納米ZnO/SBS 復合改性瀝青混合料路用性能試驗研究

黃文妤 庫都孜·庫娜吉

（1.新疆公路橋梁試驗檢測中心有限責任公司，烏魯木齊 830000；2.新疆交投科技有限責任公司，烏魯木齊 830000）

近幾年，納米改性瀝青技術成為研究學者的一個新的研究課題， 納米材料作為一種超微粒材料，具有較大的比表面積，表面能很大，且納米表面的原子不太穩定，極易吸附其他原子并發生鍵結[1]。 在國內外研究學者對納米材料改性瀝青的研究中發現， 納米微粒加入瀝青后改性瀝青的性能提升程度并不大， 并不能完全發揮納米微粒的自身性質特點[2]。 目前道路建設中應用較多的是SBS 改性瀝青，研究發現SBS 改性劑雖然一定程度上改善了瀝青的各方面性能，但其性能的發揮在很大程度上直接受SBS 微粒在瀝青中的均勻分散程度及顆粒粒徑大小的影響[3-4]。 如果通過一定的方法或制備工藝可以改善SBS 微粒在瀝青中的分散狀態，將會更大程度地發揮SBS 改性劑的自身特性，改善瀝青的各方面性能。 本文結合納米微粒比表面積大和較大表面能的特點，擬將納米ZnO 材料與SBS 改性劑復摻對基質瀝青進行改性，希望通過這種方式能夠更好地改善SBS 改性劑顆粒的分散效果，更大程度地提高瀝青的各方面性能。

1 原材料與配合比設計

1.1 試驗材料

試驗采用A-70 號石油瀝青作為復合改性瀝青的基質瀝青，其技術指標見表1。SBS 改性劑采用巴陵石化公司生產的YH-791 型改性劑，其為白色線型粒柱狀，嵌段比S/B 為30/70。納米材料ZnO 由陜西某納米材料公司提供，ZnO 有效含量為95.46，外觀為白色粉末狀。 粗集料采用石灰巖碎石，集料規格分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm， 細集料采用機制砂，填料采用石灰巖礦粉，各檔集料的技術指標如表2 所示。

表2 各檔集料技術指標

1.2 復合改性瀝青制備及改性劑摻量確定

納米材料ZnO 外觀呈乳白色粉末狀，與基質瀝青的相容性很好，在高溫條件下與熱熔的瀝青通過機械攪拌即可均勻混合。 SBS 改性劑與基質瀝青的溶解度參數相差較大，與熱熔的基質瀝青在機械攪拌方式下無法均勻混合在一起，通常采用高速剪切的方式對其進行混合改性。本文在制備ZnO/SBS 復合改性瀝青時采用溶劑法將SBS 改性劑和納米ZnO 置于溶劑苯中進行溶解，待完全溶解后放入熱熔的基質瀝青中，并不斷采用機械攪拌方式將其均勻混合， 隨后將內部的溶劑苯通過加熱攪拌揮發、冷凝回收等工藝排出，最終得到高性能的ZnO/SBS復合改性瀝青。

結合已有的相關研究資料表明，SBS 改性瀝青的SBS 改性劑摻量在5%時各方面路用性能達到最優， 本文在試驗研究時SBS 摻量采用5%[5]。 納米ZnO 改性劑的摻量需結合改性瀝青性能試驗確定，在5%SBS 改性瀝青的基礎上加入不同ZnO 摻量（1%、3%、5%、7%、9%） 制備得到復合改性瀝青，然后對其進行基本性能試驗，試驗結果見表3。 從表3中復合改性瀝青各方面性能試驗結果可以發現，ZnO 摻量大于5%各方面性能改善或提高的幅度變緩并趨于平穩，綜合改性劑效果、經濟等方面考慮將ZnO 摻量確定為5%。

表3 ZnO/SBS 復合改性瀝青性能

1.3 配合比設計

采用AC-13 型礦料級配進行瀝青混合料性能試驗，礦料級配設計見表4。

表4 礦料級配設計表

根據礦料級配，初定SBS 改性瀝青的最佳油石比為4.8%，并以0.3%間隔左右各取2 組油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%。 分別對5 組油石比進行馬歇爾試驗，試驗結果如表5 所示。 從表5 的各項指標參數與油石比的關系可最終確定SBS 改性瀝青的最佳油石比為4.9%。

按照以上方法分別確定基質瀝青、納米ZnO 改性瀝青及ZnO/SBS 復合改性瀝青的最佳油石比分別為4.8%、4.9%和5.0%

表5 馬歇爾試驗結果

2 路用性能試驗結果分析

2.1 高溫性能

采用車轍試驗分別對70# 基質瀝青、ZnO 改性瀝青、SBS 改性瀝青、ZnO/SBS 復合改性瀝青等4 種混合料進行車轍試驗，前3 種瀝青混合料均為對照組，評價ZnO/SBS 復合改性瀝青的高溫抗車轍變形性能。 試驗溫度選擇60℃，車輪荷載為0.7 MPa，試驗結果見表6。

表6 車轍試驗結果

從表6 可以看出，4 種瀝青混合料的動穩定度大小排序為：ZnO/SBS 改性瀝青＞SBS 改性瀝青＞ZnO 改性瀝青＞70# 基質瀝青， 相對于70# 基質瀝青，納米ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料的動穩定度分別提高了58.2%、176.5%， 說明2 種瀝青改性劑對普通基質瀝青混合料的高溫性能都有很大提升，且SBS 改性劑對于瀝青混合料的高溫性能提升作用更大；ZnO/SBS 改性瀝青混合料相對單摻納米ZnO 和SBS 改性劑時分別提高了145%、40.2%， 說明2 種瀝青改性劑復摻時對基質瀝青的改性效果最佳，可能是納米ZnO 和SBS 改性劑加入瀝青后相互作用發生化學反應產生了更為穩固的網絡結構的結果[6]。

2.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗對4 種瀝青混合料的低溫性能進行試驗，試驗溫度選取-10℃，試驗結果見表7。

表7 低溫彎曲試驗結果

從表7 可知，相比70# 基質瀝青混合料，納米ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料的彎拉強度都有所提高，這是由于ZnO 和SBS 改性劑加入瀝青后增加了瀝青的粘度，提高了瀝青與集料的粘結強度，試驗時試件抵抗破壞需要的力和強度較大。 與70# 基質瀝青相比，ZnO 改性瀝青與SBS 改性瀝青混合料的破壞應變分別增加了28.1%、90.9%，勁度模量分別降低了6.1%、11.9%， 說明納米ZnO 和SBS 改性劑均可提高瀝青混合料的低溫抗裂性。ZnO/SBS 復合改性瀝青混合料的破壞應變分別比ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料增加了114.7%、44%，勁度模量分別降低了28.2%、23.4%。說明ZnO 與SBS 改性劑復摻后明顯提高了改性瀝青混合料的低溫性能。 一方面是由于ZnO 與SBS混摻后發生化學反應生成了更穩定的網絡結構，試件開裂需要消耗更大的斷裂能， 另一方面是由于ZnO 加入后改善了SBS 在瀝青中的分散程度，使SBS 改性劑顆粒粒徑更小，分散得更加均勻，從而改善瀝青混合料的低溫抗裂性能[7-8]。

2.3 水穩定性

采用國內常用的水穩定性評價試驗即浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分別對4 種混合料的抗水損害性能進行試驗評價，試驗結果見表8～9。

表8 浸水馬歇爾試驗結果

表9 凍融劈裂試驗結果

從表8、9 可知，單摻納米ZnO 或SBS 改性劑的改性瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均較70# 基質瀝青有所提高，且2 種改性劑復摻后的復合改性瀝青的殘留穩定度和凍融劈裂強度比更大，說明納米ZnO 或SBS 改性劑均改善了瀝青混合料的水穩定性， 但納米ZnO 沒有SBS 的效果顯著。 同時摻加2 種改性劑后混合料的抗水損害性能顯著提高，說明納米ZnO 改善了SBS 改性瀝青混合料的水穩定性。

3 結論

通過路用性能試驗分別對70# 基質瀝青、ZnO改性瀝青、SBS 改性瀝青、ZnO/SBS 復合改性瀝青等4 種混合料進行室內試驗， 前3 種瀝青混合料均為對照組， 通過路用性能結果分析可以得出以下結論。

（1）通過車轍試驗結果可得出，動穩定度大小排序為：ZnO/SBS 改性瀝青>SBS 改性瀝青>ZnO 改性瀝青>70# 基質瀝青，納米ZnO 和SBS2 種瀝青改性劑對普通基質瀝青混合料的高溫性能都有較大提升， 且SBS 效果更明顯；2 種瀝青改性劑復摻時對基質瀝青的改性效果最佳。

（2）通過低溫彎曲試驗結果可知，納米ZnO 和SBS 改性劑均可提高瀝青混合料的低溫抗裂性。 且ZnO 與SBS 改性劑復摻后的改性瀝青混合料的低溫性能明顯提高。

（3） 從浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果可知，納米ZnO 或SBS 改性劑都一定程度改善了瀝青混合料的水穩定性， 只是SBS 改性劑的效果更明顯；加入納米ZnO 后SBS 改性瀝青混合料的水穩定性顯著提高。