納米TiO2改性瀝青高溫流變性能研究

趙 陽(yáng) 蒲凌云 谷 偉

（重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 400038）

0 引言

早期裂縫、老化和永久性變形是瀝青路面的常見問(wèn)題，這些病害與瀝青的性能有關(guān)。改性瀝青具有良好的抗永久變形、減緩疲勞裂紋和提高溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是減少甚至避免路面早期病害的有效解決方案，可以提升路面使用性能、安全性和舒適性[1]。納米材料是一種新型的瀝青改性材料，可提高瀝青的工程特性[2]。研究表明，納米TiO2提高了瀝青在高溫下的穩(wěn)定性，并提高了瀝青的抗氧化性和抗老化性[3]。楊群提出納米TiO2可以促進(jìn)聚合物與瀝青之間更好地相互作用，減少聚合物離析，提高改性瀝青粘合劑的穩(wěn)定性[4]。張冬梅指出納米TiO2可能會(huì)提高瀝青對(duì)疲勞、永久變形和氧化老化的抵抗力[5]。譚邦耀認(rèn)為TiO2與其他改性劑結(jié)合作為聚合物，可以增強(qiáng)瀝青的軟化點(diǎn)和延展性[6]。

上述研究表明，納米TiO2等材料用于瀝青改性中，可以改善瀝青混合料抗疲勞性、軟化點(diǎn)、延展性和材料老化等。然而，充分使用TiO2作為瀝青的改性劑，需要對(duì)瀝青進(jìn)行流變特性研究。鑒于此，本文研究納米TiO2改性瀝青的高溫流變性能，具有工程實(shí)際意義。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）瀝青：本研究使用SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

（2）二氧化鈦：納米TiO2呈粉末狀，銳鈦礦型，具體技術(shù)指標(biāo)見表2所示。

表2 TiO2技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)（RTFOT）、剪切流變?cè)囼?yàn)和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)測(cè)定二氧化鈦改性瀝青的高溫流變及抗老化性能。其中針入度、軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)步驟參考《瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行。

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)瀝青施加正弦剪切應(yīng)力或應(yīng)變，儀器記錄其應(yīng)變或應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)獲得復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，并以復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ兩個(gè)參數(shù)計(jì)算車轍因子G*/sinδ。本文試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，原樣瀝青應(yīng)變水平為12%，RTFOT瀝青應(yīng)變水平為10%，試驗(yàn)溫度為52～76℃，間隔6℃。

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(multiple stress creep recovery，MSCR)通過(guò)施加周期性的荷載，測(cè)試瀝青的蠕變恢復(fù)能力，以表征瀝青的高溫性能。采用兩個(gè)應(yīng)力水平，分別為0.1kPa 和3.2kPa，循環(huán)加載10 個(gè)周期，試驗(yàn)溫度70℃。多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)以0.1kPa、3.2kPa水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭u(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，以彈性回收百分比評(píng)價(jià)瀝青的彈性恢復(fù)能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫流變性能

表3為純?yōu)r青和改性瀝青的軟化點(diǎn)和針入度測(cè)試結(jié)果。表4為TiO2改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度的提升效果。

表3 TiO2改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度測(cè)試

表4 TiO2改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度改善效果

如表3、表4所示，瀝青老化前后，隨TiO2的加入，瀝青軟化點(diǎn)均有所增加，針入度逐漸降低，TiO2摻量5%時(shí)，老化前軟化點(diǎn)增長(zhǎng)5.88%，針入度降低13.73%，老化后增長(zhǎng)3.64%，針入度降低33.33%。這種變化將顯著改善瀝青混合料對(duì)永久變形的抵抗力。這種現(xiàn)象的發(fā)生可能是由于向?yàn)r青基質(zhì)中添加TiO2產(chǎn)生了顆粒荷載，促進(jìn)了瀝青材料粘度和剛度的增加；其次TiO2吸收瀝青中的輕組分，使瀝青質(zhì)含量間接增加，隨著TiO2摻量的增加，形成的顆粒就越難溶解，顆粒結(jié)塊現(xiàn)象在視覺(jué)上表現(xiàn)為殘留的顆粒阻礙了針入的深度，導(dǎo)致針入度降低。

不同TiO2摻量下改性瀝青的DSR 測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同TiO2摻量下改性瀝青的車轍因子

從圖1可以看出，車轍因子隨溫度的升高而減小，表明TiO2改性瀝青具有溫度敏感性。同時(shí)，車轍因子隨著TiO2用量的增加而增加，表明TiO2改性瀝青的溫度敏感性降低，耐高溫變形能力增強(qiáng)。當(dāng)TiO2用量為5%時(shí)，車轍因子達(dá)到最大值，TiO2改性瀝青的高溫性能最佳。隨著TiO2用量的增加，TiO2在瀝青中形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，加之良好的吸持瀝青的能力，可以大幅度地提高車轍因子。

2.2 短期抗老化性能

表5為瀝青RTFOT（短期老化）試驗(yàn)后的針入度殘余率、RTFOT前后的軟化點(diǎn)變化、RTFOT后的熱敏指數(shù)和質(zhì)量損失的結(jié)果。

表5 TiO2改性瀝青老化試驗(yàn)結(jié)果

針入度殘余率衡量的是瀝青在RTFOT過(guò)程后保持其針入度的能力，表5顯示TiO2改性瀝青的針入度殘余率比普通瀝青高，所有樣品的針入度殘余率都在70%左右，表明在短時(shí)間內(nèi)，材料的老化敏感性幾乎沒(méi)有改變。滲透和軟化點(diǎn)測(cè)試可以得到另一個(gè)參數(shù)，即熱敏指數(shù)（TSI）。大多數(shù)瀝青的TSI 在-1.5～0 之間。表5 顯示，純?yōu)r青的TSI為-0.44，改性瀝青的數(shù)值更小，TSI的降低表明，與純?yōu)r青相比，改性瀝青更傾向于在溫度變化中保持其穩(wěn)定性。同時(shí)TiO2改性瀝青的質(zhì)量損失較少，這表明老化過(guò)程瀝青的揮發(fā)較少，粘彈性的特性得以更好地保留。上述試驗(yàn)結(jié)果表明TiO2可以減緩瀝青老化的發(fā)生，減小因老化帶來(lái)的瀝青性質(zhì)的下降。究其原因在于TiO2的添加有利于避免瀝青化學(xué)成分的氧化，TiO2納米顆粒的高表面積有利于與瀝青顆粒的相互作用并降低氧化傾向，同時(shí)可以減少瀝青基體中化學(xué)成分的揮發(fā)性，這與SBS改性瀝青的效果一致。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也觀察到RTFOT使所有的樣品更加堅(jiān)硬，剛度提升，這會(huì)極大地降低瀝青混合料的耐久性和抗疲勞性能。

2.3 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)

圖2為純?yōu)r青和TiO2改性瀝青在100Pa和3200Pa兩種應(yīng)力下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）的結(jié)果，Jnr參數(shù)衡量了對(duì)永久變形的敏感性，Jnr越低表明變形的可能性越小。

圖2 不同TiO2摻量下改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

圖2顯示，在兩種應(yīng)力強(qiáng)度下，Jnr隨著TiO2摻量的增加而降低。這種現(xiàn)象表明，TiO2改性瀝青更不容易發(fā)生永久變形。TiO2摻量為3%時(shí)，Jnr下降了22.4%～26.9%，摻量為5%時(shí)，Jnr下降了34.2%～35.3%，說(shuō)明小摻量TiO2就可以提高瀝青的抗變形能力，隨著摻量的增大，Jnr也會(huì)持續(xù)增加，但增長(zhǎng)幅度減小。

彈性恢復(fù)百分比（Rec）見圖3所示。

圖3 不同TiO2摻量下改性瀝青的彈性恢復(fù)百分比

如圖3所示，彈性恢復(fù)百分比隨TiO2的加入而增加，說(shuō)明改性瀝青的彈性恢復(fù)能力比純?yōu)r青大。當(dāng)含量超過(guò)3%后，彈性恢復(fù)百分比逐漸降低，摻量達(dá)5%時(shí)，改性瀝青彈性恢復(fù)百分比與純?yōu)r青基本相當(dāng)，表明高摻量TiO2的分散性較差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了納米TiO2改性瀝青的高溫流變性能，主要結(jié)論如下：

（1）TiO2改性瀝青針入度減小、軟化點(diǎn)增大，說(shuō)明TiO2改性瀝青和剛度增加；車轍因子隨著TiO2用量的增加而增加，表明TiO2改性瀝青的溫度敏感性降低，耐高溫變形能力增強(qiáng)；

（2）恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S著TiO2摻量的增加而降低，彈性恢復(fù)百分比隨TiO2的加入先增大后減小，證明TiO2改性瀝青抗永久變形能力有所提高；

（3）TiO2改性瀝青的針入度殘余率比普通瀝青高，熱敏指數(shù)減小，質(zhì)量損失降低，這表明老化過(guò)程瀝青的揮發(fā)較少，粘彈性的特性得以更好地保留，證明TiO2可以減緩瀝青老化的發(fā)生。