疏水性納米SiO2改性瀝青性能研究

周宏斌 董偉智 徐 楠 張 賀 張哲銘

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院，長春 130118)

0 引言

在北方嚴寒地區，由于氣溫較低且溫差較大，極易出現瀝青路面開裂的情況[1]，因此對瀝青的低溫性能有很高的要求，而基質瀝青的低溫性能較差，無法滿足嚴寒地區瀝青路面的使用要求，因此需要尋找一種外加劑對基質瀝青進行改性來提高其路用性能[2]。

納米材料作為一種新興材料，近年來被廣泛運用于對瀝青的改性[3]。葉中辰等[4]人使用納米SiO2對基質瀝青進行改性，發現納米SiO2的加入改善了瀝青的抗老化性能，但其低溫性能反而有所降低；樊亮等[5]人研究了納米TiO2對瀝青性能的影響，發現TiO2改性提高了瀝青的耐久性和抗老化性，但對瀝青的低溫性能有不利影響；張文剛等[6]人通過納米ZnO 對瀝青進行改性，發現納米ZnO 可以提高瀝青的高低溫性能，但提升幅度很小，關陽等[7]人探究了納米CaCO3對瀝青性能的影響，發現納米CaCO3的加入能提高瀝青的高溫性能，并能提高混合料的水穩定性，但其低溫略有下降。

如今，大多數納米材料對瀝青低溫性能的改善都不是十分理想，這里選用疏水性納米SiO2對瀝青進行改性，疏水性納米SiO2是在納米SiO2的基礎上進行化學改性，減少了表面的羥基，使納米SiO2由親水性變為疏水性，大大降低了發生表面失水及水解反應的可能，對瀝青的低溫性能反而有積極作用[8]。

目前，對于往瀝青中摻加疏水性納米SiO2的研究較少，本文通過三大指標及黏度試驗來研究不同摻量的疏水性納米SiO2對改性瀝青性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗瀝青

選用90 號瀝青作為基質瀝青。

1.2 疏水性納米SiO2

試驗中所用的疏水性納米SiO2選自江蘇淮安某新材料加工廠，外觀為白色粉末如圖1.1 所示。具體參數如下表1.1。

圖1.1 疏水性納米SiO2

表1.1 疏水性納米SiO2參數表

1.3 改性瀝青的制備工藝

將基質瀝青置于145℃烘箱中加熱2h，將熱好的瀝青倒入燒杯并稱重，后放入145℃的油浴中保溫，稱取瀝青質量1%的疏水性納米SiO2粉末，然后將粉末分批量多次加入瀝青中，并且在加入過程中用玻璃棒不斷攪拌，使其在基質瀝青中分散均勻至肉眼看不見白色粉末為止，后用高速剪切機以3000r/min 的速率剪切60min[9]。其中每用高速剪切機攪拌4min 后要暫停4min使機器冷卻。用相同的方法制備2-7%的改性瀝青。

1.4 針入度試驗方法

選擇25℃、15℃和30℃三個溫度作為試驗溫度，將試樣置于恒溫水浴中保溫1.5h 后放入針入度試驗儀進行試驗，分別至少進行三次平行試驗，對滿足誤差的三個針入度值取平均。

1.5 軟化點試驗方法

采用環球法進行軟化點試驗，制備試樣時瀝青需要略高于環面，后用熱刮刀刮平，在低溫水浴中保溫15min 后放入軟化點儀進行試驗，進行兩次平行試驗取平均值。

1.6 延度試驗方法

選擇5℃作為試驗溫度，拉伸速度為1cm/min，制備試樣時瀝青需略高于模具表面，后用熱刮刀刮平，在低溫水浴中保溫1.5h 后放入延度儀中進行試驗，進行三次平行試驗取平均值。

1.7 黏度試驗方法

試驗溫度選擇135℃，將瀝青倒入試筒中后與轉子一起放入135℃烘箱加熱1.5h，采用布式黏度計進行試驗，打開加熱裝置提前預熱，將熱好的試筒放入儀器中。降低儀器高度，使轉子恰好完全浸入瀝青中，保溫15min 后進行黏度試驗。轉子的型號為RV（05），轉速選擇120RPM。

2 試驗結果及分析

2.1 疏水性納米SiO2 對基質瀝青三大指標的影響

由圖2.1 可見，疏水性納米SiO2改性瀝青的25℃針入度會隨著疏水性納米SiO2摻量的增加而逐漸減小，瀝青的硬度變大。當摻量大于5%時，針入度明顯減小；當摻量為4%時，針入度下降較為緩慢。

圖2.1 25℃針入度

如圖2.2 所示，改性瀝青的軟化點隨著摻量的提高，大致呈上升趨勢，但提升不大。當疏水性納米SiO2摻量為1%-3%時，軟化點上升較快，當摻量為4%-6%時，軟化點幾乎不再上漲，當摻量為7%時，軟化點反而開始下降。由此可以看出，當疏水性納米SiO2摻量為3%-6%時，改性瀝青的高溫性能比較好，當摻量達到7%時為過摻情況，反而對高溫性能產生不利影響[10]。

圖2.2 軟化點

由圖2.3 可以看出，開始時改性瀝青的延度會隨著疏水性納米SiO2摻量的增加而提高，當摻量為4%時，改性瀝青的延度最大，低溫性能最好。隨著摻量的繼續提升，延度逐漸下降，這是由于摻量過大，瀝青的比例降低，反而破壞了改性瀝青的低溫性能。

圖2.3 5℃延度

針入度可反映瀝青在常溫狀態下的抗變形能力，而軟化點可以大致反映瀝青的高溫性能，軟化點越高，瀝青的高溫性能越好；同時，瀝青的低溫性能也可大致通過延度來評價，延度越高，瀝青的低溫性能越好。綜上所述，疏水性納米SiO2的加入小幅提升了基質瀝青的高溫性能，但對于瀝青的低溫性能有極大的提升，當摻量為4%時，相較于不摻提升幅度達到77.6%。

2.2 疏水性納米SiO2 對基質瀝青黏度的影響

從圖2.4 可以看出，改性瀝青的135℃黏度會隨著疏水性納米SiO2摻量的提高而不斷增大，這是由于隨著摻量的增加，分散在瀝青里的組分也在增加，增加了與瀝青間的粘附性，從而增大了改性瀝青的黏度。此外，當疏水性納米SiO2摻量小于4%時，瀝青黏度增長較為緩慢；當摻量大于4%時,瀝青黏度明顯增長，其中當摻量為4%時，黏度增長幅度最大，為15.3%，越有助于改性瀝青黏度的提高。

圖2.4 135℃黏度

3 結論與展望

（1）通過三大指標試驗和黏度試驗，發現疏水性納米SiO2可以提高瀝青在常溫狀態下的抗變形能力，小幅提升瀝青的高溫性能，但當摻量過大（7%）時會產生不利影響；另外，疏水性納米SiO2的加入可提高瀝青的低溫性能和黏度，當摻量為4%時改性瀝青的延度最高為32.5cm，黏度增長率也達到峰值15.3%。

（2）綜合試驗結果，可選擇4%摻量的疏水性納米SiO2作為較優的改性瀝青，其黏度增長率達到15.3%，和基質瀝青相比，高溫性能提高了9.8%，低溫性能提高了77.6%。

（3）通過試驗證明了疏水性納米SiO2確實能提高瀝青的低溫性能，且能小幅改善瀝青的高溫性能，接下來可通過制備瀝青混合料來進一步確定疏水性納米SiO2的最佳摻量；另外也可與能提高瀝青高溫性能的改性劑，如SBS等復合來綜合提高瀝青的路用性能。

（4）市場上大多數納米材料對瀝青的低溫性能有不利影響，通過本文的研究，可知可以通過降低納米材料發生表面失水及水解反應的可能來改善其改性效果，未來在納米材料的應用過程中，可制備更多的疏水性納米材料，進一步加強納米材料改性瀝青的路用性能。