納米SiO₂/蓖麻油復合改性瀝青流變特性研究

摘要：文章制備了16種不同摻量的納米SiO2/蓖麻油復合改性瀝青，通過瀝青三大指標試驗和流變性能指標試驗，研究納米SiO2和蓖麻油對復合改性瀝青的影響。結果表明：納米SiO2會降低復合改性瀝青的針入度和延度，增加軟化點，蓖麻油具有相反的作用；納米SiO2對高溫性能有較大的促進作用，蓖麻油則相反；對于低溫性能，蓖麻油具有明顯優勢，納米SiO2則會降低瀝青的低溫性能；從復合改性瀝青高溫性能考慮，蓖麻油摻量應≤6%，而納米SiO2摻量應盡可能大；當蓖麻油摻量＞3%，納米SiO2摻量≤6%時，可以很好地保證復合改性瀝青的低溫抗裂性。因此，摻有4%納米SiO2和3%蓖麻油的復合改性瀝青具有較好的綜合性能。

關鍵詞：納米SiO2；蓖麻油；瀝青；溫度敏感性；蠕變恢復性；低溫流變特性

中圖分類號：U414 A 04 012 5

0 引言

隨著瀝青路面的不斷建設，瀝青消耗量越來越大［1］。瀝青是一種不可再生資源，為保障路網建設，尋找瀝青替代材料迫在眉睫。生物瀝青是一種新型的道路粘結材料，具有可再生、價格低、環保、能耗低等優點［2-3］。目前，很多學者對生物油改性瀝青進行了研究，用生物油替代部分石油瀝青，實現了瀝青性能的優化［4-7］。在路面施工中添加生物油作為改性劑可以降低總成本，解決石油瀝青供應不足的問題［8］。因此，研究生物油是未來道路工作的必然趨勢。

研究發現，植物油可以改善瀝青的抗疲勞開裂和低溫開裂性能［9］，提高瀝青模量，降低相位角，并增強抗變形能力［10］。但是生物油改性瀝青也存在一定的缺陷，即生物油會降低瀝青的高溫性能，使改性瀝青在高溫下更易呈現流動態［11］。為減輕生物油對高溫性能的不利影響，研究人員在生物油改性瀝青里面添加了其他改性劑，例如巖瀝青、納米材料等［12-15］。采用5%納米SiO2改性瀝青混合料具有良好的路用性能和應用前景［16］，降低了瀝青混合料的抗水損害性能［17］。因此將納米SiO2運用到道路工程中具有可行性。

綜上所述，在生物油替代部分瀝青的過程中，會損害瀝青的高溫性能，但對低溫抗裂性有利。而納米SiO2具有良好的特性，其可以提高瀝青的高溫性能及抗氧化老化能力。因此本文擬采用蓖麻油和納米SiO2作為改性劑，制備納米SiO2/蓖麻油復合改性瀝青，對其常規物理性能及高低溫流變性能進行評價，探討其在路面應用中的適用性，為納米SiO2和蓖麻油在工程中的應用奠定理論基礎。

1 改性瀝青制備與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

本研究采用東海中石化70#A級道路石油瀝青作為基質瀝青。其常規性能指標如表1所示。

1.1.2 納米SiO2

納米SiO2來自無錫泰鵬金屬材料有限公司，基本性能指標如表2所示。

1.2 改性瀝青的制備

稱取不同摻量蓖麻油，倒入基質瀝青中，并采用高速剪切儀在3 000 r/min的速率下剪切30 min。然后調低轉速，將納米SiO2倒入生物油改性瀝青中，在低轉速下剪切20 min。待其分散均勻后，逐漸調高轉速至4 000 r/min并繼續剪切50 min，使蓖麻油、納米SiO2與瀝青充分熔融共混。在制備過程中，剪切溫度大約保持在160 ℃。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規物理性能試驗

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的T0604、T0606和T0605分別進行針入度試驗、軟化點試驗及延度試驗。

1.3.2 高溫流變性能試驗

為了評價復合改性瀝青的高溫流變性能，根據JTG E20-2011中T0628，采用動態剪切流變儀進行溫度掃描和多重應力蠕變恢復試驗，分別測試復合改性瀝青的車轍因子、恢復率和不可恢復蠕變柔量。

1.3.3 瀝青彎曲蠕變勁度試驗

根據JTG E20-2011中T0627規定，采用彎曲梁流變儀測定復合改性瀝青的彎曲蠕變勁度和蠕變速率，選取試驗溫度為-12 ℃。

2 試驗結果與分析

2.1 常規性能

2.1.1 針入度試驗

不同納米SiO2/蓖麻油改性瀝青的針入度試驗結果如圖1所示。相同納米SiO2摻量條件下，蓖麻油摻量越大，改性瀝青的針入度越大。在納米SiO2摻量為0且蓖麻油摻量從0增至9%時，改性瀝青的針入度增加了38.23%。這是由于蓖麻油的分子量低于瀝青，導致改性瀝青的整體稠度降低，瀝青更軟。若只摻加3%蓖麻油，改性瀝青的針入度為74（0.1 mm），與基質瀝青針入度68 （0.1 mm）接近，僅僅增大了6 （0.1 mm）。因此，較低摻量的蓖麻油對瀝青針入度影響不大。

加入納米SiO2則會顯著降低針入度，導致這一現象的原因主要是：（1）納米SiO2顆粒具有吸收輕組分的能力，提高了瀝青中重組分比例，導致硬度增加；（2）納米SiO2顆粒和瀝青之間的活性化學反應，提高了蓖麻油和瀝青的粘聚力，最終使得針入度減小。

2.1.2 軟化點試驗

納米SiO2/蓖麻油改性瀝青的軟化點試驗結果如圖2所示。在基質瀝青中加入蓖麻油顯著降低了軟化點值，這可能是由于蓖麻油的分子量和黏度低于原樣瀝青。隨著納米SiO2摻量的增加，改性瀝青的軟化點提高。值得注意的是，當不添加納米SiO2時，改性瀝青的軟化點隨著蓖麻油的摻量增加而降低，當摻加了納米SiO2后，這一規律有所變化。以納米SiO2摻量為2%為例，當蓖麻油增至3%時，改性瀝青的軟化點從52.75 ℃增至54.3 ℃，有上升的趨勢。

此外，當納米SiO2和蓖麻油摻量分別為6%和3%時，改性瀝青的軟化點最高，為57.45 ℃，相較于基質瀝青提高了19.31%。這一結果可能是由于納米SiO2顆粒與蓖麻油之間的物理和化學反應提高了改性瀝青的粘結強度和勁度，這意味著納米SiO2顆粒對提高高溫條件下的瀝青黏度有利。

2.1.3 延度試驗

由圖3可知，隨著蓖麻油摻量的增加，改性瀝青延度明顯增大。尤其是不摻納米SiO2時，當蓖麻油摻量從0增加至9%時，延度從103 mm提升至151 mm，增大了46.6%。究其原因，可能是蓖麻油的摻入補充了瀝青中的輕組分，瀝青在受到應力的時候能夠更好地產生變形來抵抗應力帶來的破壞作用。

相反，納米SiO2對改性瀝青的塑性變形能力具有不利影響。當蓖麻油摻量為3%和6%時，添加2%的納米SiO2會顯著降低改性瀝青的延度。且蓖麻油摻量為2%時，只要添加了納米SiO2，延度都無法達到基質瀝青水平。而當蓖麻油摻量為9%時，改性瀝青的延度近似或者大于基質瀝青水平，說明在此情況下改性瀝青的抗塑性變形能力較好。

2.2 高溫流變特性

2.2.1 溫度敏感性

采用DSR試驗中的溫度掃描試驗測試復合改性瀝青的溫度敏感性。溫度掃描范圍為46 ℃～76 ℃，荷載頻率為10 rad/s，升溫速率為2 ℃/min。

納米SiO2/蓖麻油復合改性瀝青車轍因子隨溫度的變化規律如圖4所示。在相同蓖麻油摻量的情況下，納米SiO2摻量越大，車轍因子越大，這說明納米SiO2對提升瀝青抗車轍性能有利。而當納米SiO2摻量一定時，隨著蓖麻油摻量的增加，車轍因子逐漸減小，這是因為蓖麻油中含有較多的輕質油，當其摻入瀝青后，能夠補充瀝青中的輕質組分，從而使車轍因子減小。

為了更好地對比納米SiO2和蓖麻油對瀝青車轍因子的影響，對瀝青的64 ℃車轍因子進行對比分析，其64 ℃車轍因子如圖5所示。從圖5可以發現，納米SiO2對車轍因子影響顯著，且當納米SiO2摻量≥4%時，64 ℃車轍因子始終保持在一個較高的水平，說明該條件下復合改性瀝青有較好的抗車轍能力。但是隨著蓖麻油的摻入，納米SiO2對車轍因子的提升作用有所影響。

2.2.2 蠕變和恢復性能

復合改性瀝青的恢復率（R）變化規律如圖6所示。隨著蓖麻油摻量的增加，瀝青的恢復率逐漸降低，而隨著納米SiO2的增加，瀝青的恢復率顯著提升。這可能是由于納米SiO2吸收了瀝青和蓖麻油中的輕質組分，瀝青粘結劑的內部組分發生變化，彈性成分增加而黏性成分減少，使瀝青粘結劑的抗變形能力和恢復能力上升。從圖6（b）中可以發現，當蓖麻油摻量達到6%，恢復率為0，

說明此時瀝青已經完全喪失恢復能力，將無法抵抗車轍變形。因此，為保證納米SiO2/蓖麻油復合改性瀝青的恢復能力，蓖麻油摻量宜≤6%，而納米SiO2摻量應盡可能大。

圖7為復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr變化規律曲線。復合改性瀝青在剪應力下的Jnr隨著納米SiO2含量的增加逐漸減低，表明納米SiO2可以提高復合改性瀝青的抗變形能力。在0.1 kPa的加載應力水平下，2%、4%和6%摻量的納米SiO2改性瀝青的Jnr分別比基質瀝青的Jnr低60%、63.38%和64.53%。摻加2%納米SiO2后，Jnr下降顯著，而繼續增大納米SiO2摻量后則變化不明顯。這一結果可能是由于2%摻量的納米SiO2顆粒足以在瀝青中形成了一個相互作用的彈性網絡。

2.3 低溫流變性能

一般來說，較高的蠕變速率m和較低的蠕變剛度S代表著瀝青具有較好的低溫性能。

由圖8可以發現，隨著蓖麻油摻量的增大，瀝青的勁度模量出現了明顯的下降；隨著納米SiO2摻量的增加，勁度模量逐漸升高。這說明蓖麻油對瀝青的低溫性能有利，而納米SiO2具有相反的作用。以基質瀝青的勁度模量276 MPa作為參考值，當蓖麻油摻量＞3%，納米SiO2摻量≤6%時，復合改性瀝青的勁度模量小于或接近參考值，說明這兩種改性劑在此范圍內可以很好地保證復合改性瀝青的低溫抗裂性。且納米SiO2可以降低復合改性瀝青對生物油摻量變化的敏感程度。

圖9所示是納米SiO2/蓖麻油復合改性瀝青蠕變速率，隨著蓖麻油摻量的增加，復合改性瀝青的蠕變速率均呈上升趨勢，而添加納米SiO2后，復合改性瀝青的蠕變速率有不同程度下降。這與勁度模量的變化規律相呼應，進一步驗證了蓖麻油對瀝青低溫抗裂性能的積極作用，而納米SiO2會降低復合改性瀝青的低溫性能。值得注意的是當納米SiO2摻量從2%變化至4%，蠕變速率變化相對較大，說明納米SiO2的摻量應≤2%。而且當納米SiO2摻量達到6%時，其對應的復合改性瀝青的蠕變速率均低于基質瀝青，低溫性能無法滿足要求，因此不推薦摻加過量的納米SiO2。

3 結語

（1）納米SiO2會降低復合改性瀝青的針入度和延度，增加軟化點，蓖麻油則具有相反的作用。較低摻量的蓖麻油對瀝青針入度影響不大。生物油摻量為2%時，只要添加了納米SiO2，延度都無法達到基質瀝青水平。

（2）綜合考慮高低溫流變性能指標，從溫度敏感性角度考慮，建議納米SiO2摻量應≥4%。為保證復合改性瀝青的恢復能力，蓖麻油摻量宜≤6%，而納米SiO2摻量應盡可能大。考慮低溫抗裂性時，蓖麻油摻量應gt;3%，納米SiO2摻量應≤6%。

（3）在對基質瀝青的改性上，納米SiO2和蓖麻油對瀝青各項性能的影響基本呈現相反的效果，綜合推薦使用摻有4%納米SiO2和3%蓖麻油的復合改性瀝青。

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收稿日期：2022-12-22