路面面層材料納米改性瀝青的制備及性能研究

劉和操 劉正雄 李新燕 蔡莉莉 張莉麗

摘 要： 為改善基質(zhì)瀝青作為路面面層鋪裝材料，導(dǎo)致高溫變形、低溫開裂和路面滲水等病害現(xiàn)象。利用納米SiO 2材料配合SBR改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性處理，利用高速剪切乳化儀制備改性瀝青試樣。通過改性后的3項指標(biāo)數(shù)值選擇納米改性材料與基質(zhì)瀝青的合適比例，以2%納米SiO 2+3%SBR改性材料“摻量”組合為例評價路面面層材料的綜合應(yīng)用性能。結(jié)果表明：經(jīng)過改性后的瀝青在處于-12、-15和-18 ℃環(huán)境時的2項低溫測試指標(biāo)數(shù)值均優(yōu)于原始瀝青材料，在60 ℃高溫環(huán)境下的抗車轍病害性能提高了41.18％，同時，納米改性瀝青相比于基質(zhì)瀝青的浸水穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度比分別提高了8.58%和10.03%，說明能夠有效優(yōu)化瀝青材料的高溫穩(wěn)定性、防低溫開裂效應(yīng)和抗水損性能。

關(guān)鍵詞： 路面面層；基質(zhì)瀝青；納米改性瀝青；路用性能試驗

中圖分類號： TQ314.24+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0071-04

Study on the preparation and performance of nano-modified asphalt in pavement surface material

LIU Hecao，LIU Zhengxiong，LI Xinyan，CAI Lili，ZHANG Lili

（Southwest Communications Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650032，China）

Abstract：

The traditional matrix asphalt as pavement paving material is easy to cause high temperature deformation，low temperature cracking and water seepage.In order to this problem，the matrix asphalt was modified with nano-SiO 2 material and SBR modifier.The modified asphalt samples were prepared by high-speed shear emulsifier.The suitable proportion of nano-modified material and matrix asphalt was selected by the three indexes after modification，and the combination of 2% nano-SiO 2 +3%SBR modified material was taken as an example to evaluate the comprehensive application performance of pavement surface material.According to the test data，the two test indexes of the modified asphalt at -12 ℃，-15 ℃ and -18 ℃ are better than those of the original asphalt material，and the rutting resistance of the modified asphalt at 60 ℃ is increased by 41.18%.Compared with the matrix asphalt，the ratio of soaking stability and splitting strength of nano-modified asphalt is increased by 8.58% and 10.03%，respectively，which can effectively optimize the high temperature stability，low temperature cracking resistance and water damage resistance of asphalt materials.

Key words： pavement layer;matrix asphalt;nano-modified asphalt;road performance test

隨著公路建設(shè)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，公路交通壓力也越來越大。我國公路路面面層鋪裝以瀝青材料為主，受車流量以及氣候等因素的影響，以基質(zhì)瀝青為原料的路面面層使用年限較短[1]。路面在遭受車輛碾壓后穩(wěn)定性逐漸下降導(dǎo)致瀝青性能老化，隨之所產(chǎn)生的車轍形變、低溫脆裂、路面滲水等公路病害也越發(fā)繁多，嚴(yán)重影響交通行駛安全[2]。

為提高公路路面的穩(wěn)定性，確保行車安全，在基質(zhì)瀝青中添加改性材料已在路面面層原料中被廣泛使用。單一的聚合物改性材料由于高溫穩(wěn)定性差且原材料成本較高，難以滿足實際應(yīng)用需求[3]?；诩{米粒子具有高強(qiáng)活性，能與其他聚合性改性材料產(chǎn)生疊加效果?；诖?，在基質(zhì)瀝青中摻入相應(yīng)比例的納米材料，有助于提高路面面層性能，延長公路使用年限。

研究將納米SiO 2材料配合SBR改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性處理，根據(jù)3項指標(biāo)數(shù)據(jù)、高溫穩(wěn)定試驗、抗低溫試驗以及抗水損病害試驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，納米改性材料的加入對瀝青路面使用性能有顯著提升[4-6]。

1 納米改性瀝青材料特性與制備

1.1 納米材料基本特性

廣義來講，納米材料的含義是在三維空間范圍之內(nèi)，其中最少有1個維度是在納米尺度（1～100 nm）以內(nèi)的物質(zhì)，或由其尺度范圍內(nèi)的原子作為基本結(jié)構(gòu)單位而組成的新1代超細(xì)晶粒材料。納米材料由于其微小粒徑和表面原子活性效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，與傳統(tǒng)材料相比其表現(xiàn)特性存在顯著差異，對于改善傳統(tǒng)材料的性能具有較高的應(yīng)用價值[7]。

路面面層材料中所應(yīng)用納米材料為納米SiO 2，納米SiO 2是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的白色無機(jī)粉體，一般只有在較高倍率電鏡下才能觀察到粒子形貌，納米SiO 2表面存在多種不飽和原子與不同狀態(tài)羥基，具有較強(qiáng)的表面活性[8]。

納米SiO 2具備較高的吸收性及穩(wěn)定性，作為瀝青改性劑能夠改善瀝青路面面層的回彈性能、抗車轍和抗裂性能，對于延長路面面層使用壽命有著重要作用。

1.2 納米改性瀝青制備

1.2.1 原材料

依據(jù)JTG F40—2004瀝青規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選擇 SK70瀝青作為原料，技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

SBR作為路面面層原料改性劑的1種，基與普通瀝青材料有較好的互溶性，它具有粒度小、制配方法簡便、高性價比等特點(diǎn)，在瀝青改性中被廣泛應(yīng)用。SBR基本參數(shù)如表2所示。

納米SiO 2改性材料基本參數(shù)如表3所示。

1.2.2 制備方法

由于納米SiO 2材料粒子表面活性較強(qiáng)，在黏度比較高的基質(zhì)瀝青中極易聚合，因此，本研究采用高速剪切制備方法在制備過程中降低納米粒子其表面活性能，減低瀝青黏度，將納米SiO 2改性材料均勻融合至基質(zhì)瀝青，提高其分散性。

稱量普通基質(zhì)瀝青600 g，使用高精度電子秤稱量一定重量的改性材料，而后利用高速剪切儀器進(jìn)行剪切攪拌[9]。制備方法如圖1所示。

首先融化基質(zhì)瀝青，并加入一定劑量的SBR和納米SiO 2粉體，將粉體與瀝青材料充分?jǐn)噭又寥诤?，而后利用高速剪切乳化儀在150 ℃條件下以3 000 r/min的轉(zhuǎn)動速率攪拌30 min，再將轉(zhuǎn)動速率調(diào)節(jié)至4500 ?r/min，溫度升至170 ℃，高速剪切攪拌1 h，最后將納米改性瀝青復(fù)配材料放置到150 ℃烘箱內(nèi)溶脹發(fā)育40 min。

1.3 改性材料摻量確定

為確定納米SiO 2材料和SBR的最佳用量，參照 JTG E20—2011規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對融合后的納米改性瀝青進(jìn)行針入度數(shù)值、軟化點(diǎn)數(shù)值及延度數(shù)值進(jìn)行檢測，從而更好地評估改性劑對基質(zhì)瀝青的影響。結(jié)合試樣檢測結(jié)果綜合分析，確定摻量最佳的一組[10]。

不同比例納米改性瀝青測試數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，隨著納米材料和SBR改性劑的融入，納米改性瀝青的各項指標(biāo)呈現(xiàn)復(fù)雜變化。針入度指標(biāo)過大表明瀝青試樣的基體硬度較低，抗形變敏感性越差[11]。軟化點(diǎn)數(shù)值越高說明路面面層具有較強(qiáng)的耐高溫能力。延度數(shù)值指標(biāo)的大小反映了瀝青低溫拉伸性能與抗裂能力越強(qiáng)。結(jié)合三項性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，同時考慮實際經(jīng)濟(jì)成本，選取2%納米SiO 2配合3%SBR配比，以此作為最優(yōu)摻量比例，進(jìn)行后續(xù)的路面性能測試。

2 納米改性瀝青路面性能分析

由以上結(jié)果可知，2%納米SiO 2+3%SBR摻量納米改性瀝青3項性能指標(biāo)較為良好，為了進(jìn)一步驗證路面面層原料中納米改性瀝青的綜合應(yīng)用性能，將對所用瀝青材料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能、抗低溫性能以及抗水損性能測試，并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行對比，從而獲得更加直觀的路用性能分析結(jié)果。

2.1 高溫穩(wěn)定試驗

路面面層材料高溫穩(wěn)定性能對交通行駛安全起著重要作用，高溫性能較差的面層材料在車輛荷載作用下會產(chǎn)生難以還原的車轍痕跡，導(dǎo)致路面變形。研究采用漢堡車轍檢測儀進(jìn)行車轍試驗。

開啟車轍檢測儀，將瀝青試樣置于檢測儀內(nèi)，放下檢測儀轉(zhuǎn)輪循環(huán)碾壓瀝青試樣40 min。設(shè)定最高檢測溫度為60 ℃，記錄不同溫度下瀝青試樣的車轍深度[12]。

納米改性瀝青與基質(zhì)瀝青車轍試驗對比結(jié)果，如圖2所示。

由圖2可知，在高溫環(huán)境下，瀝青試樣的車轍痕跡越加明顯。當(dāng)溫度到達(dá)60 ℃時，基質(zhì)瀝青試樣車轍深度已達(dá)到17 mm，這是由于溫度的升高減小了瀝青顆粒的粘附性使其硬度降低，導(dǎo)致其抗高溫性能變差產(chǎn)生表面變形。而納米改性瀝青試樣的車轍深度始終不超過10 mm，抗車轍病害能力相比基質(zhì)瀝青提高了41.18％，具有較強(qiáng)的高溫變形穩(wěn)定性。

2.2 抗低溫性能分析

采用BBR測試法進(jìn)行瀝青試樣抗低溫性能測試，分別在-12、-15和-18 ℃溫度條件下測試瀝青試樣蠕變速率，測試結(jié)果如圖5所示。

由圖3可知，溫度降低的同時瀝青試樣的蠕變速率 m 值呈遞減狀態(tài)，這說明環(huán)境溫度的降低導(dǎo)致瀝青溫度抵抗應(yīng)力未能得到有效的釋放，從而超過瀝青試樣本身抗應(yīng)力強(qiáng)度而導(dǎo)致低溫開裂現(xiàn)象[13]。當(dāng)環(huán)境溫度降低至-18 ℃時，基質(zhì)瀝青試樣的蠕變速率為0.27，不符合 m 值大于0.3的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。而納米改性瀝青在-12、-15和-18 ℃溫度條件下 m 值均在0.3以上，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

同樣低溫條件下將納米改性瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行勁度模量對比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，瀝青試樣的勁度模量數(shù)值根據(jù)環(huán)境溫度變低呈遞增趨勢，導(dǎo)致瀝青材料逐漸脆硬化，極易發(fā)生低溫開裂現(xiàn)象。納米改性瀝青在-12、-15和-18 ℃溫度環(huán)境下試驗數(shù)值均小于基質(zhì)瀝青，由此證明了納米改性瀝青的低溫抗裂性能更具優(yōu)勢。

2.3 抗水損性能分析

為了進(jìn)一步驗證納米改性瀝青的路用性能，采用馬歇爾浸水試驗和凍融劈裂試驗來分析瀝青材料的防水性能[14]。將瀝青試樣樣本冷卻10 h后脫模處理，在水槽中恒溫（60±1） ℃浸水48 h測試其穩(wěn)定程度；測試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，經(jīng)過浸水試驗后基質(zhì)瀝青浸水穩(wěn)定度數(shù)值為83.65%，納米改性瀝青浸水穩(wěn)定度數(shù)值為90.83%，穩(wěn)定度提高了8.58%。

瀝青材料凍融后的性能指標(biāo)體現(xiàn)了瀝青材料的抗水性能[15]，試驗利用馬歇爾擊實機(jī)形成2組瀝青試樣。其中一組置于恒溫水槽（25±1）℃中水浴2 h后進(jìn)行試驗，另外一組真空飽水瀝青試樣先放置于-18 ℃低溫冷凍箱中16 h，而后在（60±1）℃恒溫水缸中浸水24 h后取出，采用凍融劈裂試驗專用夾具進(jìn)行試驗。

凍融劈裂強(qiáng)度計算公式為：

S=100 R a R b ??（1）

式中： S 表示凍融劈裂強(qiáng)度； R a 代表瀝青試樣凍融后的劈裂強(qiáng)度； R b 代表未凍融的瀝青試樣劈裂強(qiáng)度。

由此得出試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果，具體如表6所示。

由表6可知，納米改性瀝青材料劈裂強(qiáng)度比為89.97%，相比于基質(zhì)瀝青材料提高了10.03%，抗水損性能更強(qiáng)。

綜上所述，在普通基質(zhì)瀝青原料中加入適當(dāng)配比的納米改性材料，能夠有效提高路面面層瀝青的應(yīng)用性能，相比于基質(zhì)瀝青各項指標(biāo)都有明顯提高，具有較強(qiáng)的可行性。

3 結(jié)語

（1）將納米材料與SBR作為瀝青改性劑制備路面面層材料，通過針入度數(shù)值、軟化點(diǎn)數(shù)值以及延度數(shù)值大小評估其性能標(biāo)準(zhǔn)，以2%納米SiO 2+3%SBR作為最佳摻量組合進(jìn)行路面性能測試；

（2）[JP2]車轍試驗表明，基質(zhì)瀝青經(jīng)過改性之后針入度與延度指標(biāo)有所減小，流變性有所提高，抗車轍病害性能提高了41.18％，具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性能；

（3）[JP2]分別在-12、-15和-18 ℃低溫條件進(jìn)行低溫性能試驗，根據(jù)蠕變速率與勁度模量測試結(jié)果推斷，納米改性瀝青2項數(shù)據(jù)指標(biāo)均優(yōu)于基質(zhì)瀝青；

（4）通過馬歇爾浸水試驗和凍融劈裂試驗評估瀝青材料的防水性能，與基質(zhì)瀝青相比，納米改性瀝青浸水穩(wěn)定度提高了8.58%，劈裂強(qiáng)度比提高了10.03%，抗水損性能有明顯提升。

通過以上在普通瀝青中加入納米材料經(jīng)過改性處理，使瀝青材料的耐高溫性能、抗低溫裂變性能和防水穩(wěn)定性能均有顯著提升，由此作為路面面層材料能夠有效減輕公路路面的老化程度，保證交通行駛的安全性。

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