納米ZnO/TiO2-SBS復(fù)合改性瀝青性能研究

張哲銘 董偉智 周宏斌 徐 楠

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

為了進(jìn)一步提高瀝青路面的低溫抗裂性，近些年研究人員開(kāi)始嘗試對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，其中SBS聚合物改性瀝青最先被發(fā)現(xiàn)是性能合適的改性瀝青。其性能雖較基質(zhì)瀝青有所提高，但仍不能滿足對(duì)瀝青低溫性能有較高要求地區(qū)的需要，只好尋找外加劑對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)一步改性來(lái)提高其路用性能[1]。

試驗(yàn)人員多年研究發(fā)現(xiàn)，納米材料具有良好的性質(zhì)，將納米材料作為瀝青改性劑可以提高瀝青的各種性能。張明祥[2]研究發(fā)現(xiàn)將納米ZnO摻入瀝青及其混合料中可以提高其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗紫外老化能力；肖鵬[3]對(duì)納米ZnO/SBS復(fù)合改性瀝青的制備方法、路用性能和改性機(jī)理進(jìn)行了全面的研究，納米ZnO/SBS復(fù)合能夠改善基質(zhì)瀝青的高低溫性能和抗老化能力；樊亮等[4]人研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2改性提高了瀝青的耐久性和抗老化性；張恒龍[5]研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2、納米ZnO、納米Ti O2與有機(jī)膨脹蛭石復(fù)配可改善SBS改性瀝青的抗熱氧老化和光氧老化性能。

本文選用納米ZnO和TiO2這兩種材料先后摻入SBS瀝青對(duì)其改性，進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)以及黏度試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)判斷和研究不同摻量下納米材料對(duì)SBS改性瀝青性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)瀝青

SBS改性瀝青由米沙子鎮(zhèn)某瀝青攪拌站提供，相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 SBS改性瀝青參數(shù)表

1.2 納米ZnO、TiO2

納米ZnO和TiO2選自南京某新材料有限公司，外觀為白色粉末，具體參數(shù)如表2。

表2 疏水性納米SiO2參數(shù)表

1.3 改性瀝青的制備方法

烘箱調(diào)至175℃，隨后將SBS瀝青置入烘箱中加熱1.5h，加熱完成后取出瀝青倒入玻璃杯容器中并稱(chēng)取其重量，稱(chēng)重完成后置于175℃的油浴中。接下來(lái)稱(chēng)取納米ZnO，其質(zhì)量為已稱(chēng)重瀝青質(zhì)量的1%，然后將納米ZnO粉末分批、少量、多次加入SBS瀝青中，邊加入邊攪拌，直至白色粉末在瀝青中分散至肉眼不可見(jiàn)為止，后用高速剪切機(jī)以4500r/min的速率剪切60min[6]。用相同的方法制備2%～5%納米ZnO改性瀝青，其質(zhì)量以1%為間隔增加。制備ZnO/TiO2復(fù)合改性瀝青的方法同上，在加入納米粉末時(shí)依次分批量多次加入納米ZnO與TiO2攪拌至肉眼不可見(jiàn)白色粉末為止，再使用高速剪切機(jī)剪切。

1.4 針入度試驗(yàn)方法

恒溫水浴調(diào)至25℃，將熱好的瀝青倒入試模中，靜置后將試件置于恒溫水浴中1.5h，取出試件后迅速放入針入度試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，要求平行試驗(yàn)不得少于3次。

1.5 軟化點(diǎn)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用環(huán)球法，在將瀝青加入環(huán)狀試模時(shí)注意要使瀝青略高于環(huán)面但又不致溢出，然后加熱刮刀將高出環(huán)面部分刮平，靜置后再將儀器中與試件接觸的配件包括試件一并置于-5℃的低溫水浴中20min，取出試件后迅速置于軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，要求至少進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

1.6 延度試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)儀器的拉伸速度調(diào)節(jié)為1cm/min，溫度調(diào)為5℃，將瀝青倒入試模中時(shí)注意要使瀝青略高于試模表面但又不致溢出，后加熱刮刀將高出試模部分刮平，靜置后將試件置于5℃低溫水浴1.5h，取出試件后迅速置于儀器開(kāi)始試驗(yàn)，平行實(shí)驗(yàn)不得少于3次。

1.7 黏度試驗(yàn)方法

采用布式粘度計(jì)法測(cè)瀝青黏度值，轉(zhuǎn)子選用RV（27），多次試驗(yàn)后將轉(zhuǎn)速定為100RPM。烘箱調(diào)至135℃，后將瀝青、試管、轉(zhuǎn)子一同置于烘箱中不得少于1.5h，同時(shí)將粘度計(jì)提前預(yù)熱至135℃，后取出瀝青加入試管并與轉(zhuǎn)子置于儀器上，使轉(zhuǎn)子剛好浸入瀝青，保溫15min后開(kāi)始試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 納米ZnO對(duì)SBS改性瀝青三大指標(biāo)的影響

由圖1所示，隨著SBS改性瀝青中納米ZnO的摻量不斷增加，SBS改性瀝青的針入度減小，瀝青變硬；當(dāng)摻量為3%～4%時(shí)針入度下降趨勢(shì)明顯變大，當(dāng)摻量大于4%時(shí)，針入度下降趨勢(shì)較之前又開(kāi)始減緩。

圖1 25℃針入度

如圖2可見(jiàn)SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)會(huì)隨著摻入其中的納米ZnO的增加而增大，當(dāng)摻量增加到3%到4%之間時(shí)軟化點(diǎn)上升速度明顯變快，當(dāng)摻量大于4%時(shí)，軟化點(diǎn)上升趨勢(shì)較之前又開(kāi)始減慢。由此可見(jiàn)，當(dāng)摻量在3%到4%之間時(shí)，改性瀝青的高溫性能增長(zhǎng)較快，當(dāng)摻量超過(guò)4%時(shí)為過(guò)摻情況，反而對(duì)高溫性能產(chǎn)生不利影響[9]。

圖2 軟化點(diǎn)

由圖3所示，改性瀝青的延度會(huì)隨著納米ZnO摻量的提高先增大后減小，延度在摻量為4%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)的改性瀝青低溫性能最好。當(dāng)摻量大于4%時(shí)，延度開(kāi)始下降，此時(shí)改性瀝青中瀝青比例下降，反而使改性瀝青低溫性能遭到破壞。

圖3 5℃延度圖

圖4 135℃黏度

2.2 納米TiO2對(duì)納米ZnO復(fù)合SBS改性瀝青三大指標(biāo)的影響

將4%的摻量定為納米ZnO的較優(yōu)摻量，在此基礎(chǔ)上探究納米TiO2的較優(yōu)摻量，保持納米ZnO的摻量不變，分別在其基礎(chǔ)上加入0.5%～2.5%的納米TiO2制備ZnO/TiO2-SBS復(fù)合改性瀝青，其中納米Ti O2的摻量以0.5%為間隔增加。

由圖5所示，在摻有4%納米ZnO的基礎(chǔ)上加入納米TiO2后瀝青的針入度再次降低，且隨著納米TiO2摻量的增加而逐漸減小，改性瀝青的硬度再次變大。

圖5 25℃針入度

由圖6所示，改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著納米TiO2摻量的提高而提高，但提升不大。

圖6 軟化點(diǎn)

由圖7所示，改性瀝青的延度會(huì)隨著納米TiO2摻量的增加先增大后減小，當(dāng)摻量為1.5%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)改性瀝青低溫性能最好。隨著摻量的繼續(xù)增加，延度開(kāi)始下降，這是由于改性瀝青中瀝青比例下降，反而使改性瀝青低溫性能遭到破壞。

圖7 5℃延度圖

三大指標(biāo)能夠初步反應(yīng)瀝青的高低溫等特性，瀝青在常溫狀態(tài)下的抗變形能力可由針入度體現(xiàn)，軟化點(diǎn)越高則說(shuō)明瀝青的高溫特性越好，而延度越高則說(shuō)明瀝青的低溫特性越好。綜上可知，納米材料的加入小幅度地改善了瀝青的高溫特性，并提高了瀝青的低溫特性，當(dāng)納米ZnO摻量為4%，納米TiO2摻量為1.5%時(shí)，低溫性能較SBS改性瀝青提高了41.6%。

圖8 135℃黏度

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米ZnO和納米TiO2的摻入均可提高SBS瀝青的硬度，提升瀝青的高低溫性能以及黏度。恰當(dāng)?shù)貜?fù)摻可以達(dá)到最好的效果，但當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)則會(huì)產(chǎn)生不利影響。

（2）可選擇4%納米ZnO和1.5%納米Ti O2作為較優(yōu)的改性瀝青摻量，此時(shí)的改性瀝青黏度增長(zhǎng)率達(dá)到8%，和SBS改性瀝青相比，高溫性能提高了15%，低溫性能提高了41.6%。

（3）本文只研究了納米材料對(duì)瀝青的性能影響，后續(xù)可制備復(fù)合改性瀝青混合料來(lái)進(jìn)一步探究納米材料對(duì)改性瀝青路用性能的影響。也可嘗試與不同改性劑進(jìn)行復(fù)合改性的效果。

（4）單一納米材料對(duì)瀝青的性能只側(cè)重提升高溫或低溫一項(xiàng)，通過(guò)本試驗(yàn)可知，可以通過(guò)不同納米材料的復(fù)配來(lái)同時(shí)改善瀝青的高低溫性能，在將來(lái)應(yīng)用納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性時(shí)，可同時(shí)選用具有不同改性效果的納米材料，多方面提升瀝青的性能。