納米SiC改性瀝青及其混合料性能研究

江 鋒

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051)

納米材料由于其比表面積大，具有良好的表面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)，能夠從微觀尺度上改善瀝青的各項(xiàng)性能。因此，近年來通過添加納米材料改善瀝青性能的研究已越來越多[1-6]。陳淵召等[7]通過制備不同納米氧化鋅摻量的瀝青混合料并進(jìn)行室內(nèi)路用性能試驗(yàn)，證明了4%納米氧化鋅摻量能夠明顯改善瀝青混合料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性能，并總結(jié)提出了基質(zhì)瀝青與納米氧化鋅之間的共熔體系理論。Hossein Nazari等人[8]通過添加納米TiO2對瀝青進(jìn)行改性，試驗(yàn)結(jié)果表明：與基質(zhì)瀝青混合料相比，添加適量的納米TiO2可以有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能以及疲勞性能。Mehmet Saltan等人[9]通過試驗(yàn)證明適量的納米SiO2同樣可以有效改善瀝青的流變性能、提升瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。程永春等[10]通過試驗(yàn)證明，納米TiO2/CaCO3和玄武巖纖維復(fù)合作用可以大幅提高瀝青的熱力學(xué)性能，對瀝青混合料的抗永久變形能力的提高起顯著作用。

目前，常用于改善瀝青性能的納米材料種類主要有ZnO、TiO2、SiO2等[11]，然而將同樣具有優(yōu)良性能的納米SiC材料應(yīng)用于改善瀝青性能方面國內(nèi)外仍鮮有研究[12]。鑒于此，該文采用高速剪切儀制備6種不同納米SiC材料摻量改性瀝青，通過DSR試驗(yàn)(即瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn))及BBR試驗(yàn)(即彎曲蠕變勁度試驗(yàn))確定納米SiC材料摻量對基質(zhì)瀝青性能的改善效果，優(yōu)選2組綜合性能較好時(shí)所對應(yīng)的納米SiC材料摻量進(jìn)行瀝青混合料路用性能試驗(yàn)對比分析，最后通過紅外光譜試驗(yàn)從微觀角度對納米SiC材料改性瀝青機(jī)理進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)材料及混合料級配

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用納米SiC材料由宇航金屬材料有限公司提供，基質(zhì)瀝青采用的是殼牌70號基質(zhì)石油瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 納米SiC技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

粗集料選取10～20 mm、5～10 mm、3～5 mm石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為0～3 mm機(jī)制砂，礦粉采用石灰石礦粉。依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對粗、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 集料基本性能指標(biāo)

1.2 納米SiC改性瀝青的制備及摻量確定

1.2.1 納米SiC對瀝青三大指標(biāo)的影響

采用高速剪切儀進(jìn)行納米SiC改性瀝青的制備，具體工藝如下：控制剪切速度為2 000 r/min，攪拌20 min后，將剪切速度提升至7 000 r/min高速剪切40 min，制備過程全程控制溫度在(160±2)℃范圍內(nèi)。為確定納米SiC最佳摻量，分別以2%、4%、6%、8%、10%共5種不同摻量進(jìn)行瀝青改性試驗(yàn)。以0摻量基質(zhì)瀝青為對照，利用瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度三大指標(biāo)對納米SiC改性瀝青性能進(jìn)行綜合分析，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同納米SiC摻量改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

通常認(rèn)為針入度越低，表明瀝青黏性越強(qiáng)，對機(jī)械施工越有利；軟化點(diǎn)越高，表明瀝青熱穩(wěn)定性能越好；延度越大，則表明瀝青低溫性能越好。由表3可以看出隨著納米SiC摻量的不斷增加，改性瀝青的針入度不斷減小，軟化點(diǎn)不斷增加，延度則呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)。其中，當(dāng)納米SiC摻量為4%時(shí)，改性瀝青較基質(zhì)瀝青針入度降低了7.5%，軟化點(diǎn)提高了6%，延度增加了3.6%。

試驗(yàn)表明：摻入適量的納米SiC可以有效提升瀝青的各項(xiàng)性能，初步分析其原因一方面在于納米SiC比表面積較大，能夠有效吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，從而降低瀝青的溫度敏感性；另一方面在于納米SiC具有較高的表面活化能，能夠與瀝青有效地結(jié)合，從而使瀝青性能有所提升。然而納米SiC屬于無機(jī)剛性納米粒子，受力也不會產(chǎn)生較大的變形。因此在受拉狀態(tài)下，當(dāng)納米SiC含量較高時(shí)，納米粒子與瀝青會發(fā)生脫黏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而造成瀝青出現(xiàn)脆斷，這也是改性瀝青延度隨納米SiC摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象的主要原因。

1.2.2 納米SiC對瀝青高溫性能的影響

目前，國內(nèi)外用于瀝青高溫穩(wěn)定性測試試驗(yàn)方法主要為DSR試驗(yàn)，該試驗(yàn)利用動態(tài)剪切流變儀，采用應(yīng)變控制模式，在不同溫度條件下，控制剪切速率為10 rad/s對原樣瀝青動態(tài)剪切試驗(yàn)，并以經(jīng)RTFOT(即旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn))后殘留瀝青在相同條件下試驗(yàn)結(jié)果為對比，以車轍因子為主要評價(jià)指標(biāo)，分析不同納米SiC摻量對瀝青熱氧老化的影響規(guī)律。

同一溫度條件下，原樣瀝青及經(jīng)RTFOT老化后的瀝青隨著納米SiC的摻量不斷提高，對應(yīng)的車轍因子均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中以納米SiC摻量為4%時(shí)車轍因子提高最為顯著。納米SiC摻量4%時(shí)，隨溫度提升(溫度分別為58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃)，車轍因子提高幅度依次約為20%、14.4%、52.9%、112.5%，經(jīng)RTFOT老化后瀝青車轍因子提高幅度依次約為9.5%、16%、38.8%、92.5%。這一結(jié)果證明納米SiC可以有效增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的高溫抗流變性能，提高其高溫穩(wěn)定性。

1.2.3 納米SiC對低溫性能的影響

彎曲梁蠕變試驗(yàn)(BBR)常用于測定瀝青的低溫性能，通過試驗(yàn)所測得彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m可以真實(shí)反映出瀝青的抗裂性能的好壞。采用BBR試驗(yàn)，分別在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃溫度條件下，對不同納米SiC摻量改性瀝青進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同納米SiC摻量改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，相同溫度條件下，瀝青蠕變勁度模量隨納米SiC摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而蠕變速率m則隨納米SiC摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。但相較于基質(zhì)瀝青，摻入納米SiC瀝青蠕變勁度模量均有所減小，蠕變速率則有所增大，表明摻入納米SiC可以改善瀝青的低溫抗裂性能。這是由于當(dāng)溫度下降，瀝青材料發(fā)生收縮時(shí)，納米SiC通過與瀝青的有效結(jié)合，抵消了一部分溫縮應(yīng)力，從而降低了瀝青的勁度，降低了低溫開裂的可能性。

1.3 混合料級配及最佳油石比的確定

采用AC-20型級配，具體級配結(jié)果見表6。通過馬歇爾試驗(yàn)分別確定不同納米SiC摻量條件下所對應(yīng)的瀝青混合料最佳油石比。表7為不同納米SiC摻量條件下所測得的最佳油石比及其對應(yīng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。

表6 級配通過率

表7 馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)

從表7可以看出，納米SiC的摻入對瀝青混合料的最佳油石比影響不大，對最佳油石比條件下的密度影響也較小，表明納米SiC的摻入對瀝青混合料的和易性影響不大。

2 納米SiC改性瀝青混合料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

針對瀝青混合料高穩(wěn)定性能的評價(jià)試驗(yàn)最常用的是車轍試驗(yàn)，該試驗(yàn)采用鋼輪往復(fù)碾壓車轍板試件模擬實(shí)際路面受力狀態(tài)，通過60 ℃環(huán)境下，鋼輪碾壓45 min與60 min后試件的變形量測算其動穩(wěn)定度，用以評價(jià)瀝青混合料的高溫抗車轍能力。采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的測試，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 車轍試驗(yàn)性能指標(biāo)

從表8可以看出，納米SiC可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力。相較于基質(zhì)瀝青，隨著納米SiC摻量的提高，對應(yīng)的混合料動穩(wěn)定度提高量依次為525、1 081、691、375、239。提高量先增大后減小，其中以4%納米SiC摻量動穩(wěn)定度提高幅度最大，約為34.3%，這一結(jié)果同時(shí)也證明了瀝青膠漿高溫流變性能與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能之間具有良好的相關(guān)性。

2.2 水穩(wěn)定性

為研究納米SiC對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，該文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)共同評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)指標(biāo)

從表9可以看出，納米SiC對瀝青混合料抗水損害性能仍具有一定的改善效果，5種不同摻量較基質(zhì)瀝青殘留穩(wěn)定度提高幅度依次為2.4%、7.9%、10.7%、7.5%、3%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高幅度依次約為1.4%、9.5%、10.2%、8.1%、2.2%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要得益于納米SiC較高的表面能，其與瀝青之間的范德華力大幅度提高了瀝青的內(nèi)聚力，從而增加了瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的含量，表現(xiàn)為瀝青混合料水穩(wěn)定性能得以改善。

2.3 低溫抗裂性

采用低溫彎曲梁試驗(yàn)評價(jià)納米SiC對瀝青混合料低溫性能的影響效果，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 低溫彎曲試驗(yàn)性能指標(biāo)

從表10可以看出，隨納米SiC摻量的增大，抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但均較基質(zhì)瀝青要高，表明納米SiC對瀝青混合料低溫抗裂性能具有一定程度的改善作用。該試驗(yàn)結(jié)果與瀝青延度試驗(yàn)及BBR試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，表明三者之前存在一定的相關(guān)性。從抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變增幅方面來看，當(dāng)納米SiC摻量為4%時(shí)增幅最大，分別為11%與13.6%。通常情況下，瀝青勁度模量主要由瀝青黏度和溫度敏感性決定，納米SiC能夠與瀝青產(chǎn)生良好的界面效應(yīng)，從而提高瀝青黏度，降低其溫度敏感性，表現(xiàn)為抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變的提高，呈現(xiàn)出更好的低溫抗裂性能。

3 納米SiC改性瀝青共混機(jī)理分析

3.1 瀝青四組分分析

通常認(rèn)為瀝青主要由瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分四組分構(gòu)成，四組分含量的變化直接影響瀝青的各項(xiàng)性能?，F(xiàn)代膠體理論認(rèn)為，瀝青質(zhì)屬于分散相，飽和分和芳香分(統(tǒng)稱油分)屬于分散介質(zhì)，膠質(zhì)則主要起膠溶作用，將分散相的膠核溶于油分介質(zhì)中，形成膠團(tuán)。而納米SiC的加入，將直接導(dǎo)致瀝青四組分含量的變化，一部分納米SiC吸附瀝青中的輕質(zhì)油分并于膠質(zhì)結(jié)合，起到瀝青質(zhì)的作用，從某種意義上使瀝青質(zhì)含量增大，提升瀝青的黏度、稠度以及軟化點(diǎn)，使瀝青整體表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性能。

3.2 紅外吸收光譜分析

紅外吸收光譜試驗(yàn)主要原理是利用不同化學(xué)結(jié)構(gòu)對不同波數(shù)的紅外光的吸收程度不同，通過分析透過物質(zhì)的紅外光束的波長及透過率，達(dá)到測定物質(zhì)存在的主要化學(xué)官能團(tuán)及結(jié)構(gòu)的目的。分別對基質(zhì)瀝青及4%納米SiC摻量改性瀝青進(jìn)行紅外吸收光譜試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果匯總繪制如圖1所示。

3.3 SEM分析

分別對基質(zhì)瀝青與納米SiC改性瀝青進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從掃描電鏡圖可以看出基質(zhì)瀝青斷面較為平整、光滑，物質(zhì)組成較為單一，幾乎不含其它雜物，呈現(xiàn)較為理想的均勻?yàn)r青相。從納米SiC改性瀝青掃描電鏡圖可以看出，納米SiC顆粒在基質(zhì)瀝青中分布較為均勻，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，且納米SiC顆粒與瀝青之間沒有明顯的分界面，表明納米SiC與瀝青之間具有良好的相容性，瀝青中部分輕質(zhì)油分被納米SiC吸收使得二者之間結(jié)合力更強(qiáng)，形成連續(xù)相，宏觀表現(xiàn)為其高溫穩(wěn)定性能提升。

3.4 納米SiC與瀝青的共混分析

納米SiC比表面積較大，其表面能也較大，納米SiC顆粒與瀝青之間的吸附作用，使納米粒子與瀝青基體存在較強(qiáng)的范德華力，這一物理作用使瀝青表現(xiàn)出更好的高低溫性能。

在化學(xué)反應(yīng)方面，納米SiC與瀝青之間僅存在極為微弱的化學(xué)反應(yīng)，新的化學(xué)鍵產(chǎn)生量較少，因此可以認(rèn)為納米SiC在化學(xué)角度上對瀝青的改善作用并不明顯。

4 結(jié) 論

a.根據(jù)2%、4%、6%、8%、10%5種不同納米SiC摻量改性瀝青的DSR與BBR試驗(yàn)結(jié)果，可以看出摻入納米SiC對基質(zhì)瀝青的高溫、低溫性能均有所提升。

b.根據(jù)5種不同摻量瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果，證明納米SiC可以有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力、抗水損害能力以及低溫抗裂性能。

c.納米SiC摻量為4%時(shí)，其對應(yīng)的瀝青及瀝青混合料均表現(xiàn)出最優(yōu)的性能，表明瀝青性能與瀝青混合料性能具有良好的相關(guān)性。

d.4%納米SiC摻量改性瀝青車轍因子提高約52.9%，動穩(wěn)定度提高約34.3%，殘留穩(wěn)定度提高約10.7%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高約10.2%，抗彎拉強(qiáng)度提高約11%。這一結(jié)果表明4%納米SiC摻量不僅能夠改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能以及低溫性能，同時(shí)還能夠大幅度提升其高溫穩(wěn)定性能。

e.通過紅外吸收光譜試驗(yàn)對基質(zhì)瀝青與納米SiC改性瀝青進(jìn)行微觀分析可知，納米SiC與基質(zhì)瀝青之間化學(xué)反應(yīng)較弱，其主要共混形式以物理結(jié)合為主。通過SEM試驗(yàn)可知，納米SiC與基質(zhì)瀝青之間具有良好的相容性，部分輕質(zhì)油分被納米SiC吸收使得二者之間結(jié)合力更強(qiáng)。