納米CaCO3-SBR復合改性瀝青路用性能研究

李穎,張德寶,杜騰飛

(1.山東理工大學 建筑工程學院,山東 淄博 255049；2.臨淄公路事業服務中心，山東 淄博 255400)

低溫開裂是當前瀝青路面的主要病害之一。對于寒冷地區和晝夜溫差較大地區，溫度驟降導致瀝青路面內部的應力松弛模量逐漸增大，溫度下降產生的累積應力超過了材料本身的極限抗拉強度，從而導致瀝青路面產生開裂[1]，嚴重破壞了瀝青路面的整體性和連續性，降低了路面的使用性能和壽命。

瀝青路面的低溫開裂與瀝青材料的性能密切相關。有研究表明，瀝青結合料的低溫性能及瀝青用量是主要因素。瀝青結合料對低溫抗裂性能的直接貢獻率為80%，混合料的礦料級配的貢獻率僅占20%[2]。為了提高瀝青路面的低溫抗裂性，通常采用聚合物改性瀝青作為道路路面鋪裝材料。目前，道路建設中常用SBS改性瀝青，在顯著提高瀝青混合料高溫穩定性的同時對低溫抗裂性也有一定程度的改善。

納米粒子具有比表面積大的特點，增強了其粒子的表面原子活性，使其極易與其他原子結合形成穩定體系[3-4]。孫璐等對納米材料進行了系統研究，綜合評價了多種納米改性瀝青的路用性能，并對多維數多尺度下納米改性瀝青的路用性能和微觀機理進行了系統研究，結果表明納米改性材料與瀝青具有良好的相容性，且提高基質瀝青的高溫穩定性，但對低溫性能改善效果一般，甚至會導致低溫性能略有下降[5-6]，這也被汪雙節等[7]、詹小麗等[8]、王立志等[9]的研究所證明。因此，本文采用碳酸鈣納米粒子與SBR對基質瀝青進行復合改性，在保證瀝青及其混合料高溫穩定性的同時提高其低溫抗裂性能，并使其具有一定的經濟性，達到較高的綜合性價比。

1 原材料與試驗方法

1.1 基質瀝青

基質瀝青選取AH-70#瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E-20-2011)[7]的要求對基質瀝青的基本性能進行測試，其結果見表1。

1.2 改性劑材料及改性瀝青制備

本文選用碳酸鈣納米粒子和SBR制備復合改性瀝青。碳酸鈣納米粒子、SBR和基質瀝青的比例為0.005∶0.5∶1。通過一次摻配，將一定質量的AH-70#基質瀝青加熱至170～180 ℃進行熔融脫水，按照相應配方的比例加入碳酸鈣納米粒子和SBR，人工攪拌至改性劑均勻溶解于瀝青中。利用轉速為5 000 r/min的AG/AG-S系列高速分散剪切乳化機，控制溫度在170～180 ℃下剪切40 min，即可制備完成。

表1 基質瀝青的主要技術指標Tab.1 Technical indexes of base asphalt

1.3 試驗方法

1.3.1 瀝青膠結料

為了全面評價制備的納米材料-聚合物復合改性瀝青膠結料的低溫性能，通過瀝青膠結料的常規指標低溫延度和當量脆點及SHRP計劃中BBR試驗評價納米瀝青低溫性能，同時，采用針入度指數、當量軟化點、軟化點和135 ℃黏度評價其感溫性能和高溫性能、采用基于旋轉薄膜烘箱的系列老化試驗評價其抗老化性能。

1.3.2 瀝青混合料

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E-20-2011)的相關規定，本文采用-10 ℃條件下小梁低溫彎曲破壞試驗評價納米瀝青混合料低溫抗裂性，采用車轍試驗評價納米瀝青混合料高溫性能，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價納米瀝青混合料水穩定性。

需要說明的是，后文中AH-70#基質瀝青簡稱AH-70、5%SBS改性瀝青簡稱5%B和納米CaCO3-SBR復合改性瀝青簡稱納米瀝青。

2 CaCO3-SBR復合改性瀝青性能

2.1 低溫性能

2.1.1常規低溫性能指標評價

本文用于評價3種瀝青低溫性能的常規指標主要包括：5 ℃延度和當量脆點，試驗結果如圖1所示。

圖1 三種瀝青常規低溫性能指標比較Fig.1 Traditional properties of different asphalt binder at low-temperature

由圖1可知，在5 ℃延度試驗中，AH-70#基質瀝青表現為根部脆斷，而納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的5 ℃延度達到了45.7 cm，為5%SBS改性瀝青的2.7倍，3種瀝青的5 ℃延度的大小排序為納米CaCO3-SBR復合改性瀝青>5%SBS改性瀝青>AH-70#。3種瀝青的當量脆點排序與5℃延度一致，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的當量脆點較AH-70#基質瀝青降低了7.2 ℃，較5%SBS改性瀝青降低了1.7 ℃。5 ℃延度和當量脆點兩種低溫性能常規指標試驗結果表明納米CaCO3-SBR復合體系對基質瀝青低溫抗裂性能的改善最為顯著。

2.1.2 BBR試驗性能指標評價

美國SHRP[10]研究成果提出采用彎曲流變試驗測定瀝青結合料的低溫流變性能，試驗設備為彎曲流變儀(beam bending rheometer，簡稱BBR)，試驗結果如圖2和圖3所示。

圖2 三種瀝青蠕變勁度模量S比較圖 Fig.2 Creep stiffness modulus of different asphalt binders

圖3 三種瀝青蠕變速率m值比較圖Fig.3 Creep rate of different asphalt binders

由圖2—圖3可知，在兩種低溫環境下，3種瀝青的蠕變勁度模量S的大小排序均為：納米CaCO3-SBR復合改性瀝青<5%SBS改性瀝青5%SBS改性瀝青>AH-70#基質瀝青。根據SHRP規范的規定：蠕變勁度模量S越小，則表明瀝青的低溫柔性越大；蠕變速率m值越大，則反映了瀝青結合料越不易積累低溫應力，瀝青路面越不易發生低溫開裂[10]。則在兩種低溫條件下，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的S值分別較基質瀝青減小了17.9%和33.2%，較5%SBS改性瀝青分別減小了15.2%和17.4%；m值較基質瀝青分別提高了21.7%和17.3%，較5%SBS改性瀝青分別提高了5.9%和13.9%。通過S值和m值的比較可以看出，納米瀝青的低溫勁度低，柔韌性好，抵抗低溫開裂的能力最優。

綜上可看出，本研究提出的納米CaCO3-SBR復合改性瀝青具有優越的低溫性能。這是由于納米材料和SBR對基質瀝青的改性均為物理改性，且其二者尺度相差較大(納米級和毫米級)，在與基質瀝青的熔融過程中不會發生相互干擾，都能夠充分發揮各自的作用。SBR能充分發揮了其加筋作用，改善基質瀝青低溫性能的作用，同時，納米材料又能增強SBR表面活性，進一步提升了SBR對基質瀝青在低溫性能方面的改善作用，從而使納米CaCO3-SBR復合改性瀝青表現出卓越的低溫抗裂性。

2.2 其他性能指標評價

2.2.1老化性能指標

3種瀝青的用旋轉薄膜烘箱老化試驗結果如表2所示。

由表2可知：納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的質量損失僅為0.16，殘留針入度為80.7%，老化后延度值高達22.99 cm。從質量損失、殘留針入度比和延度值可以看出，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的抗老化性能均優于基質瀝青和5%SBS改性瀝青，表現了良好的抗老化性能，其老化后的延度值，達到了5%SBS改性瀝青的3倍，表明隨著瀝青材料的老化，納米材料-聚合物改性瀝青仍然保持優良的低溫抗裂性能。

2.2.2 DSR試驗

本文以SHRP規范中提出的車轍因子G*/sinδ作為評價瀝青膠結料高溫穩定性指標，G*/sinδ的值越大，表明抗車轍能力越強[10]，如表3、表4和圖4所示。

表2 三種瀝青老化性能指標比較Tab.2 Aging characteristics of different asphalt binders

表3 三種瀝青的車轍因子 Tab.3 Rutting factor of different asphalt binders

表4 三種瀝青的車轍因子與溫度(T)的回歸方程Tab.4 Regression equation of rutting factor and temperature of different asphalt binders

圖4 三種瀝青的車轍因子與溫度半對數圖Fig.4 Relationship between temperature and rutting factor of different asphalt binders

納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ在88 ℃時，仍在1.0 kPa以上，且在每個溫度等級下對應的車轍因子均略大于5%SBS改性瀝青，在圖5中表現為其車轍因子曲線比基質瀝青和5%SBS改性瀝青的曲線高，說明納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的高溫抗車轍穩定性能優良。曲線lg(G*/sinδ)=At+b的斜率A反映了G*/sinδ對溫度的敏感程度，由表5可知，3種瀝青的A的絕對值大小排序為：AH-70#>5%SBS改性瀝青>納米CaCO3-SBR復合改性瀝青，表明納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的溫度敏感性弱于基質瀝青和5%SBS改性瀝青，其抗高溫車轍永久變形能力隨著溫度升高衰減的慢。

綜上可知，本研究提出的納米CaCO3-SBR復合改性瀝青具有較理想的抗疲勞性能和高溫性能。這是由于納米材料在提升SBR表面活性的同時，還能夠加強基質瀝青分子活性，使基質瀝青-SBR-納米材料形成一個由不同尺度材料分子組成的穩定的多相體系，從而改良改性瀝青整體對于溫度的敏感性和穩定性，使納米CaCO3-SBR復合改性瀝青實現較好的抗疲勞性能和高溫性能。

3 納米材料-聚合物復合改性瀝青混合料路用性能評價

3.1 混合料級配

混合料級配如表5所示，最佳油石比分別為OAC基質= 4.1%，OAC5%B=4.7%，OAC納米=4.4%。

3.2 低溫性能研究

小梁低溫彎曲試驗結果見表6。

表5 礦料級配Tab.5 Aggregate gradation

表6 小梁低溫彎曲試驗結果Tab.6 Low-temperature bending test results

《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)以瀝青混合料低溫彎曲試驗極限破壞應變εB大小作為瀝青混合料低溫抗裂性的評價指標。由表7可知，在試驗溫度為-10 ℃下，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青混合料的極限破壞應變εB最大，達到了4 207.954με，較基質瀝青混合料提高了約1.5倍，較5%SBS改性瀝青混合料提高了約56.15%。納米CaCO3-SBR復合改性瀝青混合料其抗彎拉強度RB高于基質瀝青和5%SBS改性瀝青混合料，分別提高了約70.2%和27.3%；其混合料的彎曲勁度模量最大SB較基質瀝青和5%SBS改性瀝青混合料分別降低了31.7%和18.4%。綜合極限破壞應變εB、抗彎拉強度RB和彎曲勁度模量SB三個指標的比較結果，可以得出3種瀝青混合料的低溫性能優劣次序為：納米CaCO3-SBR復合改性瀝青>5%SBS改性瀝青>AH-70#基質瀝青，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青混合料具有良好低溫抗裂性。

3.3 其他路用性能研究

3.3.1 高溫抗車轍性能

車轍試驗動穩定度結果如表7所示。

表7 車轍試驗結果Tab.7 Rutting test results

3種瀝青混合料的動穩定度排序為：5%SBS改性瀝青>納米CaCO3-SBR復合改性瀝青>AH-70#基質瀝青，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青混合料的動穩定度較AH-70#基質瀝青混合料提高了近3倍，略低于5%SBS改性瀝青混合料。由此可知，納米粒子和SBR微粒在瀝青中形成穩定結構，同時發揮了納米材料和SBR的改善效果，使其在具有良好低溫抗裂性能的同時，增強了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

3.3.2 水穩定性

浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗試驗結果見表8和表9。

表8 浸水馬歇爾試驗結果Tab.8 Soaking residual stability results

表9 凍融劈裂試驗結果Tab.9 Freeze thaw split test results

3種瀝青混合料中，5%SBS改性瀝青混合料的殘留穩定度值和劈裂強度比最優，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青混合料的殘留穩定度和劈裂強度分別為86.84%和87.1%，其水穩定性較基質瀝青提高不明顯，表明納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的抵抗水損害性能有待提高，需要進一步對其進行研究。

4 結論

通過試驗研究和對比分析，可以得到以下結論：

1)由低溫性能指標可知，與AH-70#基質瀝青和5%SBS改性瀝青相比，本文提出的納米CaCO3-SBR復合改性瀝青具備較大的低溫延度、較低的當量脆點、更小的勁度模量S值及更大的蠕變速率m，表明納米CaCO3-SBR復合改性瀝青具有良好的低溫變形能力。通過瀝青混合料低溫小梁試驗可知，其混合料的極限破壞應變最大，具有良好的低溫抗裂性能。

2)納米CaCO3-SBR復合改性瀝青在具有良好的低溫抗裂性的同時，其軟化點、針入度指數PI、車轍因子等指標較AH-70#基質瀝青有了顯著提高，與5%SBS改性瀝青相差不大，具有良好的高溫抗車轍性能感溫性能。其混合料的動穩定度顯著提高，高溫抗車轍性能良好。

3)通過RTFOT老化試驗指標可知，納米CaCO3-SBR復合改性瀝青的抗老化性能較基質瀝青和5%SBS改性瀝青明顯提升。

4)納米CaCO3-SBR復合改性瀝青不僅具備良好的低溫抗裂性能、高溫穩定性和抗老化性能，并且其經濟成本較目前常用的5%SBS改性瀝青明顯降低，適用于寒冷地區和晝夜溫差較大地區的路面鋪裝，具有一定的經濟效益和工程應用價值。