納米復合ZnO改性瀝青混合料路用性能分析

謝大波

摘要：為分析納米ZnO材料在改性瀝青方面的應用效果，驗證其瀝青混合料的綜合路用性能，文章通過制定相應的納米ZnO改性瀝青、納米復合ZnO/SBS改性瀝青的試驗方案，利用車轍試驗、SPT簡單剪切試驗、小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗等分析四種不同類型瀝青混合料的路用性能。結果顯示：納米ZnO材料顯著改善了70#基質瀝青的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩定性能，其中采用復合ZnO/SBS改性的瀝青混合料綜合路用性能最佳，遠超出規范要求標準;納米復合ZnO改性瀝青混合料與70#基質瀝青相比動穩定度和動態模量值分別提高了約114.1%和233%，最大破壞彎曲應變和殘留穩定度分別提高了35.7%和14.5%。匯總可知，采用納米ZnO改性方法能夠有效解決目前瀝青路面所面臨的早期病害問題，為瀝青混合料改性技術的應用提供技術支持，對延長路面使用壽命具有重要意義。

關鍵詞：道路工程;瀝青混合料;納米ZnO改性瀝青;路用性能

In order to analyze the application effect of nanoZnO materials in modified asphalt and verify the comprehensive road performance of its asphalt mixture，by developing the corresponding experiment scheme of nanoZnO modified asphalt and nanocomposite ZnO/SBS modified asphalt，and through the rutting test，SPT simple shear test，trabecular bending test and freezethaw splitting test，this article analyzes the road performance of four different types of asphalt mixtures.The results show that the nanoZnO material significantly improves the hightemperature rutting resistance，lowtemperature crack resistance and water stability of 70# matrix asphalt，wherein the composite ZnO/SBS modified asphalt mixture has the best comprehensive road performance，far exceeding the specification requirement standard;the dynamic stability and dynamic modulus values of nanocomposite ZnO modified asphalt mixture are increased by about 114.1% and 233% respectively compared to 70# matrix asphalt，and the maximum failure bending strain and residual stability are increased by 35.7% and 14.5% respectively.It can be seen that the nanoZnO modification method can effectively solve the early disease problems faced by asphalt pavement at present，which provides the technical support for the application of asphalt mixture modification technology and is of great significance for extending the service life of pavement.

Road engineering;Asphalt mixture;NanoZnO modified asphalt;Road performance

0 引言

瀝青路面在全世界各國的應用達到了90%以上，但隨著時間的推移，重載交通和渠化交通的不斷增加，其相應的病害也逐漸凸顯，如車轍、裂縫和坑槽等。孫璐等利用納米SiO2、膨潤土、SBS改性劑等材料對瀝青進行復合改性，通過瀝青混合料基本性能試驗驗證了改性劑的效果[1][4];孟勇軍研究了納米Ti02、巖瀝青等材料，結果表明復合改性瀝青的針入度指數、軟化點和135 ℃黏度均與Ti02摻量存在相應的關系，且改性瀝青混合料的基本性能均有所改善，但對不同改性材料的摻量需要進一步研究[2];孫培通過對納米Ti02、SBS等材料進行復合改性，分析了混合料的抗疲勞性能、高溫性能及耐老化性能[3];黃維蓉采用膨潤土、插層劑、硅烷偶聯劑等對瀝青進行復合改性，分析不同摻量下復合改性瀝青混合料路用性能變化規律[5];DeMelo J.V.S.等研究了碳納米管改性瀝青混合料的流變性能和抗永久變形能力，并進行了相應的指標分析[6]。

本文通過優選納米ZnO材料，與SBS相結合對瀝青進行復合改性，嘗試獲取良好的瀝青性能。因此，首先制備不同納米ZnO、SBS摻量的納米復合改性瀝青，依據初步優化復合改性瀝青結合料的基本摻量，通過高溫性能、剪切性能、低溫抗裂性能和水穩定性能對其進行綜合分析，以評價納米ZnO復合改性瀝青的路用效果。

1 原材料及方案

1.1 原材料選擇

基質瀝青為中海油AH-70號瀝青（見表1），SBS改性劑為岳陽石化公司生產（線型YH-791）。陜西中科納米材料股份有限公司生產的納米ZnO，外觀為淡黃色粉末，ZnO含量（質量分數）為95.24%。

1.2 瀝青混合料試驗方案設計

依據前期相關研究成果，文中直接采用3.5%納米ZnO（記為“ZnO”）和3.5%納米ZnO+1%SBS（記為“ZnO/SBS”）的組成結構進行改性瀝青制備，選擇70#基質瀝青（記為“70#”）和SBS（記為“SBS”）改性瀝青進行對比。其中納米復合ZnO改性瀝青制備方案如下：

（1）首先，將基質瀝青加熱至150 ℃～160 ℃，按質量比加入3.5%納米ZnO和3.5%納米ZnO+1%SBS，用高速剪切機在170 ℃～180 ℃、轉速2 000 r/min的條件下攪拌20 min進行初步混溶;其次，調整轉速為4 000～5 000 r/min，剪切45～60 min，保持與攪拌狀態同樣的溫度;最后在120 ℃條件下發育2 h。

（2）瀝青混合料配合比設計采用常規馬歇爾試驗方法進行。采用石灰巖軋制的粗集料、石灰巖軋制的機制砂和石灰巖礦粉，選用AC-20型級配配置瀝青混合料，混合料級配見表2。

2 高溫性能分析

2.1 抗車轍性能

采用優選出的納米復合ZnO改性瀝青方案制備改性瀝青混合料，并成型5 cm厚度的車轍板試件。車轍試驗依據“JTG E20-2011”中的方法進行[7]，四種不同類型瀝青混合料車轍試驗結果見圖1～2。

圖1、圖2描述了四種不同類型瀝青混合料抗車轍試驗的結果，具體分析如下：

（1）改性瀝青混合料的抗車轍能力均優于基質瀝青，而單獨采用納米ZnO改性的瀝青混合料與SBS相接近，采用納米ZnO/SBS復合改性的抗車轍能力最佳。四種瀝青混合料車轍變形深度關系為：ZnO/SBS

（2）動穩定度結果顯示納米復合ZnO/SBS的值為6 210次/mm，SBS和ZnO的值分別為4 480次/mm和4 538次/mm，與70#瀝青相比，分別提高了約114.1%、54.5%、56.5%。這說明納米ZnO材料能夠顯著提高混合料的高溫性能，且與SBS改性劑具有一定的相容性和交聯效果。與基質瀝青相比，納米ZnO能夠改善瀝青的內部結構，促進瀝青表面粘聚力增強，與集料的粘附作用增加，故瀝青混合料的高溫性能改善顯著。

2.2 SPT剪切性能

利用Interlaken公司生產的簡單性能試驗機，依據NCHRP9-19提出的動態模量試驗方法評價瀝青混合料的高溫性能。試驗選擇標準參數，即溫度為60 ℃，圍壓為138 kPa，加載頻率為5 Hz，軸向壓力為0.7 MPa。試驗結果見圖3～5。

由圖3可以看出：四種瀝青混合料的動態模量評價指標K（K=E*/sin[WTBX]，表示材料在一定荷載作用下抵抗變形的能力，K值越大，表明材料的抵抗變形的能力越強）的變化規律為：ZnO/SBS>ZnO>SBS>70#，這與車轍動穩定度的變化規律基本一致。其中，ZnO/SBS的K值為3 091 MPa，提高了233%（與70#瀝青相比），而ZnO的K值略高于SBS瀝青混合料。

采用動態模量評價指標K對四種瀝青混合料的高溫性能辨析程度高于動穩定度和車轍深度評價指標，尤其對于ZnO和SBS瀝青混合料而言更是如此。

流變次數Fn、流變時間Ft其值越大，瀝青混合料發生蠕變破壞的幾率越小，混合料的高溫抗剪能力越佳。由圖4、圖5可以看出：納米復合ZnO/SBS瀝青混合料的Fn和Ft值遠高于其他3種瀝青混合料，這與上述動穩定度指標、動態模量指標顯示結果相一致。其中，對于SBS和ZnO瀝青混合料，Fn和Ft的顯示規律不一致，但二者均值相近，說明采用納米ZnO單一改性瀝青，其基本性能需要進一步研究，且通過添加SBS改性劑能夠顯著提高高溫抗剪性能。因此，建議針對SBS和納米ZnO在瀝青結構中的相互作用開展微觀試驗進行深入分析。

3 低溫抗裂性能分析

研究采用小梁彎曲試驗評價混合料低溫性能，試驗基本參數依據“JTG E20-2011”，溫度為-10 ℃。試驗結果見表3。

對表3數據進行分析可知：

（1）采用納米復合ZnO/SBS材料顯著改善了70#基質瀝青的低溫抗裂性能，其抗彎拉強度、最大破壞彎曲應變指標均顯著提高。抗彎拉強度和最大破壞彎曲應變數值越大，代表瀝青混合料低溫破壞時需要的變形力越大，其抗變形能力和應力松弛能力越強。四種瀝青混合料的最大破壞彎曲應變關系為：ZnO/SBS>SBS>ZnO>70#，分別提高了約35.7%、23.0%和16.8%（與70#瀝青相比）。

（2）納米復合ZnO/SBS改性瀝青混合料應變值遠高于規范要求（>2 800），說明采用該方法能夠有效達到改性瀝青應用的基本要求，尤其涉及到低溫環境區域時。這是因為納米ZnO材料通過與瀝青相結合，均勻分布在瀝青內部結構，改善了瀝青的粘聚性，增強了低溫條件下的柔韌性。

4 水穩定性能分析

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價混合料的抗水損害能力，殘留穩定度和劈裂強度試驗結果見表4和表5。

對表4和表5進行分析可知：

（1）納米ZnO材料能夠顯著改善70#瀝青的抗水損害能力。尤其與SBS改性劑復合應用時，其混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度（TSR）均達到92%以上，說明混合料的水穩定性能優良。

（2）與SBS改性瀝青相比，采用納米ZnO改性的瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂強度指標顯示不一致，這與最大破壞彎曲應變指標顯示結果相同。說明單獨采用納米ZnO改性并不能完全體現出其優勢，盡管動穩定度指標略高于SBS，但低溫抗裂性能和水穩定性能低于其相應的指標。

（3）依據相關文獻研究成果顯示，納米材料的比表面積大，顆粒微小，通過與瀝青材料相互作用后能夠顯著降低混合料中的自由瀝青的數量，增加結構瀝青的數量，且與集料之間的粘附作用力增強，從而表現出良好的路用性能。

5 結語

（1）納米ZnO材料顯著改善了70#基質瀝青的高溫抗車轍性能，采用復合ZnO/SBS改性的瀝青混合料，其動穩定度和動態模量值最大，且二者的變化規律相一致，分別提高了約114.1%和233%（與70#基質瀝青相比）。同時，采用流變次數Fn和流變時間Ft指標有效驗證了納米復合ZnO/SBS混合料的高溫抗剪性能。

（2）通過添加納米ZnO材料，瀝青混合料的低溫抗裂性能和水穩定性能均得到顯著改善，采用1%SBS改性劑復合改性的瀝青混合料破壞最大彎曲應變、殘留穩定度和凍融劈裂強度值均最大，超出規范要求。

（3）納米復合ZnO/SBS改性瀝青混合料的綜合路用性能均得到顯著改善，而高溫抗車轍能力改善效果最佳（114%），低溫抗裂性能次之（35.7%），抗水損害能力最小（14.5%）。說明采用該方法能夠有效滿足規范要求，為瀝青混合料改性技術的發展提供技術支持。

參考文獻：

[1]孫 璐，辛憲濤，任蛟龍.納米改性瀝青混合料路用性能[J].東南大學學報（自然科學版），2013，43（4）：873-876.

[2]孟勇軍，覃淇鋒.納米復合天然巖改性瀝青及其混合料性能研究[J].西部交通科技，2018（5）：1-6.

[3]孫 培，張洪亮，郭桂宏，等.納米復合改性瀝青混合料路用性能研究[J].建筑材料學報，2016（4）：672-677.

[4]孫 璐，辛憲濤，于 鵬.納米SiO2改性瀝青混合料的路用性能[J].公路交通科技，2013，30（8）;1-5.

[5]黃維蓉.納米層狀硅酸鹽改性瀝青混合料路用性能研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2009，28（1）：56-59.

[6]De Melo J V S，Trichês G.Evaluation of rheological behavior and performance to permanent deformation of nanomodified asphalt mixtures with carbon nanotubes [J ].Canadian Journal of Civil Engineering，2016，43（5）：472-479.

[7]JTG E20-2011，公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程[S].