疏水性納米SiO2改性瀝青性能研究

周宏斌 董偉智 徐 楠 張 賀 張哲銘

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118)

0 引言

在北方嚴(yán)寒地區(qū)，由于氣溫較低且溫差較大，極易出現(xiàn)瀝青路面開裂的情況[1]，因此對(duì)瀝青的低溫性能有很高的要求，而基質(zhì)瀝青的低溫性能較差，無法滿足嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面的使用要求，因此需要尋找一種外加劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性來提高其路用性能[2]。

納米材料作為一種新興材料，近年來被廣泛運(yùn)用于對(duì)瀝青的改性[3]。葉中辰等[4]人使用納米SiO2對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)納米SiO2的加入改善了瀝青的抗老化性能，但其低溫性能反而有所降低；樊亮等[5]人研究了納米TiO2對(duì)瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)TiO2改性提高了瀝青的耐久性和抗老化性，但對(duì)瀝青的低溫性能有不利影響；張文剛等[6]人通過納米ZnO 對(duì)瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)納米ZnO 可以提高瀝青的高低溫性能，但提升幅度很小，關(guān)陽等[7]人探究了納米CaCO3對(duì)瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)納米CaCO3的加入能提高瀝青的高溫性能，并能提高混合料的水穩(wěn)定性，但其低溫略有下降。

如今，大多數(shù)納米材料對(duì)瀝青低溫性能的改善都不是十分理想，這里選用疏水性納米SiO2對(duì)瀝青進(jìn)行改性，疏水性納米SiO2是在納米SiO2的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)改性，減少了表面的羥基，使納米SiO2由親水性變?yōu)槭杷?，大大降低了發(fā)生表面失水及水解反應(yīng)的可能，對(duì)瀝青的低溫性能反而有積極作用[8]。

目前，對(duì)于往瀝青中摻加疏水性納米SiO2的研究較少，本文通過三大指標(biāo)及黏度試驗(yàn)來研究不同摻量的疏水性納米SiO2對(duì)改性瀝青性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)瀝青

選用90 號(hào)瀝青作為基質(zhì)瀝青。

1.2 疏水性納米SiO2

試驗(yàn)中所用的疏水性納米SiO2選自江蘇淮安某新材料加工廠，外觀為白色粉末如圖1.1 所示。具體參數(shù)如下表1.1。

圖1.1 疏水性納米SiO2

表1.1 疏水性納米SiO2參數(shù)表

1.3 改性瀝青的制備工藝

將基質(zhì)瀝青置于145℃烘箱中加熱2h，將熱好的瀝青倒入燒杯并稱重，后放入145℃的油浴中保溫，稱取瀝青質(zhì)量1%的疏水性納米SiO2粉末，然后將粉末分批量多次加入瀝青中，并且在加入過程中用玻璃棒不斷攪拌，使其在基質(zhì)瀝青中分散均勻至肉眼看不見白色粉末為止，后用高速剪切機(jī)以3000r/min 的速率剪切60min[9]。其中每用高速剪切機(jī)攪拌4min 后要暫停4min使機(jī)器冷卻。用相同的方法制備2-7%的改性瀝青。

1.4 針入度試驗(yàn)方法

選擇25℃、15℃和30℃三個(gè)溫度作為試驗(yàn)溫度，將試樣置于恒溫水浴中保溫1.5h 后放入針入度試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，分別至少進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，對(duì)滿足誤差的三個(gè)針入度值取平均。

1.5 軟化點(diǎn)試驗(yàn)方法

采用環(huán)球法進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，制備試樣時(shí)瀝青需要略高于環(huán)面，后用熱刮刀刮平，在低溫水浴中保溫15min 后放入軟化點(diǎn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)取平均值。

1.6 延度試驗(yàn)方法

選擇5℃作為試驗(yàn)溫度，拉伸速度為1cm/min，制備試樣時(shí)瀝青需略高于模具表面，后用熱刮刀刮平，在低溫水浴中保溫1.5h 后放入延度儀中進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行三次平行試驗(yàn)取平均值。

1.7 黏度試驗(yàn)方法

試驗(yàn)溫度選擇135℃，將瀝青倒入試筒中后與轉(zhuǎn)子一起放入135℃烘箱加熱1.5h，采用布式黏度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，打開加熱裝置提前預(yù)熱，將熱好的試筒放入儀器中。降低儀器高度，使轉(zhuǎn)子恰好完全浸入瀝青中，保溫15min 后進(jìn)行黏度試驗(yàn)。轉(zhuǎn)子的型號(hào)為RV（05），轉(zhuǎn)速選擇120RPM。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疏水性納米SiO2 對(duì)基質(zhì)瀝青三大指標(biāo)的影響

由圖2.1 可見，疏水性納米SiO2改性瀝青的25℃針入度會(huì)隨著疏水性納米SiO2摻量的增加而逐漸減小，瀝青的硬度變大。當(dāng)摻量大于5%時(shí)，針入度明顯減?。划?dāng)摻量為4%時(shí)，針入度下降較為緩慢。

圖2.1 25℃針入度

如圖2.2 所示，改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著摻量的提高，大致呈上升趨勢(shì)，但提升不大。當(dāng)疏水性納米SiO2摻量為1%-3%時(shí)，軟化點(diǎn)上升較快，當(dāng)摻量為4%-6%時(shí)，軟化點(diǎn)幾乎不再上漲，當(dāng)摻量為7%時(shí)，軟化點(diǎn)反而開始下降。由此可以看出，當(dāng)疏水性納米SiO2摻量為3%-6%時(shí)，改性瀝青的高溫性能比較好，當(dāng)摻量達(dá)到7%時(shí)為過摻情況，反而對(duì)高溫性能產(chǎn)生不利影響[10]。

圖2.2 軟化點(diǎn)

由圖2.3 可以看出，開始時(shí)改性瀝青的延度會(huì)隨著疏水性納米SiO2摻量的增加而提高，當(dāng)摻量為4%時(shí)，改性瀝青的延度最大，低溫性能最好。隨著摻量的繼續(xù)提升，延度逐漸下降，這是由于摻量過大，瀝青的比例降低，反而破壞了改性瀝青的低溫性能。

圖2.3 5℃延度

針入度可反映瀝青在常溫狀態(tài)下的抗變形能力，而軟化點(diǎn)可以大致反映瀝青的高溫性能，軟化點(diǎn)越高，瀝青的高溫性能越好；同時(shí)，瀝青的低溫性能也可大致通過延度來評(píng)價(jià)，延度越高，瀝青的低溫性能越好。綜上所述，疏水性納米SiO2的加入小幅提升了基質(zhì)瀝青的高溫性能，但對(duì)于瀝青的低溫性能有極大的提升，當(dāng)摻量為4%時(shí)，相較于不摻提升幅度達(dá)到77.6%。

2.2 疏水性納米SiO2 對(duì)基質(zhì)瀝青黏度的影響

從圖2.4 可以看出，改性瀝青的135℃黏度會(huì)隨著疏水性納米SiO2摻量的提高而不斷增大，這是由于隨著摻量的增加，分散在瀝青里的組分也在增加，增加了與瀝青間的粘附性，從而增大了改性瀝青的黏度。此外，當(dāng)疏水性納米SiO2摻量小于4%時(shí)，瀝青黏度增長較為緩慢；當(dāng)摻量大于4%時(shí),瀝青黏度明顯增長，其中當(dāng)摻量為4%時(shí)，黏度增長幅度最大，為15.3%，越有助于改性瀝青黏度的提高。

圖2.4 135℃黏度

3 結(jié)論與展望

（1）通過三大指標(biāo)試驗(yàn)和黏度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疏水性納米SiO2可以提高瀝青在常溫狀態(tài)下的抗變形能力，小幅提升瀝青的高溫性能，但當(dāng)摻量過大（7%）時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利影響；另外，疏水性納米SiO2的加入可提高瀝青的低溫性能和黏度，當(dāng)摻量為4%時(shí)改性瀝青的延度最高為32.5cm，黏度增長率也達(dá)到峰值15.3%。

（2）綜合試驗(yàn)結(jié)果，可選擇4%摻量的疏水性納米SiO2作為較優(yōu)的改性瀝青，其黏度增長率達(dá)到15.3%，和基質(zhì)瀝青相比，高溫性能提高了9.8%，低溫性能提高了77.6%。

（3）通過試驗(yàn)證明了疏水性納米SiO2確實(shí)能提高瀝青的低溫性能，且能小幅改善瀝青的高溫性能，接下來可通過制備瀝青混合料來進(jìn)一步確定疏水性納米SiO2的最佳摻量；另外也可與能提高瀝青高溫性能的改性劑，如SBS等復(fù)合來綜合提高瀝青的路用性能。

（4）市場(chǎng)上大多數(shù)納米材料對(duì)瀝青的低溫性能有不利影響，通過本文的研究，可知可以通過降低納米材料發(fā)生表面失水及水解反應(yīng)的可能來改善其改性效果，未來在納米材料的應(yīng)用過程中，可制備更多的疏水性納米材料，進(jìn)一步加強(qiáng)納米材料改性瀝青的路用性能。