含納米二氧化硅的聚乙烯改性瀝青混合料疲勞和力學性能研究

陳亮亮

摘 要：【目的】通過制備不同納米二氧化硅摻量的復(fù)合改性瀝青來研究納米二氧化硅對聚乙烯改性瀝青混合料性能的影響?！痉椒ā客ㄟ^四點彎曲疲勞試驗、勁度模量試驗、間接拉伸強度試驗來分析納米二氧化硅復(fù)合改性瀝青混合料的性能?！窘Y(jié)果】試驗結(jié)果表明：當納米二氧化硅摻量從1%增加到4%時，混合料的疲勞壽命、勁度模量和間接拉伸強度先增大后減小；當納米二氧化硅摻量為3%時，混合料在20 ℃和30 ℃時的疲勞性能均最優(yōu)；當納米二氧化硅摻量為2%時，勁度模量和間接拉伸強度最優(yōu)，且短期老化后的間接拉伸強度降幅最小?！窘Y(jié)論】綜合考慮各項性能指標，納米二氧化硅的最佳摻量為2%～3%，此時復(fù)合改性瀝青混合料疲勞和力學性能可提高40%以上。

關(guān)鍵詞：道路工程；納米二氧化硅；PE改性瀝青；混合料；疲勞性能；力學性能

中圖分類號：U414? ? ? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.016

Research on Fatigue and Mechanical Properties of Polyethylene

Modified Asphalt Mixture Containing Nano-Silica

CHEN Liangliang

（Henan Jiaokong Construction Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract： [Purposes]? The effect of nano-silica on the performance of polyethylene modified asphalt mixture was studied by preparing composite modified asphalt with different nano-silica content.[Methods] The performance of nano-silica composite modified asphalt mixture was analyzed by four-point bending fatigue test， stiffness modulus test and indirect tensile strength test.[Findings] The test results showed that when the content of nano-silica increased from 1% to 4%， the fatigue life， stiffness modulus and indirect tensile strength of the mixture increased first and then decreased. When the content of nano-silica is 3%， the fatigue performance of the mixture is optimal at 20 °C and 30 °C. When the content of nano-silica is 2%， the stiffness modulus and indirect tensile strength are the best， and the decrease of indirect tensile strength after short-term aging is the smallest.[Conclusions] Based on the comprehensive performance indicators， the optimum content of nano-silica is 2%～3%， and the fatigue and mechanical properties of the composite modified asphalt mixture can be increased by more than 40%.

Keywords： road engineering; nano-silica; PE modified asphalt; mixtures; fatigue performance; mechanical properties

0 引言

由于納米材料添加劑具有比表面積大、分散能力強、強吸附性、高穩(wěn)定性、高化學純度等優(yōu)點，因此被用于制備高性能耐久的復(fù)合改性瀝青及瀝青混合料［1-2］。納米材料易于混合，且與瀝青更相容，納米材料與聚合物的協(xié)同應(yīng)用對提高瀝青結(jié)合料性能具有重要意義［3-4］。

常用的納米材料有碳納米管、二氧化鈦、納米氧化鋅、氧化石墨烯等［5-6］。其中，納米二氧化硅能與瀝青結(jié)合料發(fā)生高度反應(yīng)，納米二氧化硅及其聚合物在瀝青共混物中的分散能力要優(yōu)于其他納米材料［7］。聚乙烯改性瀝青是目前應(yīng)用廣泛的綠色環(huán)保改性瀝青之一。由于聚乙烯自身的材料特征，使其在儲存穩(wěn)定性、長期耐久性等方面仍需進一步改進［8］。因此，有必要對納米二氧化硅和聚乙烯復(fù)合改性瀝青的性能進行研究。

基于此，本研究通過制備不同納米二氧化硅摻量的復(fù)合改性瀝青，來分析納米二氧化硅和聚乙烯在改性瀝青中的協(xié)同作用，為進一步完善聚乙烯改性瀝青性能提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

制備改性瀝青的基質(zhì)瀝青為普通AH-70型瀝青，制備瀝青混合料樣品粗集料和細集料均為石灰?guī)r類碎石，礦粉由石灰?guī)r加工而成，粗骨料最大公稱尺寸為16 mm，其性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的相關(guān)要求。聚乙烯改性劑為基于廢舊聚乙烯塑料生產(chǎn)的4～6 mm黑色固體顆粒，密度為1.02～1.10 g/cm3，熔點為100～150 ℃，納米二氧化硅顆粒的特性見表1。

納米二氧化硅/聚乙烯復(fù)合改性瀝青是在基質(zhì)瀝青中添加5%的聚乙烯、不同濃度（1%～4%）的納米二氧化硅顆粒（按基質(zhì)瀝青黏合劑的重量計）制備而成的。對照組混合料僅由質(zhì)量比例5%的聚乙烯聚合物制成。

1.2 試驗方法

1.2.1 四點彎曲疲勞試驗。根據(jù)（JTG E20—2011）中的要求，使用IPC萬能試驗機（UTM）進行四點彎曲疲勞試驗。

1.2.2 勁度模量試驗。根據(jù)（JTG E20—2011）和（BS DD 213）標準規(guī)范進行瀝青混合料勁度模量試驗。

1.2.3 間接拉伸強度試驗。根據(jù)破壞階段樣品所承受的最高載荷，樣品破壞通常以劈裂的形式沿加載平面發(fā)生，見式（1）。

[ITS=2FπHD] （1）

式中：ITS為間接拉伸強度，kPa；F為施加的最高垂直載荷，kN；H為平均樣品厚度，m；D為瀝青樣品的直徑，m。

為評價納米二氧化硅對復(fù)合改性瀝青混合料耐老化性能的影響，增設(shè)老化對照組，按照（JTG E 20—2011）中的要求，對不同納米二氧化硅摻量的復(fù)合改性瀝青進行短期老化。

2 結(jié)果分析

2.1 疲勞壽命的概率分布

對照組混合料（納米二氧化硅摻量為0%）和不同二氧化硅摻量下的納米二氧化硅復(fù)合材料改性混合料在不同溫度水平下的疲勞壽命如圖1所示。由圖1可知，在所有溫度水平下，對照組混合料和復(fù)合改性混合料的疲勞壽命存在顯著差異。這表明納米二氧化硅顆粒對混合料的疲勞壽命有顯著影響。此外，相較于對照組和其他復(fù)合改性混合料，含有3%納米二氧化硅顆粒的瀝青混合料在所有應(yīng)變水平下均表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能，即在該摻量下，復(fù)合改性瀝青混合料在低應(yīng)變水平和高應(yīng)變水平下都更耐疲勞。

不同改性劑摻量及測試溫度下疲勞方程回歸系數(shù)見表2。由表2可知，與對照組混合料相比，添加納米二氧化硅制備的混合料有較低的n值。這表明納米二氧化硅復(fù)合改性混合料具有更高的疲勞壽命，因為較低的n值和較高的k值意味著更高的疲勞壽命。相關(guān)系數(shù)R2用于檢驗誤差，并證實參數(shù)k和n之間的關(guān)系，可用于定義改性混合料的疲勞壽命。由表2可知，所有混合料的相關(guān)系數(shù)R2都大于0.9，這表明疲勞壽命和應(yīng)變之間具有良好的相關(guān)性。

2.2 溫度對復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命的影響

在相同納米二氧化硅摻量下，不同溫度下的復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命對比如圖2所示。由圖2可知，納米二氧化硅復(fù)合改性混合料比對照組的聚合物改性混合料具有更高的疲勞載荷循環(huán)。此外，當溫度從20 ℃升到30 ℃時，混合料的疲勞壽命會隨之增加，且在30 ℃、20 ℃下，疲勞壽命比值在納米二氧化硅摻量為3%處達到峰值。這進一步證明瀝青混合料的疲勞壽命高度依賴于溫度，即隨著溫度升高，復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命會顯著提高，這是因為溫度升高會引起混合料剛度的降低。在兩種溫度下，用摻量為3%的納米二氧化硅顆粒制備的納米二氧化硅復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞壽命最高，比沒有摻加納米二氧化硅的改性瀝青混合料疲勞壽命要高88%。

2.3 勁度模量試驗

不同二氧化硅摻量下，復(fù)合改性瀝青混合料勁度模量測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，添加納米二氧化硅的復(fù)合改性混合料比對照組混合料具有相對更大的勁度模量。與其他復(fù)合材料改性混合料相比，含有2%納米二氧化硅的復(fù)合材料混合料有最高的勁度模量。與納米二氧化硅摻加量為0%、1%相比，納米二氧化硅摻量為2%時，混合料的勁度模量分別提高了53%、45%，使混合料在抗車轍及車輛荷載等方面具有更好的性能。混合料的勁度模量在納米二氧化硅含量較高時有所下降，可能是因為混合料中使用了大量的納米二氧化硅，其在改性混合料中不均勻分散會引起附聚效應(yīng)，從而降低了改性黏合劑的性能。在較高濃度下，納米二氧化硅復(fù)合改性瀝青混合料的勁度模量降低，黏度增加。由于黏度增加、硬度降低，導(dǎo)致骨料和黏合劑之間的黏附力降低，使混合料中的骨料更易滑動。

2.4 間接抗拉強度

間接抗拉強度是有效衡量瀝青混合料受拉強度的指標之一。納米二氧化硅復(fù)合改性混合料的間接拉伸強度如圖4所示。

由圖4可知，與對照組混合料相比，添加納米二氧化硅復(fù)合改性混合料具有更高的間接拉伸強度，這表明納米二氧化硅可提高復(fù)合材料的拉伸強度。與未老化樣品相比，老化后的混合料間接拉伸強度稍微降低。這是因為老化后的復(fù)合改性瀝青混粘附力降低，從而導(dǎo)致混合料的內(nèi)聚力降低。含有2%納米二氧化硅混合料的復(fù)合改性瀝青混合料的拉伸強度最大，比對照組混合料約高52%。在含有3%和4%納米二氧化硅的混合料中，間接拉伸強度有所降低，這可能是因為高濃度的納米二氧化硅會導(dǎo)致混合料剛度降低。在向混合料中添加納米二氧化硅后，老化和未老化混合料的拉伸強度差異減小，老化后與老化前強度與納米二氧化硅摻量為2%時相比達到最大值，即納米二氧化硅可提復(fù)合改性瀝青混合料的耐老化性能。在加入納米二氧化硅后，復(fù)合改性瀝青混合料的間接拉伸強度和耐老化性能均有所增強，復(fù)合改性瀝青和集料之間的粘附力和內(nèi)聚力均有所提高，因此改性瀝青混合料有更好的抗疲勞開裂等綜合性能。

3 結(jié)論

①在聚乙烯改性瀝青中添加納米二氧化硅，可增加復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞壽命、勁度模量和間接拉伸強度，且其性能變化趨勢和幅度受納米二氧化硅摻量的影響。

②當納米二氧化硅摻量從1%增加到4%時，混合料疲勞壽命、勁度模量和間接拉伸強度均先增后減。當納米二氧化硅摻量為3%時，混合料在20 ℃、30 ℃時的疲勞性能均為最優(yōu)；當納米二氧化硅摻量為2%時，勁度模量和間接拉伸強度均為最優(yōu)。

③短期老化后，不同納米二氧化硅摻量的復(fù)合改性瀝青混合料間接拉伸強度降低5%～25%。當納米二氧化硅摻量為2%時，老化后復(fù)合改性瀝青混合料間接拉伸強度降低5%，降幅最小。

④綜合不同納米二氧化硅摻量下的疲勞壽命、勁度模量和間接拉伸強度的變化規(guī)律，納米二氧化硅最佳摻量宜為2%～3%。

參考文獻：

［1］董羅超，曹新建，王祎賓，等.納米材料復(fù)合改性瀝青性能評價［J］.河南科技，2021（34）：113-115.

［2］LI R Y，XIAO F P，AMIRKHANIAN S，et al. Developments of nano materials and technologies on asphalt materials–a review［J］.Construction and Building Materials，2017，143：633-648.

［3］徐衍青，李瑞明，鄭傳峰.納米材料在瀝青路面中的應(yīng)用綜述［J］.中外公路，2021（1）：206-214.

［4］祝雯霞.納米二氧化硅含量對瀝青混合料性能的影響［J］.當代化工，2019（11）：2553-2556.

［5］應(yīng)軍志，汪海年，沈思立，等.氧化石墨烯（GO）對瀝青抗老化性能的影響研究［J］.河南科學，2022（1）：72-77.

［6］王志成，楊勝文，曾明，等.水性環(huán)氧樹脂與納米SiO2復(fù)合改性乳化瀝青防水涂料性能研究［J］.新型建筑材料，2022（4）：145-147.

［7］蘇銀強，劉玉梅，汪國賢，等.表面氧化膠粉-納米SiO2復(fù)合改性瀝青性能研究［J］.公路交通科技，2022（3）：1-8，29.

［8］萬鈺，徐朔，吳文朋.PE改性瀝青混合料路用性能試驗研究［J］.公路工程，2021（2）：212-216.