納米ZnO改性瀝青及混合料路用性能研究

張二毛 侯劍楠

摘要：為掌握納米ZnO顆粒對基質(zhì)瀝青及混合料路用性能的影響，文章基于DSR、BBR、高溫車轍等試驗(yàn)，對納米材料改性效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：納米ZnO可增強(qiáng)瀝青彈性特征，提高瀝青抵抗剪切變形能力，抑制熱氧老化過程；摻入納米ZnO能提高瀝青混合料高溫抗車轍能力，增強(qiáng)基質(zhì)瀝青和礦料之間的附著力，提高基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性與抗裂性能；建議納米ZnO最佳摻量為6%。

關(guān)鍵詞：納米ZnO；納米改性瀝青；PG分級；路用性能

中圖分類號：U416.03A100324

0引言

瀝青路面作為我國高等級公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式，具有施工便捷性、行車舒適性、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。瀝青路面中的瀝青結(jié)合料是一種組成復(fù)雜的粘彈塑性材料，其性能與作用荷載頻率、溫度等因素相關(guān)，如瀝青在高溫環(huán)境下變軟呈黏性、低溫環(huán)境下變硬易脆斷，且在溫度、氧氣與紫外線的綜合作用下發(fā)生老化現(xiàn)象［1］。研究人員為改善瀝青材料自身的相關(guān)缺陷，延長瀝青路面使用壽命，嘗試在瀝青中摻入人工合成或天然的無機(jī)、有機(jī)材料，以提高瀝青的高溫抗車轍、低溫抗裂及抗老化等路用性能［2］。

納米材料是一種介于原子、分子與宏觀體系之間的新型材料，其具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特殊性質(zhì)，能使傳統(tǒng)材料產(chǎn)生獨(dú)特的熱學(xué)、力學(xué)與光、電、磁性能［3］。瀝青性能取決于瀝青材料中的微觀結(jié)構(gòu)組成，特別是微米與納米尺度下發(fā)生的作用，因此使用納米材料對瀝青進(jìn)行改性可從根本上大幅度提高瀝青性能，具有良好的應(yīng)用前景［4］?；诖?，本文使用納米ZnO顆粒對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，通過動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)、低溫彎曲梁流變試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)等瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)，分析納米ZnO顆粒的改性效果，以期為納米ZnO改性瀝青的應(yīng)用提供參考。

1原材料

1.1瀝青

本文采用的基質(zhì)瀝青為殼牌70#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2納米氧化鋅

本文采用的納米ZnO顆粒技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3集料

本文所采用的玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)如表3、表4所示。

1.4礦料級配

本文所采用的納米ZnO改性瀝青混合料油石比為4.8%，礦料級配為AC-13，如表5所示。

2納米ZnO改性瀝青的制備

首先稱取瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%的納米ZnO材料，將其與加熱至熔融狀態(tài)的殼牌70#基質(zhì)瀝青一同使用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行初步攪拌（5 000 r/min，剪切30 min，160 ℃）；然后將攪拌溫度提高至170 ℃，將轉(zhuǎn)速提高至7 500 r/min高速剪切45 min；最后在120 ℃的溫度下發(fā)育2 h，制備得到納米ZnO改性瀝青［5］。

3納米ZnO改性瀝青性能

3.1高溫流變性

為分析納米ZnO對基質(zhì)瀝青高溫流變性能的影響，本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（Dynamic Shear Rheometer，簡稱DSR）對瀝青樣品的流變性能進(jìn)行分析，測試條件為：應(yīng)變控制模式，加載頻率為10 rad·s-1，應(yīng)變控制水平為12%，溫度為64 ℃～82 ℃。結(jié)果如表6所示。

為評價(jià)不同納米ZnO摻量對改性瀝青性能的影響，根據(jù)表6中的試驗(yàn)結(jié)果，繪出各因素與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系，如圖1～2所示。

由表6與圖1～2可知：

（1）隨著試驗(yàn)溫度的提高，納米ZnO改性瀝青相位角逐漸提高、車轍因子逐漸降低，表明瀝青的彈性特征逐漸降低，黏性特征增強(qiáng)，瀝青抵抗剪切變形能力降低。當(dāng)納米ZnO摻量為0～4%時(shí)，納米ZnO改性瀝青高溫等級為PG76；當(dāng)納米ZnO摻量為6%～8%時(shí)，納米ZnO改性瀝青高溫等級為PG82。

（2）隨著納米ZnO摻量的提高，瀝青在相同試驗(yàn)溫度下的相位角逐漸降低、車轍因子逐漸提高，結(jié)果表明納米ZnO明顯改善了瀝青的彈性特征，提高了瀝青抵抗剪切變形能力。這可能是由于納米ZnO的表面存在較多不飽和的原子懸空鍵，能與基質(zhì)瀝青中的原子發(fā)生締合作用，形成一種穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為納米ZnO瀝青的高溫流變性能的顯著提升。此外，當(dāng)納米ZnO摻量＞6%時(shí)，納米ZnO對瀝青高溫性能的改善效果逐漸減小，這可能是由于納米ZnO摻量過大會(huì)導(dǎo)致納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響改性效果，建議納米ZnO最佳摻量為6%。

（3）納米ZnO改性瀝青經(jīng)RTFOT老化后，相位角降低、車轍因子提高，這是由于經(jīng)短期老化后，瀝青中的輕質(zhì)組分含量減小，瀝青變硬變脆，黏性特征降低。當(dāng)納米ZnO摻量由0提高至8%時(shí)，瀝青RTFOT老化后的車轍因子增幅由17%～39%降低至1%～5%，表明納米ZnO能夠在一定程度上抑制瀝青的熱氧老化過程，提高瀝青抗老化性能，從而延長道路使用壽命。

3.2低溫延展性

為分析納米ZnO對基質(zhì)瀝青低溫性能的影響，本文采用低溫彎曲梁流變儀（Beam Bending Rheometer，以下簡稱BBR）評價(jià)納米ZnO改性瀝青低溫性能，將瀝青樣品制備成小梁試件后測試其在蠕變荷載作用下的勁度，以蠕變速率m與蠕變勁度S作為瀝青低溫性能評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7中的試驗(yàn)結(jié)果，繪出納米ZnO摻量與蠕變速率、蠕變勁度的關(guān)系，如圖3所示。

由表7和圖3可知，隨著納米ZnO摻量的提高，瀝青蠕變勁度逐漸降低、蠕變速率逐漸提高，表明納米ZnO對瀝青低溫延展性能存在一定的改善效果。當(dāng)納米ZnO摻量為0～8%時(shí)，納米ZnO改性瀝青低溫等級為PG-18，這可能是由于納米顆粒的比表面積較大，使瀝青在受拉力作用時(shí)產(chǎn)生較多的微裂縫，可吸收更多的能量，從而延緩瀝青的低溫開裂，宏觀表現(xiàn)為納米ZnO改性瀝青具有較好的低溫延展性能。

4納米ZnO改性瀝青混合料路用性能

為研究納米ZnO改性劑對瀝青混合料路用性能的影響，通過高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，分析不同納米ZnO摻量下改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性，結(jié)果如表8所示。

由表8可知：

（1）納米ZnO改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青混合料，且隨著納米ZnO摻量的提高，改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不斷提高，表明納米ZnO能顯著改善瀝青混合料抵抗高溫剪切變形能力，納米ZnO摻量越大，改性效果越好。

（2）摻入納米ZnO后，瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變增大，且摻量越大破壞應(yīng)變越高，表明納米ZnO可提高瀝青混合料低溫抗裂性，但改性效果不顯著，當(dāng)納米ZnO摻量由0提高至8%時(shí)，破壞應(yīng)變僅提高4%～11%，與BBR試驗(yàn)結(jié)果相符。

（3）摻入納米ZnO后，瀝青混合料凍融強(qiáng)度比提高，且摻量越大凍融強(qiáng)度比越大，說明納米ZnO可提高瀝青混合料抗水損害能力，這是由于納米ZnO能改變?yōu)r青表面結(jié)構(gòu)，提高瀝青表面粗糙度，增強(qiáng)基質(zhì)瀝青和礦料之間的附著力，從而提高基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性與抗裂性能。

5結(jié)語

本文基于瀝青性能試驗(yàn)與瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，對納米ZnO改性瀝青及其混合料性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）納米ZnO可改善改性瀝青高溫流變性能、低溫延展性與抗老化性能，提高瀝青彈性特征，增強(qiáng)瀝青抵抗剪切變形能力，抑制熱氧老化過程，且摻量越大，改性效果越大。

（2）摻入納米ZnO能提高瀝青混合料高溫抗車轍能力、低溫抗裂性、抗水損害能力，增強(qiáng)基質(zhì)瀝青和礦料之間的附著力，從而提高基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性與抗裂性能。

（3）在納米ZnO高摻量水平下，納米顆粒易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致改性效果不明顯，建議納米ZnO最佳摻量為6%。

參考文獻(xiàn)

［1］秦仁杰，歐書君，謝唐新.兩種硅酸鹽材料對納米ZnO改性瀝青熱氧老化性能影響研究［J］.公路，2022，67（4）：292-298.

［2］包夢，謝祥兵，李廣慧，等.紫外光輻照下的納米氧化鋅改性瀝青相態(tài)分析［J］.公路，2022，67（2）：228-236.

［3］蘇曼曼，司春棣，張洪亮.納米ZnO改性瀝青分子動(dòng)力學(xué)模擬研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（11）：118-127.

［4］王佳，蔡斌，馬華寶.納米材料改性瀝青的制備及分散穩(wěn)定機(jī)理［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2020，36（4）：848-856.

［5］王玲玲，趙永紅，任真.改性納米氧化鋅對煤瀝青延伸性能的影響［J］.化工新型材料，2013，41（4）：164-166.

作者簡介：張二毛（1982—），高級工程師，主要從事工程項(xiàng)目管理工作。