納米TiO2對(duì)瀝青及瀝青混合料性能影響研究*

高 運(yùn)

（新鄉(xiāng)市交通運(yùn)輸綜合服務(wù)中心，河南新鄉(xiāng)453000）

瀝青路面是我國(guó)高速公路的主要結(jié)構(gòu)形式，具有行車舒適、建養(yǎng)方便和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。但瀝青為有機(jī)高分子材料，運(yùn)營(yíng)過程中在太陽(yáng)紫外線照射下容易發(fā)生紫外老化，致使瀝青組分及分子結(jié)構(gòu)改變，物理性能下降[1-4]，從而降低路面結(jié)構(gòu)使用壽命，因而研究改善瀝青抗紫外老化性能具有重要意義。

納米TiO2具有無(wú)毒無(wú)害、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，在化妝品和涂料等行業(yè)已得到廣泛利用[5-8]，近年來(lái)相關(guān)學(xué)者提出采用納米TiO2改性瀝青，以提高其抗紫外老化性能，目前已取得一定成果。梁慧等研究了納米TiO2對(duì)瀝青紫外老化前后三大指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)紫外老化后摻有納米TiO2的瀝青針入度和延度明顯較高，而軟化點(diǎn)較低[9]；于江等基于傅里葉紅外光譜分析法研究了納米TiO2對(duì)紫外老化前后瀝青中官能團(tuán)的影響，發(fā)現(xiàn)摻入1.5%的TiO2能有效提高瀝青抗紫外老化性能[10]；李欣研究了納米TiO2類型對(duì)瀝青抗老化性能的影響，發(fā)現(xiàn)三種類型納米TiO2均能使抗老化性能得到改善，且改善效果由優(yōu)到劣排序依次為金紅石型、混晶型和銳鈦型[11]。

現(xiàn)有關(guān)于納米TiO2對(duì)瀝青性能的影響研究多著眼于其抗紫外老化性能，較少涉及瀝青混合料路用性能，故研究掌握納米TiO2對(duì)瀝青混合料路用性能的影響十分重要。為此，制備納米TiO2改性瀝青，就其紫外老化前后的高低溫性能變化規(guī)律分別進(jìn)行研究，進(jìn)而制備相應(yīng)瀝青混合料分析納米TiO2對(duì)其路用性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

（1）瀝青

采用SBS(I-C)改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，見表1。

表1 SBS(I-C)改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of SBS (I-C) modif ied asphalt

（2）集料和級(jí)配

粗細(xì)集料均采用玄武巖，主要技術(shù)指標(biāo)見表2，填料為石灰?guī)r礦粉，級(jí)配采用SMA-13，其各篩孔通過率見表3。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Aggregate technical indicators

表3 SMA-13集料級(jí)配Table 3 SMA-13 aggregate gradation

1.2 納米TiO2改性瀝青制備

納米TiO2粒徑極小，容易因納米粒子表面效應(yīng)、范德華力和布朗運(yùn)動(dòng)等作用產(chǎn)生團(tuán)聚[12-13]，影響其對(duì)瀝青的改性效果。為保證制備的納米TiO2改性瀝青分散效果良好，將SBS改性瀝青加熱至165℃±5℃，用玻璃棒以60r/min速率攪拌5min，進(jìn)而改用高速剪切機(jī)以8000r/min速率剪切30min，即可制得納米TiO2改性瀝青。

2 紫外老化前后納米TiO2改性瀝青高低溫性能變化規(guī)律

分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%（摻量為瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的改性瀝青置于163℃條件RTFOT中保溫85min模擬短期老化，進(jìn)而移入紫外加速老化箱分別進(jìn)行0h、2h、4h和6h紫外老化（紫外光波長(zhǎng)365nm，輻射強(qiáng)度0.05W/cm2），而后進(jìn)行DSR和BBR試驗(yàn)研究其老化前后高低溫性能變化規(guī)律。

2.1 高溫性能變化規(guī)律

DSR試驗(yàn)可獲取瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角，其中復(fù)數(shù)模量表征瀝青抗變形能力大小，值越大高溫抗變形能力越好，相位角表征瀝青中粘彈比例，值越小表征瀝青越接近完全彈性體，高溫變形恢復(fù)能力越好。為此，分別對(duì)各個(gè)納米TiO2摻量和紫外老化時(shí)間條件下的瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，溫度64℃，頻率10rad/s，得出其復(fù)數(shù)模量和相位角試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 紫外老化時(shí)間和納米TiO2摻量對(duì)瀝青復(fù)數(shù)模量影響Fig. 1 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on complex modulus of asphalt

圖2 紫外老化時(shí)間和納米TiO2摻量對(duì)瀝青相位角影響Fig. 2 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on asphalt phase angle

由圖1和圖2可知，隨著紫外老化時(shí)間延長(zhǎng)，瀝青復(fù)數(shù)模量增加，表明瀝青抗變形能力增強(qiáng)，而相位角降低，表明瀝青高溫下變形恢復(fù)能力提高，其中紫外老化時(shí)間由0h增加至6h時(shí)，0%、1%、2%和3%摻量的納米TiO2改性瀝青復(fù)數(shù)模量分別增加2.83倍、2.65倍、2.55倍和2.58倍，而相位角分別下降8.1%、5.3%、4.3%和3.9%；對(duì)未進(jìn)行紫外老化的瀝青，隨著納米TiO2摻量的提高，其復(fù)數(shù)模量逐漸增加，抗變形能力增強(qiáng)，而相位角則基本不變，分析原因可能為粉末狀納米TiO2的摻入使瀝青粘度增加，故高溫下更不容易產(chǎn)生變形，而其并未改變?yōu)r青中粘彈比例，因而相位角不變。

在瀝青中摻入納米TiO2能有效改善其抗紫外老化性能，且隨摻量的提高改善效果逐漸變好，但摻量超過2%后改善效率降低，其中納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青復(fù)數(shù)模量隨紫外老化時(shí)間變化線平均斜率分別為1.98、1.79、1.64和1.59，而相位角隨紫外老化時(shí)間變化線平均斜率分別為1.00、0.70、0.52和0.47，顯然紫外老化對(duì)摻有納米TiO2瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角影響更小，其瀝青性能更接近老化前的原樣瀝青，這是由于納米TiO2對(duì)紫外線具有吸收、反射和散射作用，但納米TiO2比表面積較大，摻量超出一定范圍后其顆料在瀝青表面重疊，對(duì)紫外線的作用面積增加不明顯，故摻量超過2%后對(duì)瀝青抗紫外老化性能的改善效率降低；隨著紫外老化時(shí)間延長(zhǎng)，各個(gè)納米TiO2摻量的瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角均呈線性變化趨勢(shì)，表明納米TiO2對(duì)紫外線的屏蔽效應(yīng)不隨紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，耐久性較好。

2.2 低溫性能變化規(guī)律

BBR試驗(yàn)可獲取瀝青低溫勁度模量和蠕變速率，其中勁度模量表征瀝青低溫變形能力大小，值越大變形能力越差，低溫下越容易開裂，蠕變速率表征瀝青低溫應(yīng)力松弛能力，值越大瀝青溫度應(yīng)力消散越快，低溫性能越好。為此，分別對(duì)各個(gè)納米TiO2摻量和紫外老化時(shí)間條件下的瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)，溫度-18℃，得出試驗(yàn)時(shí)間為60s時(shí)其勁度模量和蠕變速率試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 紫外老化時(shí)間和納米TiO2摻量對(duì)瀝青勁度模量影響Fig. 3 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on stiffness modulus of asphalt

圖4 紫外老化時(shí)間和納米TiO2摻量對(duì)瀝青蠕變速率影響Fig. 4 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on creep rate of asphalt

由圖3和圖4可知，隨著紫外老化時(shí)間延長(zhǎng)，瀝青勁度模量增加，蠕變速率降低，表明瀝青低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力變差，容易開裂，其中紫外老化時(shí)間由0h增加至6h時(shí)，0%、1%、2%和3%摻量的納米TiO2改性瀝青勁度模量分別增加17.7%、11.3%、8.2%和6.7%，而蠕變速率分別下降13.4%、7.1%、3.7%和1.7%；對(duì)未進(jìn)行紫外老化的瀝青，隨著納米TiO2摻量的提高，其勁度模量逐漸增加，蠕變速率逐漸下降，此時(shí)瀝青低溫性能降低。

在瀝青中摻入納米TiO2能有效改善其低溫抗紫外老化性能，且隨摻量的提高改善效果逐漸變好，但摻量超過2%后改善效率降低，其中紫外老化時(shí)間為0h時(shí)納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青勁度模量分別較未摻納米TiO2的瀝青高1.5%、2.4%和3.0%，蠕變速率分別較其低1.7%、3.1%和4.2%，而紫外老化時(shí)間為6h時(shí)，納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青勁度模量分別較未摻納米TiO2的瀝青低3.9%、5.8%和6.6%，蠕變速率則分別較其高5.4%、7.7%和8.7%，顯然摻入納米TiO2后紫外老化對(duì)瀝青勁度模量造成的增加速率和對(duì)蠕變速率造成的降低速率均減小，低溫抗紫外老化性能提高。

3 納米TiO2對(duì)瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫時(shí)瀝青粘度下降，混合料抗剪強(qiáng)度降低，此時(shí)在汽車荷載作用下路面容易產(chǎn)生車轍、推移和擁包等病害，影響路面使用壽命和行車安全，因而要求瀝青混合料高溫穩(wěn)定性良好。故為研究納米TiO2對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，溫度60℃，輪壓0.7MPa，結(jié)果如圖5所示。

圖5 納米納米TiO2摻量對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響Fig. 5 Effect of nano-titanium dioxide content on high temperature stability of asphalt mixture

由圖5可知，隨著納米TiO2摻量增加，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增加，表明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性逐漸提高，其中納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別為3898次/mm、3926次/mm和3969次/mm，較未摻入納米TiO2的瀝青混合料分別高1.5%、2.2%和3.3%，且各個(gè)納米TiO2摻量的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度仍明顯大于3000次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)改性SMA瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的要求。

3.2 低溫抗裂性

低溫時(shí)瀝青粘度提高，混合料變形能力降低，此時(shí)低溫收縮在混合料內(nèi)部造成的溫度應(yīng)力逐漸累積，當(dāng)該應(yīng)力超過瀝青混合料斷裂強(qiáng)度即產(chǎn)生開裂，破壞瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性，且水會(huì)從裂縫下滲，因而要求瀝青混合料低溫抗裂性良好。故為研究納米TiO2對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，溫度-10℃，結(jié)果如圖6所示。

圖6 納米TiO2摻量對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響Fig. 6 Effect of nano-titanium dioxide content on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖6可知，隨著納米TiO2摻量增加，瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變逐漸降低，表明瀝青混合料低溫抗裂性逐漸變差，其中納米TiO2摻量為1%、2%和3%的瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變分別為3612με、3556με和3522με，較未摻入納米TiO2的瀝青混合料分別低1.2%、2.7%和3.6%，但各個(gè)納米TiO2摻量的瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變?nèi)悦黠@大于3000με，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)冬嚴(yán)寒區(qū)改性瀝青混合料低溫抗裂性的要求。

3.3 水穩(wěn)定性

集料為親水憎油型材料，故在水和荷載綜合作用下，水會(huì)逐漸侵蝕瀝青-集料界面，使瀝青從集料表面剝落，最終造成松散和坑槽等水損壞現(xiàn)象，因而要求瀝青混合料水穩(wěn)定性良好。故為研究納米TiO2對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，分別制備納米TiO2摻量為0%、1%、2%和3%的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 納米TiO2摻量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of nano-titanium dioxide content on water stability of asphalt mixture

由圖7可知，各個(gè)納米TiO2摻量的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比在一定范圍波動(dòng)，納米TiO2摻量為0%時(shí)值最大為88.9%，較納米TiO2摻量為1%時(shí)的最小值87.6%高1.3%，相差較小，表明納米TiO2對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性基本無(wú)影響，其中各個(gè)納米TiO2摻量的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均明顯大于80%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)改性SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)論

（1）在瀝青中摻入納米TiO2能提高其高溫抗變形能力，對(duì)其粘彈性則基本無(wú)影響，但其低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力降低，總體表現(xiàn)為高溫性能提高，低溫性能變差，且摻量越高兩種現(xiàn)象表現(xiàn)越明顯。

（2）納米TiO2能有效改善瀝青抗紫外老化性能，且摻量越高改善效果越好，但摻量超過2%后改善效率降低；納米TiO2對(duì)瀝青抗紫外老化性能的改善作用耐久性良好。

（3）納米TiO2能使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性提高，低溫抗裂性能降低，對(duì)水穩(wěn)定性則基本無(wú)影響，但摻有納米TiO2的瀝青混合料各項(xiàng)路用性能均滿足規(guī)范對(duì)高速公路用瀝青混合料性能的相關(guān)要求。