納米ZnO/TiO2 對SBS 改性瀝青路用性能的影響研究

■吳冬生

(蘇交科集團股份有限公司， 南京 210017)

隨著國家基礎設施建設的加大投入，道路建設進程也在不斷加快，瀝青路面作為當前最廣泛采用的路面類型，具有行車舒適性好、易養護維修等諸多優勢特點，但也存在部分路用性能較差，使用性能不足，早期破壞等缺點。 道路路用性能的好壞直接受路面瀝青材料的影響，因此，必須保證路面瀝青材料具備良好的使用性能，以滿足日益發展的現代交通需求[1-2]。 近些年，SBS 改性瀝青以其較好的路用性能被廣泛用于道路建設中，雖然SBS 改性瀝青的各方面性能均有一定程度的改善和提升，但仍存在較多的問題，SBS 改性瀝青一般是采用高速剪切的方式與基質瀝青以物理作用相溶合在一起，且兩者的溶解度參數有較大差別， 高溫儲存穩定性較差，對于瀝青性能的發揮具有一定的影響[3]。 研究表明，SBS 改性劑的顆粒粒徑愈小，其比表面積及表面自由能愈大，分散性就會更加均勻，改性瀝青性能可以得到更大的發揮。 如何提高SBS 在瀝青中的分散性成為研究學者的一項重要研究課題[4]。

研究發現，納米材料作為一種新型的瀝青改性劑，具有很好的物理力學性質，將納米材料用于瀝青改性可以改善瀝青的路用性能，且納米材料可大規模工業化生產、價格便宜，未來將會具有很好的應用前景。 張明祥[5]通過將ZnO 納米材料加入到基質瀝青中，研究了ZnO 改性瀝青及其混合料的各方面性能，結果發現ZnO 可改善和增強瀝青混合料的高溫性能、抗水損害及抗老化性能。 Jahromi 等[6]研究了粘土類納米改性瀝青混合料的路用性能，發現納米粘土能夠改善混合料的水穩定性和抗高溫性能。 肖鵬等[7]利用納米ZnO 與SBS 改性劑復摻對極致瀝青進行改性處理，運用微觀和宏觀技術手段研究了改性劑的改性機理和改性瀝青混合料的路用性能， 結果發現，SBS 改性劑與瀝青結合只是物理上的相混， 而納米ZnO 會與瀝青發生化學反應生成新的物質結構物， 并促進了SBS 改性劑在瀝青中的均勻分散性， 這種ZnO 納米改性劑能夠提高SBS 改性瀝青的高溫抵抗變形性能、 低溫抗開裂能力及抗老化特性。張文剛[8]通過室內試驗研究了TiO2納米改性劑加入SBS 改性瀝青后的性能效果， 發現TiO2可明顯改善瀝青的抗紫外線老化能力。 結合已有研究，本文擬利用ZnO 和TiO2兩種納米改性劑結合摻入SBS 改性瀝青中， 通過瀝青及混合料路用性能試驗研究其改性效果。

1 原材料性能

試驗采用廣東某瀝青有限公司產的SBS-I-D改性瀝青，其各項技術性能均滿足規范要求，見表1。納米材料采用江蘇某化工有限公司研制的ZnO 和TiO2納米改性劑，2 種改性劑的技術指標見表2。

表1 SBS-I-D 改性瀝青技術性能

表2 2 種納米改性劑技術指標

粗集料采用廣西某石料加工廠的石灰巖，細集料采用石灰巖機制砂， 填料采用石灰巖磨細的礦粉。 各集料的物理指標見表3。

表3 各集料物理指標測試結果

2 納米ZnO/TiO2 改性劑摻量確定

2.1 納米ZnO/TiO2/SBS 復配方案

納米材料ZnO 和TiO2均可改善SBS 改性瀝青的高溫穩定性和抗老化特性，結合已有研究成果并考慮其改性效果和經濟成本，2 種納米改性劑的摻量分別按3%、4%、5%(ZnO)和1%、2%(TiO2)取值。按正交試驗設計法對2 種納米改性劑進行方案組合設計，如表4 所示。

為使納米材料加入瀝青后不會產生結團，本文選擇硅烷偶聯劑對2 種納米改性劑材料進行表面活化處理， 并使處理后的納米材料保持干燥狀態。納米ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青制備工藝如下：首先將SBS 改性瀝青加熱至160℃并保持熔融狀態，按確定的比例分多次加入2 種納米改性劑材料，在加入過程中不斷用玻璃棒進行勻速攪拌，溫度保持在165℃左右， 然后利用高速剪切儀以5000 r/min的剪切速率高速剪切40 min， 最終得到ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青。

表4 2 種納米改性劑摻量組合方案

2.2 納米ZnO/TiO2 最佳摻量

按上述復合改性瀝青制備工藝將6 種組合方案的改性瀝青分別進行瀝青三大指標性能試驗，得到試驗結果見表5 及圖1～3。

表5 各組合方案瀝青三大指標性能試驗結果

圖1 各組合方案的針入度大小

圖2 各組合方案的軟化點大小

圖3 各組合方案的延度大小

從圖1～3 可見， 納米材料加入SBS 改性瀝青后，瀝青的針入度呈減小趨勢，軟化點和延度逐漸增大，且瀝青三大指標性能基本都是在試驗號3(即ZnO 摻量為4%、TiO2摻量為1%)之后針入度、軟化點和延度減小或者增大的幅度開始變緩。 從成本和改性效果綜合考慮采用ZnO 摻量為4%、TiO2摻量為1%作為最佳改性劑摻量。

3 復合改性瀝青混合料路用性能

3.1 混合料配合比設計

用于瀝青混合料路用性能試驗的礦料級配選取AC-13 型級配，礦料共分為4 檔，分別為10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm=30∶38∶28∶4， 其礦料合成級配如表6。

表6 AC-13 礦料級配

根據合成級配，初步估算SBS 改性瀝青混合料的油石比為5.2%， 按0.3%間隔兩側各取2 組油石比， 得到5 組油石比即4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%。根據油石比分別制作試件并進行馬歇爾試驗得到了不同油石比下的流值、穩定度，以及空隙率、密度等參數，最終計算出SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比為5.1%。 按同樣方法得到ZnO/ TiO2/SBS復合改性瀝青的最佳油石比為5.2%。

3.2 高溫穩定性

采用國內常用的車轍試驗對ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青的高溫性能進行試驗評價，并以SBS 改性瀝青作為對照組，試驗溫度為60℃。 試驗結果如表7 所示。

從表7 可知，SBS 改性瀝青中摻入納米ZnO 和TiO2后45～60 min 的車轍變形量明顯減小， 且動穩定度相對SBS 改性瀝青提高了48.3%。 說明納米材料ZnO 和TiO2顯著提升了SBS 改性瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

表7 車轍試驗結果

3.3 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗對ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青的低溫抗裂性能進行試驗評價，并以SBS改性瀝青作為對照組，試驗溫度為-10℃。 試驗結果如表8 所示。

表8 低溫彎曲試驗結果

從表8 可知： 相比于SBS 改性瀝青而言，ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度有所增加，彎拉應變增加了5.8%，勁度模量減小了7.5%。 說明加入納米材料后瀝青與集料的粘結力增強，低溫下抵抗破壞時的強度增加，減小了瀝青的脆硬程度，提高了低溫變形時的彈性恢復能力，使SBS 改性瀝青混合料的低溫性能更加優越。

3.4 抗水損害性能

采用國內推薦用于評價瀝青混合料抗水損害性能的試驗方法： 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，檢驗加入ZnO 和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的水穩定性是否得到提升，以試樣浸水前后的殘留穩定度及凍融前后的劈裂強度比作為評價指標，以SBS 改性瀝青作對比。 試驗結果見表9～10。

表9 浸水馬歇爾試驗結果

表10 凍融劈裂強度試驗結果

從表9、10 可以發現，加入納米材料后，SBS 改性瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別提高了4.9%、7.3%，說明ZnO 和TiO22 種納米改性劑能改善SBS 改性瀝青的抗水損害能力。

3.5 抗疲勞性能

瀝青路面在溫度應力與車輪荷載的重復作用下，會在內部產生累積損傷，使路面結構的強度發生衰減。 當荷載重復作用超過一定次數時，會使路面產生疲勞開裂。 疲勞破壞已成為當前我國瀝青路面的主要破壞形式之一。 以SBS 改性瀝青作為對比， 通過對摻加ZnO 和TiO2的SBS 改性瀝青混合料進行四點彎曲疲勞性能試驗。 試驗選擇5 個應力比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8， 疲勞試驗結果見表11，不同應力比下的疲勞壽命如圖4 所示。

表11 四點彎曲疲勞試驗結果

圖4 不同應力比下的疲勞壽命次數

從表11 可知，摻入ZnO 和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的抗疲勞破壞強度提高了22.9%，說明納米材料能夠促進SBS 改性瀝青具有更大的抗疲勞開裂性能， 主要由于加入ZnO 和TiO2后瀝青的表面能增強， 微小的納米顆粒吸收瀝青中的輕質組分，并均勻分散于瀝青中，使瀝青分子間形成一種穩定性較強、結構強度較大的體系，使瀝青能夠與集料具有更好的結合力以抵抗外界荷載；從圖4 疲勞壽命次數可看出，2 種瀝青混合料的疲勞壽命次數隨著應力比的增加不斷減少，同一種應力比下摻入ZnO 和TiO2后瀝青的疲勞壽命次數明顯增加；說明納米材料ZnO 和TiO2能夠改善SBS 改性瀝青的抗疲勞性能，減少了瀝青路面因疲勞開裂而產生的破壞。

4 結論

通過對ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青混合料的路用性能進行試驗研究，得出以下結論：

(1) 通過對ZnO/TiO2/SBS 復合改性瀝青進行瀝青三大指標性能測試，并綜合考慮納米材料改性效果及經濟成本等因素確定了2 種納米材料的最佳用量為ZnO 摻量4%、TiO2摻量1%。

(2) 通過車轍試驗結果發現加入納米ZnO 和TiO2后車轍變形量減小， 動穩定度提高了48.3%；ZnO 和TiO2能顯著提高SBS 改性瀝青混合料的抗高溫變形性能。

(3)通過低溫彎曲試驗結果發現，ZnO 和TiO2能夠提升SBS 改性瀝青混合料的抗彎拉強度和彎拉應變，降低了低溫脆性；使瀝青混合料在低溫下具有更大的抵抗破壞強度，提高了低溫性能。

(4) 通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂強度試驗結果發現，加入納米材料后混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度都有一定提升， 分別提高了4.9%、7.3%，ZnO 和TiO2明顯改善SBS 改性瀝青的水穩定性。

(5)通過四點彎曲疲勞試驗結果發現，摻入ZnO和TiO2后SBS 改性瀝青混合料的抗疲勞破壞強度提高了22.9%，瀝青的疲勞壽命次數明顯增加；說明ZnO 和TiO2可增強瀝青路面的抗疲勞開裂性能。