納米TiO2改性瀝青高溫流變性能研究

趙 陽 蒲凌云 谷 偉

（重慶工商職業學院，重慶 400038）

0 引言

早期裂縫、老化和永久性變形是瀝青路面的常見問題，這些病害與瀝青的性能有關。改性瀝青具有良好的抗永久變形、減緩疲勞裂紋和提高溫度穩定性等優點，是減少甚至避免路面早期病害的有效解決方案，可以提升路面使用性能、安全性和舒適性[1]。納米材料是一種新型的瀝青改性材料，可提高瀝青的工程特性[2]。研究表明，納米TiO2提高了瀝青在高溫下的穩定性，并提高了瀝青的抗氧化性和抗老化性[3]。楊群提出納米TiO2可以促進聚合物與瀝青之間更好地相互作用，減少聚合物離析，提高改性瀝青粘合劑的穩定性[4]。張冬梅指出納米TiO2可能會提高瀝青對疲勞、永久變形和氧化老化的抵抗力[5]。譚邦耀認為TiO2與其他改性劑結合作為聚合物，可以增強瀝青的軟化點和延展性[6]。

上述研究表明，納米TiO2等材料用于瀝青改性中，可以改善瀝青混合料抗疲勞性、軟化點、延展性和材料老化等。然而，充分使用TiO2作為瀝青的改性劑，需要對瀝青進行流變特性研究。鑒于此，本文研究納米TiO2改性瀝青的高溫流變性能，具有工程實際意義。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）瀝青：本研究使用SBS改性瀝青，技術指標見表1所示。

表1 瀝青技術指標

（2）二氧化鈦：納米TiO2呈粉末狀，銳鈦礦型，具體技術指標見表2所示。

表2 TiO2技術指標

1.2 試驗方法

通過針入度試驗、軟化點試驗、旋轉薄膜烘箱老化試驗（RTFOT）、剪切流變試驗和多重應力蠕變恢復試驗測定二氧化鈦改性瀝青的高溫流變及抗老化性能。其中針入度、軟化點和旋轉薄膜烘箱老化試驗步驟參考《瀝青和瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行。

動態剪切流變試驗對瀝青施加正弦剪切應力或應變，儀器記錄其應變或應力數據，通過計算機獲得復數模量G*和相位角δ，并以復數模量G*和相位角δ兩個參數計算車轍因子G*/sinδ。本文試驗采用應變控制模式，原樣瀝青應變水平為12%，RTFOT瀝青應變水平為10%，試驗溫度為52～76℃，間隔6℃。

多重應力蠕變恢復試驗(multiple stress creep recovery，MSCR)通過施加周期性的荷載，測試瀝青的蠕變恢復能力，以表征瀝青的高溫性能。采用兩個應力水平，分別為0.1kPa 和3.2kPa，循環加載10 個周期，試驗溫度70℃。多重應力蠕變恢復試驗以0.1kPa、3.2kPa水平下的不可恢復蠕變柔量評價瀝青的高溫性能，以彈性回收百分比評價瀝青的彈性恢復能力。

2 試驗結果與討論

2.1 高溫流變性能

表3為純瀝青和改性瀝青的軟化點和針入度測試結果。表4為TiO2改性瀝青軟化點和針入度的提升效果。

表3 TiO2改性瀝青軟化點和針入度測試

表4 TiO2改性瀝青軟化點和針入度改善效果

如表3、表4所示，瀝青老化前后，隨TiO2的加入，瀝青軟化點均有所增加，針入度逐漸降低，TiO2摻量5%時，老化前軟化點增長5.88%，針入度降低13.73%，老化后增長3.64%，針入度降低33.33%。這種變化將顯著改善瀝青混合料對永久變形的抵抗力。這種現象的發生可能是由于向瀝青基質中添加TiO2產生了顆粒荷載，促進了瀝青材料粘度和剛度的增加；其次TiO2吸收瀝青中的輕組分，使瀝青質含量間接增加，隨著TiO2摻量的增加，形成的顆粒就越難溶解，顆粒結塊現象在視覺上表現為殘留的顆粒阻礙了針入的深度，導致針入度降低。

不同TiO2摻量下改性瀝青的DSR 測試結果如圖1所示。

圖1 不同TiO2摻量下改性瀝青的車轍因子

從圖1可以看出，車轍因子隨溫度的升高而減小，表明TiO2改性瀝青具有溫度敏感性。同時，車轍因子隨著TiO2用量的增加而增加，表明TiO2改性瀝青的溫度敏感性降低，耐高溫變形能力增強。當TiO2用量為5%時，車轍因子達到最大值，TiO2改性瀝青的高溫性能最佳。隨著TiO2用量的增加，TiO2在瀝青中形成穩定的結構，加之良好的吸持瀝青的能力，可以大幅度地提高車轍因子。

2.2 短期抗老化性能

表5為瀝青RTFOT（短期老化）試驗后的針入度殘余率、RTFOT前后的軟化點變化、RTFOT后的熱敏指數和質量損失的結果。

表5 TiO2改性瀝青老化試驗結果

針入度殘余率衡量的是瀝青在RTFOT過程后保持其針入度的能力，表5顯示TiO2改性瀝青的針入度殘余率比普通瀝青高，所有樣品的針入度殘余率都在70%左右，表明在短時間內，材料的老化敏感性幾乎沒有改變。滲透和軟化點測試可以得到另一個參數，即熱敏指數（TSI）。大多數瀝青的TSI 在-1.5～0 之間。表5 顯示，純瀝青的TSI為-0.44，改性瀝青的數值更小，TSI的降低表明，與純瀝青相比，改性瀝青更傾向于在溫度變化中保持其穩定性。同時TiO2改性瀝青的質量損失較少，這表明老化過程瀝青的揮發較少，粘彈性的特性得以更好地保留。上述試驗結果表明TiO2可以減緩瀝青老化的發生，減小因老化帶來的瀝青性質的下降。究其原因在于TiO2的添加有利于避免瀝青化學成分的氧化，TiO2納米顆粒的高表面積有利于與瀝青顆粒的相互作用并降低氧化傾向，同時可以減少瀝青基體中化學成分的揮發性，這與SBS改性瀝青的效果一致。實驗過程中也觀察到RTFOT使所有的樣品更加堅硬，剛度提升，這會極大地降低瀝青混合料的耐久性和抗疲勞性能。

2.3 多重應力蠕變恢復

圖2為純瀝青和TiO2改性瀝青在100Pa和3200Pa兩種應力下的不可恢復蠕變柔量（Jnr）的結果，Jnr參數衡量了對永久變形的敏感性，Jnr越低表明變形的可能性越小。

圖2 不同TiO2摻量下改性瀝青的不可恢復蠕變柔量

圖2顯示，在兩種應力強度下，Jnr隨著TiO2摻量的增加而降低。這種現象表明，TiO2改性瀝青更不容易發生永久變形。TiO2摻量為3%時，Jnr下降了22.4%～26.9%，摻量為5%時，Jnr下降了34.2%～35.3%，說明小摻量TiO2就可以提高瀝青的抗變形能力，隨著摻量的增大，Jnr也會持續增加，但增長幅度減小。

彈性恢復百分比（Rec）見圖3所示。

圖3 不同TiO2摻量下改性瀝青的彈性恢復百分比

如圖3所示，彈性恢復百分比隨TiO2的加入而增加，說明改性瀝青的彈性恢復能力比純瀝青大。當含量超過3%后，彈性恢復百分比逐漸降低，摻量達5%時，改性瀝青彈性恢復百分比與純瀝青基本相當，表明高摻量TiO2的分散性較差。

3 結束語

本文研究了納米TiO2改性瀝青的高溫流變性能，主要結論如下：

（1）TiO2改性瀝青針入度減小、軟化點增大，說明TiO2改性瀝青和剛度增加；車轍因子隨著TiO2用量的增加而增加，表明TiO2改性瀝青的溫度敏感性降低，耐高溫變形能力增強；

（2）恢復蠕變柔量隨著TiO2摻量的增加而降低，彈性恢復百分比隨TiO2的加入先增大后減小，證明TiO2改性瀝青抗永久變形能力有所提高；

（3）TiO2改性瀝青的針入度殘余率比普通瀝青高，熱敏指數減小，質量損失降低，這表明老化過程瀝青的揮發較少，粘彈性的特性得以更好地保留，證明TiO2可以減緩瀝青老化的發生。