路面面層材料納米改性瀝青的制備及性能研究

劉和操 劉正雄 李新燕 蔡莉莉 張莉麗

摘 要： 為改善基質瀝青作為路面面層鋪裝材料，導致高溫變形、低溫開裂和路面滲水等病害現象。利用納米SiO 2材料配合SBR改性劑對基質瀝青進行改性處理，利用高速剪切乳化儀制備改性瀝青試樣。通過改性后的3項指標數值選擇納米改性材料與基質瀝青的合適比例，以2%納米SiO 2+3%SBR改性材料“摻量”組合為例評價路面面層材料的綜合應用性能。結果表明：經過改性后的瀝青在處于-12、-15和-18 ℃環境時的2項低溫測試指標數值均優于原始瀝青材料，在60 ℃高溫環境下的抗車轍病害性能提高了41.18％，同時，納米改性瀝青相比于基質瀝青的浸水穩定度與劈裂強度比分別提高了8.58%和10.03%，說明能夠有效優化瀝青材料的高溫穩定性、防低溫開裂效應和抗水損性能。

關鍵詞： 路面面層；基質瀝青；納米改性瀝青；路用性能試驗

中圖分類號： TQ314.24+6

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0071-04

Study on the preparation and performance of nano-modified asphalt in pavement surface material

LIU Hecao，LIU Zhengxiong，LI Xinyan，CAI Lili，ZHANG Lili

（Southwest Communications Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650032，China）

Abstract：

The traditional matrix asphalt as pavement paving material is easy to cause high temperature deformation，low temperature cracking and water seepage.In order to this problem，the matrix asphalt was modified with nano-SiO 2 material and SBR modifier.The modified asphalt samples were prepared by high-speed shear emulsifier.The suitable proportion of nano-modified material and matrix asphalt was selected by the three indexes after modification，and the combination of 2% nano-SiO 2 +3%SBR modified material was taken as an example to evaluate the comprehensive application performance of pavement surface material.According to the test data，the two test indexes of the modified asphalt at -12 ℃，-15 ℃ and -18 ℃ are better than those of the original asphalt material，and the rutting resistance of the modified asphalt at 60 ℃ is increased by 41.18%.Compared with the matrix asphalt，the ratio of soaking stability and splitting strength of nano-modified asphalt is increased by 8.58% and 10.03%，respectively，which can effectively optimize the high temperature stability，low temperature cracking resistance and water damage resistance of asphalt materials.

Key words： pavement layer;matrix asphalt;nano-modified asphalt;road performance test

隨著公路建設規模的迅速擴大，公路交通壓力也越來越大。我國公路路面面層鋪裝以瀝青材料為主，受車流量以及氣候等因素的影響，以基質瀝青為原料的路面面層使用年限較短[1]。路面在遭受車輛碾壓后穩定性逐漸下降導致瀝青性能老化，隨之所產生的車轍形變、低溫脆裂、路面滲水等公路病害也越發繁多，嚴重影響交通行駛安全[2]。

為提高公路路面的穩定性，確保行車安全，在基質瀝青中添加改性材料已在路面面層原料中被廣泛使用。單一的聚合物改性材料由于高溫穩定性差且原材料成本較高，難以滿足實際應用需求[3]。基于納米粒子具有高強活性，能與其他聚合性改性材料產生疊加效果。基于此，在基質瀝青中摻入相應比例的納米材料，有助于提高路面面層性能，延長公路使用年限。

研究將納米SiO 2材料配合SBR改性劑對基質瀝青進行改性處理，根據3項指標數據、高溫穩定試驗、抗低溫試驗以及抗水損病害試驗結果進行綜合分析，結果表明，納米改性材料的加入對瀝青路面使用性能有顯著提升[4-6]。

1 納米改性瀝青材料特性與制備

1.1 納米材料基本特性

廣義來講，納米材料的含義是在三維空間范圍之內，其中最少有1個維度是在納米尺度（1～100 nm）以內的物質，或由其尺度范圍內的原子作為基本結構單位而組成的新1代超細晶粒材料。納米材料由于其微小粒徑和表面原子活性效應被廣泛應用于各個領域，與傳統材料相比其表現特性存在顯著差異，對于改善傳統材料的性能具有較高的應用價值[7]。

路面面層材料中所應用納米材料為納米SiO 2，納米SiO 2是一種具有獨特結構的白色無機粉體，一般只有在較高倍率電鏡下才能觀察到粒子形貌，納米SiO 2表面存在多種不飽和原子與不同狀態羥基，具有較強的表面活性[8]。

納米SiO 2具備較高的吸收性及穩定性，作為瀝青改性劑能夠改善瀝青路面面層的回彈性能、抗車轍和抗裂性能，對于延長路面面層使用壽命有著重要作用。

1.2 納米改性瀝青制備

1.2.1 原材料

依據JTG F40—2004瀝青規范標準，選擇 SK70瀝青作為原料，技術指標參數如表1所示。

SBR作為路面面層原料改性劑的1種，基與普通瀝青材料有較好的互溶性，它具有粒度小、制配方法簡便、高性價比等特點，在瀝青改性中被廣泛應用。SBR基本參數如表2所示。

納米SiO 2改性材料基本參數如表3所示。

1.2.2 制備方法

由于納米SiO 2材料粒子表面活性較強，在黏度比較高的基質瀝青中極易聚合，因此，本研究采用高速剪切制備方法在制備過程中降低納米粒子其表面活性能，減低瀝青黏度，將納米SiO 2改性材料均勻融合至基質瀝青，提高其分散性。

稱量普通基質瀝青600 g，使用高精度電子秤稱量一定重量的改性材料，而后利用高速剪切儀器進行剪切攪拌[9]。制備方法如圖1所示。

首先融化基質瀝青，并加入一定劑量的SBR和納米SiO 2粉體，將粉體與瀝青材料充分攪動至融合，而后利用高速剪切乳化儀在150 ℃條件下以3 000 r/min的轉動速率攪拌30 min，再將轉動速率調節至4500 ?r/min，溫度升至170 ℃，高速剪切攪拌1 h，最后將納米改性瀝青復配材料放置到150 ℃烘箱內溶脹發育40 min。

1.3 改性材料摻量確定

為確定納米SiO 2材料和SBR的最佳用量，參照 JTG E20—2011規范標準對融合后的納米改性瀝青進行針入度數值、軟化點數值及延度數值進行檢測，從而更好地評估改性劑對基質瀝青的影響。結合試樣檢測結果綜合分析，確定摻量最佳的一組[10]。

不同比例納米改性瀝青測試數據如表4所示。

由表4可知，隨著納米材料和SBR改性劑的融入，納米改性瀝青的各項指標呈現復雜變化。針入度指標過大表明瀝青試樣的基體硬度較低，抗形變敏感性越差[11]。軟化點數值越高說明路面面層具有較強的耐高溫能力。延度數值指標的大小反映了瀝青低溫拉伸性能與抗裂能力越強。結合三項性能指標數據，同時考慮實際經濟成本，選取2%納米SiO 2配合3%SBR配比，以此作為最優摻量比例，進行后續的路面性能測試。

2 納米改性瀝青路面性能分析

由以上結果可知，2%納米SiO 2+3%SBR摻量納米改性瀝青3項性能指標較為良好，為了進一步驗證路面面層原料中納米改性瀝青的綜合應用性能，將對所用瀝青材料進行高溫穩定性能、抗低溫性能以及抗水損性能測試，并與基質瀝青進行對比，從而獲得更加直觀的路用性能分析結果。

2.1 高溫穩定試驗

路面面層材料高溫穩定性能對交通行駛安全起著重要作用，高溫性能較差的面層材料在車輛荷載作用下會產生難以還原的車轍痕跡，導致路面變形。研究采用漢堡車轍檢測儀進行車轍試驗。

開啟車轍檢測儀，將瀝青試樣置于檢測儀內，放下檢測儀轉輪循環碾壓瀝青試樣40 min。設定最高檢測溫度為60 ℃，記錄不同溫度下瀝青試樣的車轍深度[12]。

納米改性瀝青與基質瀝青車轍試驗對比結果，如圖2所示。

由圖2可知，在高溫環境下，瀝青試樣的車轍痕跡越加明顯。當溫度到達60 ℃時，基質瀝青試樣車轍深度已達到17 mm，這是由于溫度的升高減小了瀝青顆粒的粘附性使其硬度降低，導致其抗高溫性能變差產生表面變形。而納米改性瀝青試樣的車轍深度始終不超過10 mm，抗車轍病害能力相比基質瀝青提高了41.18％，具有較強的高溫變形穩定性。

2.2 抗低溫性能分析

采用BBR測試法進行瀝青試樣抗低溫性能測試，分別在-12、-15和-18 ℃溫度條件下測試瀝青試樣蠕變速率，測試結果如圖5所示。

由圖3可知，溫度降低的同時瀝青試樣的蠕變速率 m 值呈遞減狀態，這說明環境溫度的降低導致瀝青溫度抵抗應力未能得到有效的釋放，從而超過瀝青試樣本身抗應力強度而導致低溫開裂現象[13]。當環境溫度降低至-18 ℃時，基質瀝青試樣的蠕變速率為0.27，不符合 m 值大于0.3的執行標準。而納米改性瀝青在-12、-15和-18 ℃溫度條件下 m 值均在0.3以上，符合規范標準。

同樣低溫條件下將納米改性瀝青和基質瀝青進行勁度模量對比，結果如圖4所示。

由圖4可知，瀝青試樣的勁度模量數值根據環境溫度變低呈遞增趨勢，導致瀝青材料逐漸脆硬化，極易發生低溫開裂現象。納米改性瀝青在-12、-15和-18 ℃溫度環境下試驗數值均小于基質瀝青，由此證明了納米改性瀝青的低溫抗裂性能更具優勢。

2.3 抗水損性能分析

為了進一步驗證納米改性瀝青的路用性能，采用馬歇爾浸水試驗和凍融劈裂試驗來分析瀝青材料的防水性能[14]。將瀝青試樣樣本冷卻10 h后脫模處理，在水槽中恒溫（60±1） ℃浸水48 h測試其穩定程度；測試結果如表5所示。

由表5可知，經過浸水試驗后基質瀝青浸水穩定度數值為83.65%，納米改性瀝青浸水穩定度數值為90.83%，穩定度提高了8.58%。

瀝青材料凍融后的性能指標體現了瀝青材料的抗水性能[15]，試驗利用馬歇爾擊實機形成2組瀝青試樣。其中一組置于恒溫水槽（25±1）℃中水浴2 h后進行試驗，另外一組真空飽水瀝青試樣先放置于-18 ℃低溫冷凍箱中16 h，而后在（60±1）℃恒溫水缸中浸水24 h后取出，采用凍融劈裂試驗專用夾具進行試驗。

凍融劈裂強度計算公式為：

S=100 R a R b ??（1）

式中： S 表示凍融劈裂強度； R a 代表瀝青試樣凍融后的劈裂強度； R b 代表未凍融的瀝青試樣劈裂強度。

由此得出試驗數據對比結果，具體如表6所示。

由表6可知，納米改性瀝青材料劈裂強度比為89.97%，相比于基質瀝青材料提高了10.03%，抗水損性能更強。

綜上所述，在普通基質瀝青原料中加入適當配比的納米改性材料，能夠有效提高路面面層瀝青的應用性能，相比于基質瀝青各項指標都有明顯提高，具有較強的可行性。

3 結語

（1）將納米材料與SBR作為瀝青改性劑制備路面面層材料，通過針入度數值、軟化點數值以及延度數值大小評估其性能標準，以2%納米SiO 2+3%SBR作為最佳摻量組合進行路面性能測試；

（2）[JP2]車轍試驗表明，基質瀝青經過改性之后針入度與延度指標有所減小，流變性有所提高，抗車轍病害性能提高了41.18％，具有較強的高溫穩定性能；

（3）[JP2]分別在-12、-15和-18 ℃低溫條件進行低溫性能試驗，根據蠕變速率與勁度模量測試結果推斷，納米改性瀝青2項數據指標均優于基質瀝青；

（4）通過馬歇爾浸水試驗和凍融劈裂試驗評估瀝青材料的防水性能，與基質瀝青相比，納米改性瀝青浸水穩定度提高了8.58%，劈裂強度比提高了10.03%，抗水損性能有明顯提升。

通過以上在普通瀝青中加入納米材料經過改性處理，使瀝青材料的耐高溫性能、抗低溫裂變性能和防水穩定性能均有顯著提升，由此作為路面面層材料能夠有效減輕公路路面的老化程度，保證交通行駛的安全性。

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