溶脹，使瀝青性能達(dá)到最好。

2）對(duì)比基質(zhì)瀝青和改性瀝青的三大指標(biāo)，結(jié)合各方面條件，選取1%TiO2＋4%SBR為改性瀝青的最佳摻量組，改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度均比基質(zhì)瀝青好，改性劑的加入大大改善了瀝青的基本性能。

3）礦料清洗后測(cè)其各個(gè)粒徑的基本性能指標(biāo)，結(jié)果表明它們均符合規(guī)范要求。確定瀝青混合料各粒徑集料摻量對(duì)應(yīng)篩孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分計(jì)篩余百分?jǐn)?shù)分別為5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%。

4）確定最佳油石比可以減少車轍、泛油嚴(yán)重等病害，增強(qiáng)路面抗疲勞強(qiáng)度，減少水損害等優(yōu)點(diǎn)。成形馬歇爾試件測(cè)試塊的吸水率，結(jié)合相關(guān)密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、瀝青飽和度、間隙率等綜合指標(biāo)，確定基質(zhì)瀝青最佳油石比為4.9%，改性瀝青最佳油石比為5.0%。

5）用納米TiO2和SBR復(fù)合改性瀝青混合料，能提高瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能。改性瀝青的高溫穩(wěn)定性比基質(zhì)瀝青提高了1.3倍，浸水后強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度比分別比基質(zhì)瀝青提高了9.06%和6.16%。

6）試驗(yàn)中只做了基質(zhì)瀝青和摻加了2種改性劑的改性瀝青的三大指標(biāo)對(duì)比，而沒有和單獨(dú)摻加SBR和單獨(dú)摻加TiO2的改性瀝青性能進(jìn)行對(duì)比，無法了解2種改性劑單獨(dú)對(duì)普通瀝青改性的效果。