納米TiO2對瀝青及瀝青混合料性能影響研究*

高 運

（新鄉市交通運輸綜合服務中心，河南新鄉453000）

瀝青路面是我國高速公路的主要結構形式，具有行車舒適、建養方便和可回收利用等優點。但瀝青為有機高分子材料，運營過程中在太陽紫外線照射下容易發生紫外老化，致使瀝青組分及分子結構改變，物理性能下降[1-4]，從而降低路面結構使用壽命，因而研究改善瀝青抗紫外老化性能具有重要意義。

納米TiO2具有無毒無害、經濟環保等特點，在化妝品和涂料等行業已得到廣泛利用[5-8]，近年來相關學者提出采用納米TiO2改性瀝青，以提高其抗紫外老化性能，目前已取得一定成果。梁慧等研究了納米TiO2對瀝青紫外老化前后三大指標的影響，發現紫外老化后摻有納米TiO2的瀝青針入度和延度明顯較高，而軟化點較低[9]；于江等基于傅里葉紅外光譜分析法研究了納米TiO2對紫外老化前后瀝青中官能團的影響，發現摻入1.5%的TiO2能有效提高瀝青抗紫外老化性能[10]；李欣研究了納米TiO2類型對瀝青抗老化性能的影響，發現三種類型納米TiO2均能使抗老化性能得到改善，且改善效果由優到劣排序依次為金紅石型、混晶型和銳鈦型[11]。

現有關于納米TiO2對瀝青性能的影響研究多著眼于其抗紫外老化性能，較少涉及瀝青混合料路用性能，故研究掌握納米TiO2對瀝青混合料路用性能的影響十分重要。為此，制備納米TiO2改性瀝青，就其紫外老化前后的高低溫性能變化規律分別進行研究，進而制備相應瀝青混合料分析納米TiO2對其路用性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）瀝青

采用SBS(I-C)改性瀝青進行試驗研究，主要技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）要求，見表1。

表1 SBS(I-C)改性瀝青主要技術指標Table 1 Main technical indicators of SBS (I-C) modif ied asphalt

（2）集料和級配

粗細集料均采用玄武巖，主要技術指標見表2，填料為石灰巖礦粉，級配采用SMA-13，其各篩孔通過率見表3。

表2 集料技術指標Table 2 Aggregate technical indicators

表3 SMA-13集料級配Table 3 SMA-13 aggregate gradation

1.2 納米TiO2改性瀝青制備

納米TiO2粒徑極小，容易因納米粒子表面效應、范德華力和布朗運動等作用產生團聚[12-13]，影響其對瀝青的改性效果。為保證制備的納米TiO2改性瀝青分散效果良好，將SBS改性瀝青加熱至165℃±5℃，用玻璃棒以60r/min速率攪拌5min，進而改用高速剪切機以8000r/min速率剪切30min，即可制得納米TiO2改性瀝青。

2 紫外老化前后納米TiO2改性瀝青高低溫性能變化規律

分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%（摻量為瀝青質量分數）的改性瀝青置于163℃條件RTFOT中保溫85min模擬短期老化，進而移入紫外加速老化箱分別進行0h、2h、4h和6h紫外老化（紫外光波長365nm，輻射強度0.05W/cm2），而后進行DSR和BBR試驗研究其老化前后高低溫性能變化規律。

2.1 高溫性能變化規律

DSR試驗可獲取瀝青復數模量和相位角，其中復數模量表征瀝青抗變形能力大小，值越大高溫抗變形能力越好，相位角表征瀝青中粘彈比例，值越小表征瀝青越接近完全彈性體，高溫變形恢復能力越好。為此，分別對各個納米TiO2摻量和紫外老化時間條件下的瀝青進行DSR試驗，溫度64℃，頻率10rad/s，得出其復數模量和相位角試驗結果分別如圖1和圖2所示。

圖1 紫外老化時間和納米TiO2摻量對瀝青復數模量影響Fig. 1 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on complex modulus of asphalt

圖2 紫外老化時間和納米TiO2摻量對瀝青相位角影響Fig. 2 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on asphalt phase angle

由圖1和圖2可知，隨著紫外老化時間延長，瀝青復數模量增加，表明瀝青抗變形能力增強，而相位角降低，表明瀝青高溫下變形恢復能力提高，其中紫外老化時間由0h增加至6h時，0%、1%、2%和3%摻量的納米TiO2改性瀝青復數模量分別增加2.83倍、2.65倍、2.55倍和2.58倍，而相位角分別下降8.1%、5.3%、4.3%和3.9%；對未進行紫外老化的瀝青，隨著納米TiO2摻量的提高，其復數模量逐漸增加，抗變形能力增強，而相位角則基本不變，分析原因可能為粉末狀納米TiO2的摻入使瀝青粘度增加，故高溫下更不容易產生變形，而其并未改變瀝青中粘彈比例，因而相位角不變。

在瀝青中摻入納米TiO2能有效改善其抗紫外老化性能，且隨摻量的提高改善效果逐漸變好，但摻量超過2%后改善效率降低，其中納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青復數模量隨紫外老化時間變化線平均斜率分別為1.98、1.79、1.64和1.59，而相位角隨紫外老化時間變化線平均斜率分別為1.00、0.70、0.52和0.47，顯然紫外老化對摻有納米TiO2瀝青的復數模量和相位角影響更小，其瀝青性能更接近老化前的原樣瀝青，這是由于納米TiO2對紫外線具有吸收、反射和散射作用，但納米TiO2比表面積較大，摻量超出一定范圍后其顆料在瀝青表面重疊，對紫外線的作用面積增加不明顯，故摻量超過2%后對瀝青抗紫外老化性能的改善效率降低；隨著紫外老化時間延長，各個納米TiO2摻量的瀝青復數模量和相位角均呈線性變化趨勢，表明納米TiO2對紫外線的屏蔽效應不隨紫外老化時間的延長而衰減，耐久性較好。

2.2 低溫性能變化規律

BBR試驗可獲取瀝青低溫勁度模量和蠕變速率，其中勁度模量表征瀝青低溫變形能力大小，值越大變形能力越差，低溫下越容易開裂，蠕變速率表征瀝青低溫應力松弛能力，值越大瀝青溫度應力消散越快，低溫性能越好。為此，分別對各個納米TiO2摻量和紫外老化時間條件下的瀝青進行BBR試驗，溫度-18℃，得出試驗時間為60s時其勁度模量和蠕變速率試驗結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 紫外老化時間和納米TiO2摻量對瀝青勁度模量影響Fig. 3 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on stiffness modulus of asphalt

圖4 紫外老化時間和納米TiO2摻量對瀝青蠕變速率影響Fig. 4 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on creep rate of asphalt

由圖3和圖4可知，隨著紫外老化時間延長，瀝青勁度模量增加，蠕變速率降低，表明瀝青低溫變形能力和應力松弛能力變差，容易開裂，其中紫外老化時間由0h增加至6h時，0%、1%、2%和3%摻量的納米TiO2改性瀝青勁度模量分別增加17.7%、11.3%、8.2%和6.7%，而蠕變速率分別下降13.4%、7.1%、3.7%和1.7%；對未進行紫外老化的瀝青，隨著納米TiO2摻量的提高，其勁度模量逐漸增加，蠕變速率逐漸下降，此時瀝青低溫性能降低。

在瀝青中摻入納米TiO2能有效改善其低溫抗紫外老化性能，且隨摻量的提高改善效果逐漸變好，但摻量超過2%后改善效率降低，其中紫外老化時間為0h時納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青勁度模量分別較未摻納米TiO2的瀝青高1.5%、2.4%和3.0%，蠕變速率分別較其低1.7%、3.1%和4.2%，而紫外老化時間為6h時，納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青勁度模量分別較未摻納米TiO2的瀝青低3.9%、5.8%和6.6%，蠕變速率則分別較其高5.4%、7.7%和8.7%，顯然摻入納米TiO2后紫外老化對瀝青勁度模量造成的增加速率和對蠕變速率造成的降低速率均減小，低溫抗紫外老化性能提高。

3 納米TiO2對瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩定性

高溫時瀝青粘度下降，混合料抗剪強度降低，此時在汽車荷載作用下路面容易產生車轍、推移和擁包等病害，影響路面使用壽命和行車安全，因而要求瀝青混合料高溫穩定性良好。故為研究納米TiO2對瀝青混合料高溫穩定性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進行車轍試驗，溫度60℃，輪壓0.7MPa，結果如圖5所示。

圖5 納米納米TiO2摻量對瀝青混合料高溫穩定性的影響Fig. 5 Effect of nano-titanium dioxide content on high temperature stability of asphalt mixture

由圖5可知，隨著納米TiO2摻量增加，瀝青混合料動穩定度逐漸增加，表明瀝青混合料高溫穩定性逐漸提高，其中納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青混合料動穩定度分別為3898次/mm、3926次/mm和3969次/mm，較未摻入納米TiO2的瀝青混合料分別高1.5%、2.2%和3.3%，且各個納米TiO2摻量的瀝青混合料動穩定度仍明顯大于3000次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）對改性SMA瀝青混合料高溫穩定性的要求。

3.2 低溫抗裂性

低溫時瀝青粘度提高，混合料變形能力降低，此時低溫收縮在混合料內部造成的溫度應力逐漸累積，當該應力超過瀝青混合料斷裂強度即產生開裂，破壞瀝青路面結構整體性，且水會從裂縫下滲，因而要求瀝青混合料低溫抗裂性良好。故為研究納米TiO2對瀝青混合料低溫抗裂性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗，溫度-10℃，結果如圖6所示。

圖6 納米TiO2摻量對瀝青混合料低溫抗裂性的影響Fig. 6 Effect of nano-titanium dioxide content on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖6可知，隨著納米TiO2摻量增加，瀝青混合料低溫破壞應變逐漸降低，表明瀝青混合料低溫抗裂性逐漸變差，其中納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青混合料低溫破壞應變分別為3612με、3556με和3522με，較未摻入納米TiO2的瀝青混合料分別低1.2%、2.7%和3.6%，但各個納米TiO2摻量的瀝青混合料低溫破壞應變仍明顯大于3000με，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）對冬嚴寒區改性瀝青混合料低溫抗裂性的要求。

3.3 水穩定性

集料為親水憎油型材料，故在水和荷載綜合作用下，水會逐漸侵蝕瀝青-集料界面，使瀝青從集料表面剝落，最終造成松散和坑槽等水損壞現象，因而要求瀝青混合料水穩定性良好。故為研究納米TiO2對瀝青混合料水穩定性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，結果如圖7所示。

圖7 納米TiO2摻量對瀝青混合料水穩定性的影響Fig.7 Effect of nano-titanium dioxide content on water stability of asphalt mixture

由圖7可知，各個納米TiO2摻量的瀝青混合料凍融劈裂強度比在一定范圍波動，納米TiO2摻量為0%時值最大為88.9%，較納米TiO2摻量為1%時的最小值87.6%高1.3%，相差較小，表明納米TiO2對瀝青混合料水穩定性基本無影響，其中各個納米TiO2摻量的瀝青混合料凍融劈裂強度比均明顯大于80%，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）對改性SMA瀝青混合料水穩定性的要求。

4 結論

（1）在瀝青中摻入納米TiO2能提高其高溫抗變形能力，對其粘彈性則基本無影響，但其低溫變形能力和應力松弛能力降低，總體表現為高溫性能提高，低溫性能變差，且摻量越高兩種現象表現越明顯。

（2）納米TiO2能有效改善瀝青抗紫外老化性能，且摻量越高改善效果越好，但摻量超過2%后改善效率降低；納米TiO2對瀝青抗紫外老化性能的改善作用耐久性良好。

（3）納米TiO2能使瀝青混合料高溫穩定性提高，低溫抗裂性能降低，對水穩定性則基本無影響，但摻有納米TiO2的瀝青混合料各項路用性能均滿足規范對高速公路用瀝青混合料性能的相關要求。