納米ZnO改性瀝青技術(shù)性能的研究

湯乾斌，侯少令

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海市 200092； 2.山東路盛公路工程有限公司 荷澤市 274000)

0 引言

高速公路瀝青路面出現(xiàn)的坑槽、麻面、泛油等病害不僅嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用性能，還增加了瀝青路面的養(yǎng)護(hù)成本。越來(lái)越多的公路學(xué)者將無(wú)機(jī)納米材料作為一種改性材料添加至基質(zhì)瀝青中，以期獲得性能優(yōu)良的改性瀝青，從而減少瀝青路面的病害問(wèn)題[1-3]。納米ZnO作為一種無(wú)機(jī)納米材料，具有獨(dú)特的光、磁、電、宏觀量子隧道效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)，若將其作為改性材料應(yīng)用到改性瀝青中，則可能會(huì)改善瀝青的路用性能[4]。

基于此，通過(guò)高速剪切共混法將納米ZnO摻加至基質(zhì)瀝青中，獲得一系列不同納米ZnO摻量的改性瀝青，并對(duì)其進(jìn)行常規(guī)物理性能分析，以探究納米ZnO對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果及改性機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

采用韓國(guó)SK70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)性能如下：針入度(25℃，100g，5s)68.5(0.1mm)；軟化點(diǎn)46.2℃；延度(15℃)1300mm。采用的納米ZnO產(chǎn)自北京德科島金科技有限公司，技術(shù)參數(shù)：含量99.9%；比表面積60m2/g；平均粒度40nm。

制備方法：首先將基質(zhì)瀝青加熱至充分熔融狀態(tài)，再加入預(yù)先稱(chēng)量好的納米ZnO，隨后用高速剪切乳化機(jī)以3000r·min-1的轉(zhuǎn)速對(duì)其進(jìn)行高速剪切，持續(xù)約30min，即得到納米ZnO摻量分別為1%、3%、5%及7%的改性瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米ZnO對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

由圖1可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)呈不斷上升的趨勢(shì)，這表明納米ZnO能夠顯著改善瀝青的高溫性能。分析原因，一方面，納米氧化鋅的比表面積較大，其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)會(huì)吸附瀝青體系中的輕質(zhì)組分，使得瀝青質(zhì)的含量相對(duì)增加，從而提高了改性瀝青體系的黏稠度；另一方面，在高速剪切過(guò)程中，部分納米ZnO的分子結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生了一些易與瀝青組分反應(yīng)的化學(xué)鍵，這種化學(xué)締合作用也會(huì)增加瀝青的高溫性能。

圖1 納米ZnO改性瀝青的軟化點(diǎn)變化趨勢(shì)圖

2.2 納米ZnO對(duì)瀝青針入度的影響

由圖2可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的針入度呈不斷減小的趨勢(shì)。瀝青的針入度反映了瀝青在測(cè)定溫度條件下的黏度和硬度，是瀝青體系內(nèi)聚力的一種體現(xiàn)。由針入度試驗(yàn)可知，納米ZnO的摻入極大提升了瀝青的黏稠度，這是因?yàn)榧{米ZnO的表面活化能較大，與瀝青的結(jié)合較為緊密。因此，可判斷納米ZnO能夠有效改善瀝青體系的黏稠度與內(nèi)聚力，從而增強(qiáng)瀝青體系的高溫性能。

圖2 納米ZnO改性瀝青的針入度變化趨勢(shì)圖

2.3 納米ZnO對(duì)瀝青延度的影響

由圖3可看出，隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的延度值呈不斷下降的趨勢(shì)，這表明納米ZnO對(duì)瀝青的低溫延展性及抗開(kāi)裂性能有著不利影響。究其原因，主要是因?yàn)榧{米ZnO作為一種無(wú)機(jī)納米粒子，在低溫條件下，會(huì)從改性瀝青體系中脫附出來(lái)，其剛度比瀝青大很多，會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而阻礙了瀝青試樣的低溫延展性。

圖3 納米ZnO改性瀝青的延度變化趨勢(shì)圖

2.4 納米ZnO對(duì)瀝青感溫性能的影響

瀝青是一種典型的溫度敏感性材料，其性能也會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生變化，因此有必要對(duì)其感溫性做出分析，選取針入度指數(shù)PI作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著納米ZnO摻量的增加，PI值曲線呈現(xiàn)出先增大后變小的變化趨勢(shì)，但均大于基質(zhì)瀝青，當(dāng)摻量為5%時(shí)，改性瀝青的PI值達(dá)到了最大，這表明納米ZnO的摻入能夠有效改善瀝青的溫度敏感性能。這主要是因?yàn)?，納米ZnO的摻入顯著增加了瀝青體系的內(nèi)聚力與黏稠度，從而降低了瀝青的感溫性。而由圖中可看出，隨著納米ZnO摻量的進(jìn)一步增大，改性瀝青的PI值則出現(xiàn)降低趨勢(shì)，表明過(guò)多摻量的納米ZnO反而會(huì)對(duì)瀝青的溫度敏感性造成不利影響，這可能是因?yàn)楫?dāng)納米ZnO摻量過(guò)多時(shí)，其在瀝青基體中的分散性較差所致。

圖4 納米ZnO改性瀝青的PI值趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

通過(guò)高速剪切共混法將納米ZnO摻加至基質(zhì)瀝青中，獲得一系列不同納米ZnO摻量的改性瀝青，并對(duì)其分別進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度及溫度敏感性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了納米ZnO對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果及改性機(jī)理，得到的主要結(jié)論如下：

(1)軟化點(diǎn)與針入度試驗(yàn)表明，隨著納米ZnO的摻入，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)會(huì)吸附瀝青體系中的輕質(zhì)組分，使得瀝青質(zhì)的含量相對(duì)增加，從而提高了改性瀝青體系的黏稠度與體系的內(nèi)聚力，進(jìn)而增強(qiáng)改性瀝青的高溫性能。

(2)低溫延度試驗(yàn)表明，在低溫條件時(shí)，納米ZnO與瀝青的粘附性下降，其剛度比瀝青大很多，會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而阻礙了瀝青試樣的低溫延展性，因此納米ZnO對(duì)瀝青的低溫延展性及抗開(kāi)裂性能有著不利影響。

(3)溫度敏感性試驗(yàn)表明，適宜摻量的納米ZnO會(huì)顯著改善瀝青的感溫性能，但摻量過(guò)多時(shí)，反而會(huì)對(duì)瀝青的溫度敏感性造成不利影響。