納米ZnO/SBS 復合改性瀝青混合料路用性能試驗研究

黃文妤 庫都孜·庫娜吉

（1.新疆公路橋梁試驗檢測中心有限責任公司，烏魯木齊 830000；2.新疆交投科技有限責任公司，烏魯木齊 830000）

近幾年，納米改性瀝青技術成為研究學者的一個新的研究課題， 納米材料作為一種超微粒材料，具有較大的比表面積，表面能很大，且納米表面的原子不太穩(wěn)定，極易吸附其他原子并發(fā)生鍵結[1]。 在國內(nèi)外研究學者對納米材料改性瀝青的研究中發(fā)現(xiàn)， 納米微粒加入瀝青后改性瀝青的性能提升程度并不大， 并不能完全發(fā)揮納米微粒的自身性質(zhì)特點[2]。 目前道路建設中應用較多的是SBS 改性瀝青，研究發(fā)現(xiàn)SBS 改性劑雖然一定程度上改善了瀝青的各方面性能，但其性能的發(fā)揮在很大程度上直接受SBS 微粒在瀝青中的均勻分散程度及顆粒粒徑大小的影響[3-4]。 如果通過一定的方法或制備工藝可以改善SBS 微粒在瀝青中的分散狀態(tài)，將會更大程度地發(fā)揮SBS 改性劑的自身特性，改善瀝青的各方面性能。 本文結合納米微粒比表面積大和較大表面能的特點，擬將納米ZnO 材料與SBS 改性劑復摻對基質(zhì)瀝青進行改性，希望通過這種方式能夠更好地改善SBS 改性劑顆粒的分散效果，更大程度地提高瀝青的各方面性能。

1 原材料與配合比設計

1.1 試驗材料

試驗采用A-70 號石油瀝青作為復合改性瀝青的基質(zhì)瀝青，其技術指標見表1。SBS 改性劑采用巴陵石化公司生產(chǎn)的YH-791 型改性劑，其為白色線型粒柱狀，嵌段比S/B 為30/70。納米材料ZnO 由陜西某納米材料公司提供，ZnO 有效含量為95.46，外觀為白色粉末狀。 粗集料采用石灰?guī)r碎石，集料規(guī)格分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm， 細集料采用機制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，各檔集料的技術指標如表2 所示。

表2 各檔集料技術指標

1.2 復合改性瀝青制備及改性劑摻量確定

納米材料ZnO 外觀呈乳白色粉末狀，與基質(zhì)瀝青的相容性很好，在高溫條件下與熱熔的瀝青通過機械攪拌即可均勻混合。 SBS 改性劑與基質(zhì)瀝青的溶解度參數(shù)相差較大，與熱熔的基質(zhì)瀝青在機械攪拌方式下無法均勻混合在一起，通常采用高速剪切的方式對其進行混合改性。本文在制備ZnO/SBS 復合改性瀝青時采用溶劑法將SBS 改性劑和納米ZnO 置于溶劑苯中進行溶解，待完全溶解后放入熱熔的基質(zhì)瀝青中，并不斷采用機械攪拌方式將其均勻混合， 隨后將內(nèi)部的溶劑苯通過加熱攪拌揮發(fā)、冷凝回收等工藝排出，最終得到高性能的ZnO/SBS復合改性瀝青。

結合已有的相關研究資料表明，SBS 改性瀝青的SBS 改性劑摻量在5%時各方面路用性能達到最優(yōu)， 本文在試驗研究時SBS 摻量采用5%[5]。 納米ZnO 改性劑的摻量需結合改性瀝青性能試驗確定，在5%SBS 改性瀝青的基礎上加入不同ZnO 摻量（1%、3%、5%、7%、9%） 制備得到復合改性瀝青，然后對其進行基本性能試驗，試驗結果見表3。 從表3中復合改性瀝青各方面性能試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，ZnO 摻量大于5%各方面性能改善或提高的幅度變緩并趨于平穩(wěn)，綜合改性劑效果、經(jīng)濟等方面考慮將ZnO 摻量確定為5%。

表3 ZnO/SBS 復合改性瀝青性能

1.3 配合比設計

采用AC-13 型礦料級配進行瀝青混合料性能試驗，礦料級配設計見表4。

表4 礦料級配設計表

根據(jù)礦料級配，初定SBS 改性瀝青的最佳油石比為4.8%，并以0.3%間隔左右各取2 組油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%。 分別對5 組油石比進行馬歇爾試驗，試驗結果如表5 所示。 從表5 的各項指標參數(shù)與油石比的關系可最終確定SBS 改性瀝青的最佳油石比為4.9%。

按照以上方法分別確定基質(zhì)瀝青、納米ZnO 改性瀝青及ZnO/SBS 復合改性瀝青的最佳油石比分別為4.8%、4.9%和5.0%

表5 馬歇爾試驗結果

2 路用性能試驗結果分析

2.1 高溫性能

采用車轍試驗分別對70# 基質(zhì)瀝青、ZnO 改性瀝青、SBS 改性瀝青、ZnO/SBS 復合改性瀝青等4 種混合料進行車轍試驗，前3 種瀝青混合料均為對照組，評價ZnO/SBS 復合改性瀝青的高溫抗車轍變形性能。 試驗溫度選擇60℃，車輪荷載為0.7 MPa，試驗結果見表6。

表6 車轍試驗結果

從表6 可以看出，4 種瀝青混合料的動穩(wěn)定度大小排序為：ZnO/SBS 改性瀝青＞SBS 改性瀝青＞ZnO 改性瀝青＞70# 基質(zhì)瀝青， 相對于70# 基質(zhì)瀝青，納米ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提高了58.2%、176.5%， 說明2 種瀝青改性劑對普通基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能都有很大提升，且SBS 改性劑對于瀝青混合料的高溫性能提升作用更大；ZnO/SBS 改性瀝青混合料相對單摻納米ZnO 和SBS 改性劑時分別提高了145%、40.2%， 說明2 種瀝青改性劑復摻時對基質(zhì)瀝青的改性效果最佳，可能是納米ZnO 和SBS 改性劑加入瀝青后相互作用發(fā)生化學反應產(chǎn)生了更為穩(wěn)固的網(wǎng)絡結構的結果[6]。

2.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗對4 種瀝青混合料的低溫性能進行試驗，試驗溫度選取-10℃，試驗結果見表7。

表7 低溫彎曲試驗結果

從表7 可知，相比70# 基質(zhì)瀝青混合料，納米ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料的彎拉強度都有所提高，這是由于ZnO 和SBS 改性劑加入瀝青后增加了瀝青的粘度，提高了瀝青與集料的粘結強度，試驗時試件抵抗破壞需要的力和強度較大。 與70# 基質(zhì)瀝青相比，ZnO 改性瀝青與SBS 改性瀝青混合料的破壞應變分別增加了28.1%、90.9%，勁度模量分別降低了6.1%、11.9%， 說明納米ZnO 和SBS 改性劑均可提高瀝青混合料的低溫抗裂性。ZnO/SBS 復合改性瀝青混合料的破壞應變分別比ZnO 改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料增加了114.7%、44%，勁度模量分別降低了28.2%、23.4%。說明ZnO 與SBS 改性劑復摻后明顯提高了改性瀝青混合料的低溫性能。 一方面是由于ZnO 與SBS混摻后發(fā)生化學反應生成了更穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構，試件開裂需要消耗更大的斷裂能， 另一方面是由于ZnO 加入后改善了SBS 在瀝青中的分散程度，使SBS 改性劑顆粒粒徑更小，分散得更加均勻，從而改善瀝青混合料的低溫抗裂性能[7-8]。

2.3 水穩(wěn)定性

采用國內(nèi)常用的水穩(wěn)定性評價試驗即浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分別對4 種混合料的抗水損害性能進行試驗評價，試驗結果見表8～9。

表8 浸水馬歇爾試驗結果

表9 凍融劈裂試驗結果

從表8、9 可知，單摻納米ZnO 或SBS 改性劑的改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均較70# 基質(zhì)瀝青有所提高，且2 種改性劑復摻后的復合改性瀝青的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比更大，說明納米ZnO 或SBS 改性劑均改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性， 但納米ZnO 沒有SBS 的效果顯著。 同時摻加2 種改性劑后混合料的抗水損害性能顯著提高，說明納米ZnO 改善了SBS 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3 結論

通過路用性能試驗分別對70# 基質(zhì)瀝青、ZnO改性瀝青、SBS 改性瀝青、ZnO/SBS 復合改性瀝青等4 種混合料進行室內(nèi)試驗， 前3 種瀝青混合料均為對照組， 通過路用性能結果分析可以得出以下結論。

（1）通過車轍試驗結果可得出，動穩(wěn)定度大小排序為：ZnO/SBS 改性瀝青>SBS 改性瀝青>ZnO 改性瀝青>70# 基質(zhì)瀝青，納米ZnO 和SBS2 種瀝青改性劑對普通基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能都有較大提升， 且SBS 效果更明顯；2 種瀝青改性劑復摻時對基質(zhì)瀝青的改性效果最佳。

（2）通過低溫彎曲試驗結果可知，納米ZnO 和SBS 改性劑均可提高瀝青混合料的低溫抗裂性。 且ZnO 與SBS 改性劑復摻后的改性瀝青混合料的低溫性能明顯提高。

（3） 從浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果可知，納米ZnO 或SBS 改性劑都一定程度改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性， 只是SBS 改性劑的效果更明顯；加入納米ZnO 后SBS 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性顯著提高。