NSiP改性瀝青的流變性能及抗老化性能研究

曹強強，周聰

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

使用納米材料作為基質(zhì)瀝青的改性劑或與聚合物一起作為復合改性材料，是提高瀝青的流變特性的有效辦法[1]。瀝青工業(yè)中使用的各種類型的納米材料有納米二氧化硅（SiO2）、納米氧化鋅（ZnO）、納米二氧化鈦（TiO2）、碳納米管、納米三氧化二碳酸鈣和納米黏土[2-3]。

其中，SiO2作為無機添加劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于瀝青材料的性能研究之中。Shafabaksh等[4]研究了TiO2和SiO2對改性瀝青混合料的性能影響。結(jié)果表明，TiO2和SiO2對瀝青的流變性能有顯著提高，還能提高瀝青混合料的車轍性能和疲勞壽命。張恒龍等[5]研究了經(jīng)過表面處理后的納米材料對瀝青性能影響。結(jié)果表明經(jīng)過表面處理后SiO2與瀝青的離析問題被改善。祝雯霞[6]采用不同摻量的SiO2制備了改性瀝青材料，根據(jù)DSR試驗、黏附性試驗等試驗結(jié)果確定了改性劑的最佳摻量。然而，SiO2在瀝青中的應(yīng)用效果有待進一步研究，同時對瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價還存在不足。

選擇摻量為0.2%、0.4%和0.6%的納米二氧化硅粉末（NSiP）制備了改性瀝青及瀝青混合料，研究了NSiP對瀝青高低性能及老化抵抗性能的影響，同時采用凍融劈裂試驗研究了NSiP對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

選擇SK70道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，相關(guān)性能指標見表1。NSiP是一種透明白色粉末，其摩爾質(zhì)量為62.12 g/mol。對于瀝青混合料，選擇石灰?guī)r作為集料，選擇AC-13型級配，最佳瀝青含量為4.6%。

表1 SK70物理性質(zhì)Table 1 Physical property of SK70

1.2 NSiP改性瀝青的制備

采用高速剪切儀制備NSiP改性瀝青，在160℃條件下將NSiP分批且緩慢加入基質(zhì)瀝青中，并對瀝青進行高速剪切2 h，剪切速率為4 000 r/min。其中，NSiP的摻量分別為基質(zhì)瀝青重量的0.2%、0.4%和0.6%。對基質(zhì)瀝青采用相同的制備過程，以保證結(jié)果不受老化影響。

1.3 瀝青性能測試

瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行測試，測試溫度為135℃和175℃，以確定改性瀝青混合料的施工溫度范圍。對未老化、短期老化、長期老化后的瀝青進行了多重應(yīng)力蠕變和恢復（MSCR）試驗及彎曲梁流變儀（BBR）試驗，評價NSiP改性瀝青的高低溫和抗老化性能，測試溫度分別為60℃和-12℃。

1.4 混合料性能測試

采用瀝青混合料凍融劈裂試驗評價NSiP改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。采用馬歇爾擊實法成型試樣，將試樣隨機分成2組，第1組常溫下保存，第2組進行凍融循環(huán)處理。對每個試樣以50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗。記錄劈裂抗拉強度值并計算凍融劈裂試驗強度比。瀝青混合料抗水損傷的能力用凍融劈裂試驗強度比來表示：劈裂試驗強度比=

2 結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)黏度

表2為所有改性瀝青和未改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果。

表2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果Table 2 Rotational viscosity test results

從表2可知，0.2%和0.4%的NSiP改性瀝青的黏度均低于基質(zhì)瀝青，該結(jié)果表明NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實溫度低于普通70號道路石油瀝青混合料，因此說明NSiP改性瀝青具有更好的工作性，有利于現(xiàn)場的攪拌和壓實過程。同時，基于黏溫曲線計算了NSiP改性瀝青混合料攪拌和壓實溫度的范圍。對于瀝青，拌和溫度范圍應(yīng)使用黏度為（0.17±0.02）Pa·s所對應(yīng)的溫度，而壓實成型溫度范圍應(yīng)使用黏度為（0.28±0.03）Pa·s所對應(yīng)的溫度[7]，根據(jù)表2結(jié)果得到瀝青的施工溫度結(jié)果，如圖1所示。

圖1 攪拌和壓實溫度范圍Fig.1 Stirring and compaction temperature range

由圖1可知，0.2%和0.4%的NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實溫度與基質(zhì)瀝青混合料接近，相差不大。這說明NSiP的加入使得瀝青的黏度降低，有利于路面的施工和易性。隨著NSiP摻量的進一步增加，0.6%的NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實溫度則超過了基質(zhì)瀝青混合料，這表明NSiP的摻量對瀝青黏度有一定影響，但NSP含量在0.2%～0.4%之間時，混合料攪拌溫度和壓實溫度幾乎沒有變化，與70號基質(zhì)瀝青也非常相似，該研究對納米改性瀝青的攪拌和壓實溫度的實際施工提供參考意見。

2.2 MSCR分析

MSCR試驗在60℃和3.2 kPa的條件下，不可恢復蠕變?nèi)崃浚↗nr）和應(yīng)變恢復百分比（R）值如表3所示。

表3 不同老化程度下改性瀝青的Jnr值和R值Table 3 Jnr and R values of modified asphalt under different aging degrees

從表3可以看出，在未老化條件下，與所有NSiP改性瀝青相比基質(zhì)瀝青的Jnr最大而R最小。這說明NSiP的添加能改善瀝青的彈性恢復和車轍抵抗性能。隨著NSiP粉末摻量的提升，瀝青的Jnr減少而R增大。在短期老化和長期老化過程中，瀝青的Jnr隨NSiP摻量的增加而減小。在瀝青經(jīng)過短期老化或者長期老化后，隨著NSiP摻量的增加，瀝青的R先略微下降而后上升。

2.3 BBR分析

表4給出了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的BBR結(jié)果。

瀝青的低溫抗裂性可以用勁度模量（S）和蠕變速率（m）來評價。一般來說，瀝青的勁度模量越小，蠕變速率越大，則瀝青的低溫性能越好[8]。由表4可知，0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的S均小于基質(zhì)瀝青。隨著NSiP摻量的增加，瀝青的S先減少，在所有瀝青試樣中0.4%NSiP改性瀝青的S最低。當NSiP摻量超過0.4%，瀝青的S提高，說明進一步提高NSiP摻量不利于瀝青的低溫性能，仍優(yōu)于基質(zhì)瀝青。同時，表4也表明了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的m均高于基質(zhì)瀝青，且在所有瀝青試樣中0.4%NSiP改性瀝青的m最高。根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范，改性瀝青的BBR試驗測試中應(yīng)保證規(guī)范要求，即在測試條件下瀝青的S應(yīng)不大于300 MPa，且m不小于0.3。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青均滿足規(guī)范要求。同時可以發(fā)現(xiàn)老化會對BBR低溫試驗結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，導致瀝青組分變化，使得瀝青的S上升而m下降，因此NSiP改性瀝青的老化性能需要進一步的研究。

表4 不同老化程度下改性瀝青的S值和m值Table 4 S and m values of modified asphalt under different aging degrees

2.4 老化性能

從力學的角度，許多文獻中考慮了不同的力學參數(shù)來研究瀝青的老化敏感性。其中一些是基于常規(guī)試驗的結(jié)果，例如針入度和軟化點增量，而另一些則更多地基于流變性能，即從流變測試或擬合建模的結(jié)果計算。一般來說，一個可靠的機械老化指標應(yīng)該與氧化的演變有明確的關(guān)系。

由2.2節(jié)和2.3節(jié)可知，老化對NSiP改性瀝青的影響較大，老化越充分蠕變勁度和應(yīng)變恢復百分比的變化越明顯，因此選擇BBR試驗和MSCR試驗的指標進行老化性能分析。選擇最高應(yīng)力水平3.2 kPa下（最不利狀態(tài)）R進行研究，老化因子AIR定義為老化后（短期和長期）的（R3.2）Age和未老化的（R3.2）Unage比值，如式（2）所示。

同理，選取在-12℃的測試溫度下的BBR試驗蠕變勁度（S）來計算，老化因子AIS定義為老化后（短期和長期）的（S）Age和未老化的（S）Unage比值，如式（3）所示。

對短期和長期老化后的瀝青試樣的R和m分別按式（2）和式（3）計算老化因子，計算試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同老化程度下改性瀝青的老化因子Table 5 Aging index of modified asphalt under different aging degrees

由表5可以看出，瀝青經(jīng)過老化后老化指數(shù)均大于1，說明瀝青材料經(jīng)老化后在經(jīng)受熱氧氣作用后的彈性恢復率和剛度均有所增加，高溫下抗車轍變形能力提高。同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著納米材料的增加，在短期和長期老化中瀝青的老化因子不斷下降，說明抗老化性能越好。

由表5還可以看出，瀝青老化后的勁度模量增大，低溫下抗開裂能力下降。與高溫MSCR試驗結(jié)果有所不同，隨著納米材料摻量的增加，瀝青的老化因子先降低后增加，而依然低于基質(zhì)瀝青，納米材料可以改善瀝青的抗老化性能，但其摻量需要嚴格控制。圖2表示MSCR老化因子和BBR老化因子擬合曲線。由圖2中可以看出，應(yīng)變AIR與AIS之間能較好擬合，且相關(guān)系數(shù)接近于1，即高低溫流變試驗中老化因子具有顯著的線性關(guān)系。

2.5 水穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》得到試樣的毛體積相對密度和空隙率，滿足空隙率要求的試件為有效試件，且有效試件不少于8個。NSiP改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗強度比通過瀝青混合料凍融劈裂試驗得到。根據(jù)這些試驗結(jié)果，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行了研究。表6顯示了NSiP改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度平均值和凍融劈裂試驗強度比。凍融循環(huán)前試件的抗拉強度平均值隨NSiP摻量的增加而增大。結(jié)果表明，NSiP改性瀝青混合料的強度均高于未改性瀝青混合料。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青混合料的抗拉強度平均值分別提高了17.7%、28.6%和43.7%，說明通過納米材料改性能有效提高瀝青混合料的抗拉強度?？估瓘姸鹊纳呖梢詺w因于NSiP對瀝青的硬化影響，這使得瀝青在破壞前能夠承受更大的拉應(yīng)力。同時，通過凍融劈裂試驗強度比評價了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。由表6可知，在0.4%摻量下的NSiP改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗強度比高于基質(zhì)瀝青混合料，強度比從78.9%提高到90.0%，說明一定摻量下的NSiP能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這可能是因為NSiP能促進聚合物在瀝青中的分散性，由于其粒徑小和比表面積大等特點，NSiP使得瀝青與集料之間的黏附性增強，使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到提高。同時，NSiP自身的尺寸效應(yīng)還可以改善瀝青混合料的力學性能。在本研究中，除了0.4%摻量的NSiP外，與未改性的瀝青混合料混合物相比，0.2%和0.6% NSiP改性瀝青混合料的強度比較低。因此，經(jīng)0.4%NSiP改性的瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。

表6 凍融劈裂抗拉試驗結(jié)果Table 6 Results of freeze-thaw split tensile test

3 結(jié)語

1）與基質(zhì)瀝青相比，NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實溫度有所降低，說明NSiP能降低瀝青的黏度，能降低工廠的能源消耗和污染排放，減少負面環(huán)境影響。

2）NSiP會影響瀝青的高低溫性能，且與老化程度有關(guān)。

3）NSiP的加入能降低瀝青的流變試驗老化因子，從而改善瀝青的抗老化性能。

4）隨著NSiP摻量的增加，改性瀝青混合料凍融循環(huán)前的劈裂抗拉強度值不斷增加，同時經(jīng)0.4%NSiP改性后的瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好。

5）綜合所有試驗結(jié)果，NSiP改性瀝青混合料中NSiP的最佳摻量為0.4%。