納米ZnO/SBR改性瀝青混合料性能研究

關(guān) 翔

(新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處，烏魯木齊 830002)

聚合物改性瀝青因性能優(yōu)良，多年來(lái)一直是瀝青改性的主流方向，SBR改性瀝青因低溫抗裂性突出，被廣泛用于青藏高原等寒冷地區(qū)，但SBR改性瀝青混合料的抗車轍性能并不突出，因此在一定程度上限制了SBR改性瀝青在高溫地區(qū)的應(yīng)用[1-2]。近年來(lái)，納米材料因強(qiáng)大的表面效應(yīng)，各國(guó)學(xué)者嘗試將納米材料作為改性劑應(yīng)用于瀝青中，以達(dá)到改善瀝青各項(xiàng)性能的目的[3-7]。肖鵬等[8]探究了納米ZnO/SBS改性瀝青的改性微觀機(jī)理，發(fā)現(xiàn)SBS與基質(zhì)瀝青間僅發(fā)生了物理反應(yīng)，而納米ZnO與基質(zhì)瀝青間則發(fā)生了化學(xué)變化；張明祥[9]研究發(fā)現(xiàn)納米ZnO對(duì)紫外光有極強(qiáng)的吸收特性，顯著提升了瀝青抗紫外光老化的能力；陳淵召等[10]通過(guò)高速剪切法在實(shí)驗(yàn)室制備了納米ZnO改性瀝青，發(fā)現(xiàn)納米ZnO能夠改善基質(zhì)瀝青的路用性能，且對(duì)應(yīng)的最佳摻量為4%。

綜上分析，納米ZnO可作為改性劑，用以改善瀝青及混合料的高溫性能，但目前研究多集中在將納米ZnO加入到基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青中，鮮少探究納米ZnO的加入對(duì)SBR改性瀝青性能的作用效果。為改善SBR改性瀝青的高溫性能，擴(kuò)大SBR改性瀝青的應(yīng)用范圍，本文采用高速剪切法制備了納米ZnO/SBR改性瀝青，并選出最佳的納米ZnO摻量，通過(guò)車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，對(duì)優(yōu)選的納米ZnO/SBR改性瀝青混合料和SBR改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步探索納米ZnO對(duì)SBR改性瀝青混合料性能的改善作用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

研究選用的基質(zhì)瀝青為克拉瑪依70#瀝青，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1；選用的納米ZnO由南京某納米材料有限公司提供，氧化鋅含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.2%，滿足試驗(yàn)要求；SBR改性劑由濟(jì)南某化工科技有限公司提供，具有良好的力學(xué)性能和物理性能；硅烷偶聯(lián)劑由鄭州某化工有限公司提供，對(duì)應(yīng)的型號(hào)為KH-560。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)

集料規(guī)格：選用玄武巖軋制的粗集料，石灰?guī)r軋制的機(jī)制砂及石灰?guī)r礦粉，各集料性質(zhì)均滿足規(guī)范要求。

1.2 混合料級(jí)配

依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的AC-13瀝青混合料礦料級(jí)配的區(qū)間范圍，結(jié)合實(shí)際情況，本文最終確定的合成級(jí)配見(jiàn)圖1。

圖1 礦料級(jí)配曲線

1.3 納米ZnO表面處理

由于納米ZnO比表面積大、表面活性較強(qiáng)，若直接將其與瀝青、SBR改性劑混合，極易出現(xiàn)團(tuán)聚從而導(dǎo)致納米ZnO難以分散均勻，無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的改性效果，故在投入使用前須對(duì)納米ZnO表面進(jìn)行相應(yīng)處理。結(jié)合已有研究，本文最終選用偶聯(lián)劑法對(duì)納米ZnO表面進(jìn)行相應(yīng)處理，旨在利用納米ZnO粒子與硅烷偶聯(lián)劑間的化學(xué)作用來(lái)改變納米ZnO表面結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，從而達(dá)到降低納米ZnO表面能的目的[11-13]。

2 納米ZnO/SBR改性瀝青性能研究

2.1 納米ZnO/SBR改性瀝青制備工藝

考慮到高速剪切法有助于改性劑在瀝青基體中的均勻分散，本文最終選用高速剪切法制備納米ZnO/SBR改性瀝青。具體操作過(guò)程如下：

1)將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，并稱取4%的SBR改性劑，在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下剪切15 min，保證SBR改性劑能夠與基質(zhì)瀝青充分混合；

2)依據(jù)給定比例在瀝青中加入納米ZnO，并將對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速逐步增大到7 000 r/min，繼續(xù)剪切45 min；

3)將制備好的納米ZnO/SBR改性瀝青放置在120 ℃烘箱中，使其發(fā)育2 h。

注意，ZnO/SBR改性瀝青制備過(guò)程中保證剪切溫度控制在165 ℃～175 ℃。

2.2 納米ZnO對(duì)SBR改性瀝青性能的影響

通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)市面上使用較為廣泛的SBR改性瀝青中對(duì)應(yīng)的SBR摻量約為4%，故本文取SBR改性劑摻量為4%。為研究納米ZnO摻量對(duì)SBR改性瀝青性能的影響，分別對(duì)摻加0%、2%、3%、4%、5%、6%ZnO(質(zhì)量比)的納米ZnO/SBR改性瀝青進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)研究，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 納米ZnO/SBR改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表2可知：

1)添加納米ZnO后，對(duì)應(yīng)的SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸增大，且當(dāng)納米ZnO摻量超過(guò)4%時(shí)，軟化點(diǎn)的增大速率逐漸變小，表明納米ZnO能夠顯著改善SBR改性瀝青的熱穩(wěn)定性能，且當(dāng)摻量大于4%后，改善效果逐漸減弱。這是由于納米ZnO粒子表面活性很強(qiáng)，可吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，并與瀝青能更好結(jié)合，提高了軟化點(diǎn)。

2)瀝青的針入度與納米ZnO摻量呈負(fù)相關(guān)性。表明隨著納米ZnO摻量的增加，瀝青的粘性隨之增大，這樣越有利于機(jī)械施工。主因是表面活性強(qiáng)的納米ZnO粒子在改性過(guò)程中吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分，使得對(duì)應(yīng)的稠度變大，致使針入度值下降。

3)添加納米ZnO后，瀝青的延度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明改性瀝青的耐低溫性能有所下降，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。

綜合上述3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，以改善SBR改性瀝青的高溫性能為目標(biāo)，并考慮經(jīng)濟(jì)性，選取納米ZnO摻量為4%。

2.3 納米ZnO/SBR改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性

采用離析試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBR改性瀝青和納米ZnO/SBR改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，具體操作步驟如下：1)選取50 g瀝青試樣，加入玻璃試管中并固定，將盛有試樣的試管垂直放置在烘箱中保溫48 h，烘箱溫度為163 ℃±5 ℃；2)保溫結(jié)束后，將盛有瀝青試樣的玻璃試管在冷柜中放置4 h、24 h、48 h，期間試管保持豎立；3)取出試樣，將玻璃試管敲碎，分成均勻的上、中、下3部分，測(cè)定上部分瀝青和下部分瀝青的軟化點(diǎn)。利用上、下2部分瀝青軟化點(diǎn)差值表征改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，差值越大，表明瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性越差。2種改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改性瀝青離析試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，相容劑的加入顯著改善了SBR和基質(zhì)瀝青的相容性，存儲(chǔ)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；采用技術(shù)手段對(duì)納米ZnO經(jīng)過(guò)表面處理后，納米ZnO、SBR和基質(zhì)瀝青的相容性得以改善。

3 納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的路用性能

為進(jìn)一步研究納米ZnO對(duì)SBR改性瀝青混合料路用性能的影響，對(duì)SBR改性瀝青混合料和納米ZnO摻量為4%的納米ZnO/SBR改性瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到SBR改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的最佳油石比則為5.0%。在上述最佳油石比條件下，分別對(duì)2種瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。

3.1 車轍試驗(yàn)

對(duì)SBR改性瀝青混合料和納米ZnO/SBR改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)兩者的高溫性能。車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，雖然SBR改性瀝青混合料的高溫性能達(dá)到了規(guī)范要求，不過(guò)也只是剛滿足夏熱冬寒地區(qū)提出的混合料動(dòng)穩(wěn)定度要求：動(dòng)穩(wěn)定度DS≥2 800 次/mm。這也說(shuō)明了SBR改性瀝青混合料高溫性能不夠突出，極大程度上約束了SBR改性瀝青在道路工程中的廣泛使用。摻加4%的納米ZnO后，路面的車轍變形減小，SBR改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度提高了34%，高溫性能得到了大幅度改善，這說(shuō)明采用納米ZnO能改善SBR改性瀝青混合料的高溫性能，納米ZnO作為改性劑是可行的。

3.2 低溫抗裂性

利用小梁低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)2種瀝青混合料的低溫性能，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度為-10℃，低溫性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)，添加納米ZnO后，SBR改性瀝青混合料的最大破壞彎拉應(yīng)變呈下降趨勢(shì)，下降幅度約為8.5%，對(duì)應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度也減小了6.0%。這一試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明納米ZnO的加入使得SBR改性瀝青混合料的低溫性能變差，但變差幅度較小，總的來(lái)說(shuō)對(duì)低溫影響不大，低溫性能測(cè)試結(jié)果仍遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求的最大破壞彎拉應(yīng)變≥2 800 με。

3.3 水穩(wěn)定性能

選用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)2種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試，用以描述混合料抵抗水損害的能力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度是SBR改性瀝青混合料的1.04倍，而凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)是SBR改性瀝青混合料的1.08倍，表明納米ZnO可提高SBR改性瀝青混合料抵抗水損害的能力。主因是納米ZnO粒子比表面積大，納米ZnO/SBR改性瀝青表面效應(yīng)強(qiáng)，在瀝青混合料的拌和過(guò)程中，混合料中含有的結(jié)構(gòu)瀝青占比有所上升，對(duì)應(yīng)的自由瀝青占比有所下降，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能得以改善。

3.4 疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)2種瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)選取0.5、0.6、0.7這3個(gè)應(yīng)力比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和圖2。

圖2 疲勞回歸方程曲線

表7回歸方程中的K越大，則對(duì)應(yīng)的瀝青混合料的抗疲勞性能越好；n代表疲勞曲線的斜率，n越大，則對(duì)應(yīng)的瀝青混合料對(duì)應(yīng)力變化敏感性越高。由表7可知，SBR改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的回歸方程中K值為-1.44，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的回歸方程K值為0.25，這表明摻入納米ZnO后，改性瀝青混合料的抗疲勞性能有所改善。同時(shí)，SBR改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的回歸方程中n值為5.18，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的回歸方程n值為3.97，說(shuō)明納米ZnO/SBR改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)力變化的敏感有所下降。

表7 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 納米ZnO/SBR改性瀝青效益分析

通過(guò)前期市場(chǎng)調(diào)查，市面上廣泛使用的納米ZnO均價(jià)約為1.2萬(wàn)元/t。當(dāng)納米ZnO摻量為4%時(shí)，制備10 t納米ZnO/SBR改性瀝青需要ZnO質(zhì)量為40 kg，對(duì)應(yīng)增加的造價(jià)為1 t×4%×12 000元/t=480元(由于文中添加的硅烷偶聯(lián)劑劑量較小，此處未將其考慮在內(nèi))。

相較于SBR改性瀝青，雖然納米ZnO/SBR改性瀝青價(jià)格略高，但其優(yōu)良的高溫性能擴(kuò)大了SBR改性瀝青的應(yīng)用范圍，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。若將納米ZnO/SBR改性瀝青應(yīng)用在對(duì)高溫性能和低溫性能都有特定要求的地區(qū)，從路面的養(yǎng)護(hù)及耐久性方面考慮，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較少，且在一定程度上能夠延長(zhǎng)路面的服役壽命，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1)隨著納米ZnO摻量的增加，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的納米ZnO/SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)也隨之增大，針入度和延度則隨之減小，且當(dāng)納米ZnO摻量為4%時(shí)，改性瀝青的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

2)車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于SBR改性瀝青混合料，納米ZnO/SBR改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了34%，說(shuō)明采用摻加納米ZnO能達(dá)到改善SBR改性瀝青混合料高溫性能的目的，納米ZnO用作改性劑是可行的。

3)摻入4%納米ZnO后，相應(yīng)的改性瀝青混合料的低溫抗裂性能雖稍有下降，但仍能滿足瀝青路面對(duì)夏熱冬寒地區(qū)瀝青混合料低溫性能的要求。

4)通過(guò)浸水馬歇試驗(yàn)結(jié)果和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，納米ZnO可提高SBR改性瀝青抵抗水損害的能力。

5)通過(guò)疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入納米ZnO后，SBR改性瀝青混合料抗疲勞性能有所提高，且對(duì)應(yīng)力變化的敏感性有所下降。