納米ZnO/SBR復(fù)合改性瀝青高溫性能研究

張全立

(河南省交通科研院，鄭州 450000)

在我國(guó)現(xiàn)今的道路工程中，瀝青路面因具有表面平整、能承擔(dān)繁重的交通量、且施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，由于復(fù)雜的環(huán)境變化與交通荷載的逐步增大，使得瀝青路面出現(xiàn)各種病害[1]。在瀝青中加入不同種類(lèi)的改性劑來(lái)提高其高溫性能，已成為道路工作者不可或缺的使命。

近年來(lái)，聚合物改性瀝青是改性瀝青中使用最為普遍的技術(shù)[2]，尤其是SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性瀝青和SBR改性瀝青。它們具有諸多優(yōu)點(diǎn)，最為突出的為其具有優(yōu)異的高低溫性能[3-5]。但聚合物改性瀝青仍存在許多不足，為能滿(mǎn)足瀝青路面更高的要求，無(wú)機(jī)納米材料被廣大學(xué)者青睞。納米Fe3O4的加入能夠?qū)r青的三大指標(biāo)都有顯著的提高效果[6]，納米CaCO3摻入SBS改性瀝青能夠提高其流變性能[7]，經(jīng)過(guò)表面修飾的納米SiO2與丁苯橡膠均能夠改善瀝青的高溫穩(wěn)定性[8]。

通過(guò)試驗(yàn)分別對(duì)單一改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的性能進(jìn)行測(cè)試，分析并研究SBR改性瀝青和納米ZnO/SBR復(fù)合改性瀝青的高溫性能。

1 原材料與試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)所用瀝青為鄭州某公司提供的70#A級(jí)瀝青，按照試驗(yàn)規(guī)程[9]對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行性能指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青基本性能指標(biāo)

1.1.2 納米氧化鋅

試驗(yàn)所用的納米氧化鋅也是由鄭州某公司提供，納米氧化鋅為白色粉末狀，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 納米氧化鋅技術(shù)指標(biāo)

無(wú)機(jī)納米材料與基質(zhì)瀝青相容性較差，選取偶聯(lián)劑對(duì)納米氧化鋅進(jìn)行表面活化，可促進(jìn)納米材料均勻分散于基質(zhì)瀝青中。通過(guò)研究?jī)?yōu)選出鋁酸脂偶聯(lián)劑和乙醇混合溶液對(duì)納米ZnO進(jìn)行處理，能夠有效地改善無(wú)機(jī)納米材料與基質(zhì)瀝青的結(jié)合，從而增加改性材料的穩(wěn)定性。

1.1.3 丁苯橡膠(SBR)

丁苯橡膠是由天津某公司提供，外觀為米白色粉狀，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 丁苯橡膠技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 SBR改性瀝青

將一定量的基質(zhì)瀝青放在高速剪切機(jī)的加熱底座上加熱至熔融狀態(tài)，溫度設(shè)定為135 ℃，在攪拌過(guò)程中加入所需劑量4%SBR，直至SBR與基質(zhì)瀝青充分融合，改用以4 500 r/min轉(zhuǎn)速對(duì)其進(jìn)行連續(xù)勻速剪切35 min，攪拌完成后，把轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min，繼續(xù)勻速剪切30 min達(dá)到溶脹狀態(tài)后，即制備出SBR改性瀝青。

1.2.2 納米ZnO/SBR改性瀝青

將一定量的基質(zhì)瀝青放置于高速剪切機(jī)的加熱底座上加熱至熔融狀態(tài)，溫度設(shè)定為135 ℃，在攪拌過(guò)程中加入表面修飾過(guò)的4%納米ZnO，當(dāng)修飾后的納米ZnO融入瀝青后，將高速剪切機(jī)穩(wěn)定在4 000 r/min并高速攪拌35 min，接著向其加入4%SBR繼續(xù)剪切攪拌35 min，攪拌完成后，繼續(xù)以低速1 500 r/min勻速剪切45 min，即可制得復(fù)合改性瀝青。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

按照試驗(yàn)規(guī)程[9]對(duì)三種瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 改性瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)

由表4可知，加入納米ZnO后，復(fù)合改性瀝青針入度較SBR改性瀝青降低約10.7%、較基質(zhì)瀝青降低約16.6%。復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)與SBR改性瀝青軟化點(diǎn)相比提升約13.3%、與基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)相比提升約23.3%。延度明顯增加但仍滿(mǎn)足要求。表明在基質(zhì)瀝青中添加納米ZnO及SBR改性劑，能明顯提高改性瀝青的高溫性能。納米ZnO/SBR復(fù)合改性瀝青的變化幅度則比SBR改性瀝青更為顯著，即在SBR改性瀝青中添加納米ZnO可以有效提高復(fù)合改性瀝青的高溫性能。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，按照試驗(yàn)規(guī)程[9]中的T 0628—2011對(duì)三種瀝青實(shí)施溫度掃描，測(cè)定出相位角、復(fù)數(shù)剪切模量、抗車(chē)轍因子隨溫度的升高而隨之改變的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車(chē)轍因子

由表5可以得出：

1)隨著溫度的升高，復(fù)數(shù)剪切模量值是逐漸減小，并且基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量值的變化趨勢(shì)基本一致。SBR改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量在同一溫度條件下都小于復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量值，這表明在同一高溫條件下，復(fù)合改性瀝青抵抗剪切的能力要比SBR改性瀝青的強(qiáng)。

2)隨著溫度的提高，SBR改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的相位角都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。同一溫度條件下，兩種改性瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的相位角較小。說(shuō)明納米材料的加入使SBR改性瀝青的粘性成分和彈性成分的占比發(fā)生了變化，基質(zhì)瀝青由粘彈性向彈性轉(zhuǎn)化，這有利于路面變形的恢復(fù)。

3)三種瀝青的抗車(chē)轍因子均隨溫度上升而呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢(shì)。如復(fù)合改性瀝青在46 ℃的車(chē)轍因子為36.86 kPa，而82 ℃車(chē)轍因子為1.25 kPa，下降了97%。在相同溫度條件下，兩種改性瀝青的抗車(chē)轍因子均大于基質(zhì)瀝青，且復(fù)合改性瀝青抗車(chē)轍因子最大，表明在SBR改性瀝青中加入納米氧化鋅可以提高瀝青的抗車(chē)轍能力。抵抗車(chē)轍能力越強(qiáng)，瀝青的高溫性能越好，說(shuō)明納米氧化鋅的加入提高了SBR改性瀝青的高溫性能。

3 結(jié) 論

a.與基質(zhì)瀝青相比，SBR改性瀝青、納米ZnO/SBR改性瀝青都呈現(xiàn)出針入度下降、軟化點(diǎn)和延度升高的趨勢(shì)。在SBR改性瀝青中添加納米ZnO后，復(fù)合改性瀝青針入度和軟化點(diǎn)分別比原SBR改性瀝青降低10.7%和增加13.3%。

b.三種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角差別較明顯，在同樣的溫度條件下復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量最高，相位角最小，而基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量最低，相位角最大。說(shuō)明納米材料的加入使SBR改性瀝青的粘性和彈性的成分占比發(fā)生了變化，基質(zhì)瀝青由粘彈性向彈性轉(zhuǎn)化，這有利于路面變形的恢復(fù)。

c.采用抗車(chē)轍因子G*/Sinδ來(lái)表征瀝青的高溫性能。在同樣的溫度條件下，復(fù)合改性瀝青抗車(chē)轍因子最大，SBR改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青抗車(chē)轍因子最小，說(shuō)明在SBR改性瀝青中添加納米氧化鋅能夠增強(qiáng)瀝青的抗車(chē)轍能力，即納米氧化鋅的加入提高了SBR改性瀝青的高溫性能。