納米CaCO3/SBR復合改性瀝青及混合料性能研究

關 陽，熊 敏，劉俊斌，王躍虎

(長沙理工大學交通運輸工程學院，長沙 410004)

截止2019年年末，我國公路總里程已達到501.25萬公里，比上年增加16.60萬公里，瀝青路面憑借諸多優點在道路建設中發揮著不可替代的作用。SBR改性瀝青由于經濟成本低、低溫性能良好在年平均氣溫較低的地區應用較多，由于其高溫穩定性不足，限制了SBR改性瀝青的進一步推廣。納米材料是三維中至少有一維尺寸在0～100 nm之間的晶體，具有小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等諸多優點，將其加入瀝青中可充分發揮納米材料的尺寸優勢，從微觀角度改變瀝青內部結構，進而提升瀝青的各種宏觀性能[1-6]。納米CaCO3由于價格低廉、研究技術成熟而受到廣泛關注，馬峰[7]對納米CaCO3改性瀝青進行研究，結果表明納米CaCO3加入基質瀝青后可與基質瀝青形成穩定體系，有效提高改性瀝青的高溫性能。張榮輝[8]等將納米CaCO3加入橡膠改性瀝青中進行復合改性，研究結果表明復合改性瀝青的高溫性能得到明顯改善，對其低溫性能影響不大。劉大梁[9]對納米CaCO3/SBS復合改性瀝青進行室內試驗，結果表明納米CaCO3可有效提升SBS改性瀝青的高溫性能，低溫韌性也略有改觀。Han[10]等將納米CaCO3與SBS進行復合改性，試驗結果表明其高溫性能有較大改善，低溫性能仍不理想。陳正偉[11]采用高速剪切的方法制備納米CaCO3/TiO2/SBR復合改性瀝青，室內試驗表明最佳改性劑摻量下復合改性瀝青具有較強的高溫抗車轍能力，且低溫性能與抗老化性也有顯著提升。

現有研究結果表明納米CaCO3對基質瀝青與改性瀝青的高溫性能具有明顯改善作用，鑒于SBR改性瀝青的低溫性能較為突出而高溫性能較弱，該文將納米CaCO3微粒加入SBR改性瀝青中制得納米CaCO3/SBR復合改性瀝青，通過三大指標試驗、高溫穩定性試驗、低溫抗裂性試驗及水穩定性試驗，探究納米CaCO3的加入對SBR改性瀝青的性能影響。

1 原材料與試樣制備

1.1 原材料

1)基質瀝青及集料

該文研究過程中使用東海牌70#瀝青作為基質瀝青，各項技術指標如表1所示。粗集料及細集料為河南新鄉某石料廠提供的石灰巖，尺寸規格為0～2.36 mm，礦粉由石灰巖研磨而成。

表1 基質瀝青技術指標

2)納米CaCO3

選用山東海澤納米碳酸鈣有限公司生產的納米CaCO3微粒，外觀為白色粉末，尺寸為15～40 nm，比表面積大于50 m2/g。納米CaCO3尺寸小、表面活性大，未經處理就加入基質瀝青中容易引起材料團聚，不能達到良好的分散效果，因此在試驗中選用硅烷偶聯劑、乙醇、乙酸的混合溶液對納米CaCO3進行表面處理。

3)SBR

SBR改性劑為岳陽石油化工生產，呈白色顆粒狀，具有較好的撕裂強度與扯斷伸長率。

1.2 試樣制備

1)SBR改性瀝青

將基質瀝青加熱至熔融狀態，加入4%(瀝青質量)SBR，以1 000 r/min轉速對其進行攪拌20 min，達到溶脹狀態后，采用高速剪切儀以5 000 r/min轉速剪切30 min，即得到SBR改性瀝青。

2)納米CaCO3/SBR改性瀝青

將基質瀝青加熱至熔融狀態，在6 000 r/min轉速下加入4%納米CaCO3，剪切30 min后加入4%SBR繼續剪切30 min，隨后在2 000 r/min轉速下低速剪切60 min，即可制得納米CaCO3/SBR改性瀝青。

3)瀝青混合料

分別采用基質瀝青、SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青制備連續密級配AC-13瀝青混合料，級配范圍如表2所示，經過馬歇爾試驗法確定SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

表2 瀝青混合料級配表 /%

2 性能研究

2.1 改性瀝青性能研究

分別對基質瀝青、SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青進行三大指標試驗，試驗結果如表3所示。

表3 改性瀝青三大指標性能試驗

由表3可知，SBR改性瀝青、納米CaCO3/SBR改性瀝青各項性能較基質瀝青均有明顯提升。與基質瀝青相比，SBR改性瀝青軟化點略有上升，延度大幅度增大，針入度也明顯減小，說明SBR改性劑可明顯改善瀝青低溫性能，對其高溫性能提升不明顯。加入納米CaCO3后，復合改性瀝青軟化點與SBR改性瀝青相比提升約19.7%、與基質瀝青相比提升約23.0%，同時針入度減小、延度也得到明顯提升，表明在基質瀝青中加入納米CaCO3及SBR改性劑可使改性瀝青的高溫性能及低溫性能得到明顯改善。

2.2 改性瀝青混合料性能研究

1)高溫穩定性

分別對SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進行高溫車轍試驗，測定在荷載作用下的動穩定度，具體試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的動穩定度雖均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)，但SBR改性瀝青混合料的動穩定度僅略大于規范中規定的2 800 次/mm，仍不能廣泛適用于高溫地區[12]。與SBR改性瀝青混合料相比，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料動穩定度有較大增長，由2 957 次/mm增長至4 528 次/mm，增幅約53.1%，說明在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3可有效提升改性瀝青混合料在高溫下抵抗車轍的能力。

2)低溫彎曲試驗

改性劑對瀝青混合料高溫性能的提升總是會伴隨著低溫性能的下降，高溫抗車轍性能與低溫抗裂性俱佳才能保證其瀝青混合料有良好的路用性能，因此在-10 ℃下對SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，檢測在低溫條件下瀝青混合料的抗裂性能，具體試驗結果如表4所示。

表4 低溫彎曲試驗結果

由表4可知，在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3使瀝青混合料的抗彎拉強度與最大破壞彎拉應力變小，表明與SBR改性瀝青混合料相比，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂性能有所下降，對比現行規范，復合改性瀝青混合料的低溫性能仍可滿足大部分地區使用。

3)水穩定性

瀝青路面水損害一直是導致路面及路基破壞的重要原因，為確保納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料具有良好的水穩定性，分別對SBR改性瀝青混合料、納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料進行水穩定性試驗，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，納米CaCO3/SBR改性瀝青混合料的殘留穩定度及凍融劈裂強度比均大于SBR改性瀝青混合料，表明在SBR改性瀝青混合料中加入納米CaCO3可有效提升瀝青混合料的水穩定性，具有一定抵御水損害的能力。

3 結 論

為探究納米CaCO3與SBR改性劑對瀝青及瀝青混合料的協同作用，試驗制備SBR改性瀝青及納米CaCO3/SBR改性瀝青及相應的瀝青混合料。結果表明，在SBR改性瀝青中加入納米CaCO3可明顯提升改性瀝青的高溫性能，在瀝青混合料高溫穩定性及水穩定性方面，納米CaCO3可有效改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能及抵御水損害的能力，對其低溫抗裂性作用效果不理想，但仍滿足規范要求。