納米有機蒙脫土和納米ZnO對瀝青性能的影響研究

羅文歡

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

道路石油瀝青在我國公路瀝青鋪面中被廣泛應用，但隨著公路建設場景的擴大，在極端氣候環境下的路面鋪筑需要綜合考慮高溫、低溫條件及路面的抗疲勞性能等因素。一直以來，提升瀝青及瀝青混合料的耐久性、穩定性及溫度敏感性是公路工程領域研究者關注的熱點［1-3］。國內外學者通過添加不同的納米材料提升瀝青的耐久性，降低溫度敏感性，并取得一定的研究成果。彭天鶴等［4］對不同摻量的納米ZnO改性瀝青開展研究，得出隨著納米ZnO摻量的增加，改性瀝青的各項性能先提升后降低的結論，并通過紅外光譜試驗揭示了納米ZnO 與瀝青的作用機理。王瓊［5］對有機蒙脫土改性瀝青及瀝青混合料進行全面研究，認為有機蒙脫土改善了瀝青及瀝青混合料的路用性能。JIN 等［6］研究有機膨潤土對不同瀝青性能的影響，試驗結果表明，摻加有機膨潤土后的改性瀝青的軟化點和抗車轍能力略有提高，但疲勞因子和低溫抗裂性能有所降低。崔亞楠等［7］對納米有機蒙脫土改性瀝青抗老化性能開展研究，認為納米有機蒙脫土的層狀結構插入瀝青分子后，對納米有機蒙脫土改性瀝青的抗老化性能有很大的改善作用。黃娟［8］對納米ZnO/SBS 復合改性瀝青進行研究，得出納米ZnO改善了SBS改性瀝青的儲存穩定性，并提升了SBS 改性瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性的結論。以往的研究發現納米有機土和納米ZnO 改性劑的加入可以改善瀝青及瀝青混合料性能，但低溫和疲勞性能可能有所下降。上述研究多對納米有機土和納米ZnO 用于改性基質瀝青或與其他改性劑對瀝青進行復合改性，但鮮有文獻研究對比2種改性劑在改性瀝青后的高、低溫性能和疲勞性能等。因此，本文選用納米蒙脫土和納米ZnO 2種改性劑，用于改性70#瀝青，并對改性后的瀝青性能進行比較分析，確定瀝青流變性能方面改性更好的一者。本研究對納米有機蒙脫土和納米ZnO 在瀝青改性劑領域獲得更好的應用有一定的參考價值。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

選用70#A 級瀝青作為基質瀝青，相關技術指標見表1。

表1 70#A級瀝青技術指標

納米有機蒙脫土和納米ZnO 均購自市場，相關技術指標見表2和表3。

表2 納米有機蒙脫土技術指標

表3 納米ZnO技術指標

參考現有文獻［9-10］的研究結果，將納米有機蒙脫土的摻量設置為基質瀝青質量的8%、10%和12%，納米ZnO的摻量設置為瀝青質量的1%、2%和3%。為方便繪制圖表，納米有機蒙脫土以M 表示，納米ZnO以Z表示。

1.2 改性瀝青制備方法

為制備納米有機蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青試樣，選擇高速剪切儀將基質瀝青與2種改性劑分別按照相應的重量混合。為確保所有樣品均勻混合，納米蒙脫土與基質瀝青的混合時間設置為120 min，混合溫度為（150±5）℃，剪切速率為3 000 rpm。納米ZnO在（160±5）℃的混合溫度下和2 000 rpm 的剪切速度下與基質瀝青攪拌20 min，然后在（170±5）℃混合溫度和4 500 rpm 剪切速率下，再次攪拌40 min，最后將2 種改性瀝青的所有試樣放入150 ℃烘箱中采用錫紙密封發育30 min，制得成品。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規性能試驗

采用針入度、軟化點和布式旋轉黏度評價納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青常溫下的稠度、高溫性能及施工性能。相關試驗過程參考我國規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［11］。

1.3.2 動態剪切流變性能試驗

采用動態剪切流變儀測試納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的黏彈特性，主要是通過測試復數模量G*和相位角δ表征瀝青的高溫性能和中溫性能。使用TFOT 進行短期老化，并測試原樣、TFOT短期老化后的瀝青試樣復數模量G*和相位角δ。相關試驗過程參考規范JTG E20—2011。

1.3.3 彎曲梁流變儀（BBR）試驗

按照我國規范JTG E20—2011中的要求，“T0627”采用彎曲梁流變儀（BBR）試驗測試瀝青混合料的低溫性能，采用彎曲蠕變勁度蠕變速率（S）和蠕變速率（m）評價瀝青結合料的低溫性能。S越小，m越大，表明瀝青的低溫性能越好。要求在規定試驗溫度下，S＜300 MPa，m＞0.3。

2 試驗結果及分析

2.1 常規性能試驗結果及分析

2.1.1 軟化點

軟化點試驗結果如圖1 所示。由圖1 可知：①隨著納米有機蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，納米有機蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的軟化點均不斷增大，并且增大過程為線性提升，與改性劑摻量有顯著相關性。②納米有機蒙脫土和納米ZnO 均提升了70#瀝青的軟化點，改善了70#瀝青的高溫性能。納米有機蒙脫土和納米ZnO 均會增大70#瀝青的稠度，納米蒙脫土對70#瀝青軟化點的提升高于納米ZnO。

圖1 軟化點試驗結果

2.1.2 針入度

25 ℃針入度試驗結果如圖2 所示。從圖2 可知，當在改性瀝青中添加更多的納米有機蒙脫土時，觀察到較低的針入度。當納米有機蒙脫土從8%的摻量增加到12%時，針入度從62.3 下降到45.1，相比70#基質瀝青，針入度下降幅度從9%變化到34%。此外，納米ZnO 和納米有機蒙脫土的變化趨勢相同，針入度隨著納米ZnO 摻量的增加而降低。隨著從1%納米ZnO 摻量提升至3%，針入度值由61.6下降至49.8。納米有機蒙脫土或納米ZnO 的所有針入度均低于70#基質瀝青。隨著納米有機蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，針入度呈下降趨勢，這是因為納米有機蒙脫土和納米ZnO 加入瀝青后會分散，使瀝青變得更硬，從而提高了瀝青的常溫稠度。

圖2 針入度試驗結果

2.1.3 布式旋轉黏度試驗結果及分析

布式旋轉黏度試驗結果如圖3 所示。由圖3 可知，隨著納米有機蒙脫土摻量的增加，布式旋轉黏度增大，表明納米有機蒙脫土改性瀝青在高溫下具有更低的流動能力（更高的阻力）。納米ZnO 改性瀝青和納米有機蒙脫土改性瀝青有相同的變化趨勢，二者的布式旋轉黏度均高于基質瀝青，并且其流動阻力隨著納米ZnO 或納米有機蒙脫土改性劑的摻入量增加而提升。然而，較高的布式黏度意味著較低的可施工性。納米有機蒙脫土改性瀝青軟化點和布式旋轉黏度的增大是由于納米有機蒙脫土在瀝青中形成層狀插入結構導致的，瀝青分子通過層狀插入結構后在高溫下的流動能力被抑制。盡管納米有機蒙脫土試樣的布式旋轉黏度高于基質瀝青，但是所有試樣均未超過我國規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF 40—2004）中對改性瀝青低于3 000 mPa·s（3 Pa·s）的要求。這意味著用2 種選定的改性劑中的任何一種改性70#瀝青，均不會對70#瀝青的布式旋轉黏度產生較大的負面影響。

圖3 布式旋轉黏度試驗結果

2.2 流變性能試驗結果及分析

2.2.1 高溫流變性能試驗結果及分析

對短期老化的瀝青開展高溫流變性能試驗，試驗溫度范圍為58～82 ℃，間隔溫度為6 ℃。其中，復數模量G*試驗結果如圖4 所示。由圖4 可知，任何摻量的納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO，其G*值都會隨著測試溫度的升高而降低，表明溫度上升不利于改性瀝青的高溫性能。向70#瀝青中添加納米蒙脫土或納米ZnO，能小幅度提升G*，意味著添加納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 能提升70#瀝青的高溫性能。試驗結果表明，當納米蒙脫土的含量為12%、納米ZnO 的含量為3%時，能夠更好地提升70#瀝青的高溫性能。

圖4 復數模量G＊試驗結果

相位角δ試驗結果如圖5所示。由圖5可知，隨著納米蒙脫土改性瀝青或納米ZnO 的摻量增加，改性瀝青相比70#瀝青的相位角δ逐漸減小，表明納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 的摻加提高了70#瀝青的彈性成分，使瀝青的高溫性能增強。

圖5 相位角δ試驗結果

車轍因子G*/sinδ由復數模量G*和相位角δ計算得出，車轍因子是評價瀝青結合料高溫性能的指標，因此根據上文試驗獲得的復數模量G*和相位角δ計算車轍因子，用于評價納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的高溫性能。計算結果如圖6 所示。由圖6可知，納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO改性瀝青的車轍因子均隨著溫度升高而降低，隨著納米蒙脫土改性或納米ZnO 摻量的增加而提升，表明溫度不利于改性瀝青的高溫性能，并且隨著溫度升高呈快速下降的趨勢，而改性劑摻量的增加，使車轍因子呈線性增長，這與上文的軟化點試驗結果類似，進一步反映出車轍因子與軟化點2 個指標具有一定的內在相關。

圖6 車轍因子G＊/sinδ的計算結果

2.2.2 中溫流變性能試驗結果及分析

長期老化瀝青的溫流變性能試驗采用3個試驗溫度，分別為25 ℃、28 ℃、31 ℃。試驗結果通過復數模量G*和相位角δ反映，通過這2個指標計算G*·sinδ，即疲勞因子，該指標能反映瀝青在常溫下的抵抗疲勞荷載能力，疲勞因子越低，表明瀝青的抗疲勞性能越好。中溫條件下，復數模量G*和相位角δ的試驗結果如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 可知，隨著溫度上升，復數模量G*下降，相位角δ 上升；隨著納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的增加，復數模量G*下降，相位角δ 降低。中溫條件下，復數模量G*較低有利于瀝青的抗疲勞性能，因此溫度升高會影響瀝青的疲勞性能，而納米蒙脫土和納米ZnO 摻量的提升有利于提升瀝青的疲勞性能。為更好地對比不同摻量的納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的疲勞性能，采用疲勞因子G*·sinδ進行分析，疲勞因子G*·sinδ計算結果如圖9 所示。從圖9 可知，疲勞因子G*·sinδ隨著納米蒙脫土和納米ZnO 改性劑含量的增加而降低，反映了在所有試驗溫度下，添加改性劑后瀝青的抗疲勞性能提高。所有G*·sinδ均小于5 000 kPa，符合JTG E20—2011 中規定的最大值。2 種改性瀝青的G*·sinδ的試驗結果差距較小，表明在本文設定摻量下的2種改性瀝青對瀝青的抗疲勞性能的影響相似。

圖7 復數模量G＊試驗結果

圖8 相位角δ試驗結果

圖9 疲勞因子G＊·sinδ計算結果

2.2.3 低溫流變性能試驗結果及分析

低溫流變性能試驗溫度設定為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃，結果如圖10 和圖11 所示。分析圖10 和圖11可知：①在-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃溫度條件下，70#瀝青的m均未達到0.3，摻加納米蒙脫土和納米ZnO后，m均高于0.3，并且在摻加納米蒙脫土和納米ZnO 后，S均有所降低，表明納米蒙脫土和納米ZnO 均能改善70#瀝青的低溫性能。②納米蒙脫土和納米ZnO 改性瀝青的S和m隨改性劑的摻量增加而提升，其S和m呈現相同的變化規律，即隨著改性劑摻量增加，S降低，m增加，表明納米蒙脫土和納米ZnO摻量越高，改性瀝青的低溫性能越好。③8%～12%摻量的納米蒙脫土8%～12%與1%～3%摻量的納米ZnO 的S與m相當，表明這2種改性劑在上述摻量范圍內對瀝青的低溫性能的影響相似。

圖10 m試驗結果

圖11 S試驗結果

3 結論

本文通過開展常規性能試驗和高、中、低溫流變性能試驗，對8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能開展研究，得出如下結論：納米蒙脫土和納米ZnO 改性70#瀝青后，改性瀝青的性能隨著納米蒙脫土和納米ZnO 的摻量而變化，其變化趨勢相同，并且8%～12%摻量的納米蒙脫土改性瀝青與1%～3%摻量的納米ZnO 改性瀝青的性能相當。本文所選擇的納米蒙脫土和納米ZnO 摻量使納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的各項性能均有所提升，并且布式旋轉黏度均未超出相關規范的允許范圍，因此在工程實際應用中可在本文研究結果的基礎上適當地提升納米蒙脫土和納米ZnO 的摻量。本文僅對比研究納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的常規性能和流變性能，未對其微觀特性和化學特性開展研究，在后續研究中將進一步對納米蒙脫土改性瀝青和納米ZnO 改性瀝青的微觀特性和化學特性開展研究，以期揭示納米蒙脫土、納米ZnO 改性瀝青的微觀機理和化學機理。