曹強(qiáng)強(qiáng)，周聰

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

使用納米材料作為基質(zhì)瀝青的改性劑或與聚合物一起作為復(fù)合改性材料，是提高瀝青的流變特性的有效辦法[1]。瀝青工業(yè)中使用的各種類型的納米材料有納米二氧化硅（SiO2）、納米氧化鋅（ZnO）、納米二氧化鈦（TiO2）、碳納米管、納米三氧化二碳酸鈣和納米黏土[2-3]。

其中，SiO2作為無(wú)機(jī)添加劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于瀝青材料的性能研究之中。Shafabaksh等[4]研究了TiO2和SiO2對(duì)改性瀝青混合料的性能影響。結(jié)果表明，TiO2和SiO2對(duì)瀝青的流變性能有顯著提高，還能提高瀝青混合料的車轍性能和疲勞壽命。張恒龍等[5]研究了經(jīng)過(guò)表面處理后的納米材料對(duì)瀝青性能影響。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)表面處理后SiO2與瀝青的離析問題被改善。祝雯霞[6]采用不同摻量的SiO2制備了改性瀝青材料，根據(jù)DSR試驗(yàn)、黏附性試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果確定了改性劑的最佳摻量。然而，SiO2在瀝青中的應(yīng)用效果有待進(jìn)一步研究，同時(shí)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)還存在不足。

選擇摻量為0.2%、0.4%和0.6%的納米二氧化硅粉末（NSiP）制備了改性瀝青及瀝青混合料，研究了NSiP對(duì)瀝青高低性能及老化抵抗性能的影響，同時(shí)采用凍融劈裂試驗(yàn)研究了NSiP對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選擇SK70道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，相關(guān)性能指標(biāo)見表1。NSiP是一種透明白色粉末，其摩爾質(zhì)量為62.12 g/mol。對(duì)于瀝青混合料，選擇石灰?guī)r作為集料，選擇AC-13型級(jí)配，最佳瀝青含量為4.6%。

表1 SK70物理性質(zhì)Table 1 Physical property of SK70

1.2 NSiP改性瀝青的制備

采用高速剪切儀制備NSiP改性瀝青，在160℃條件下將NSiP分批且緩慢加入基質(zhì)瀝青中，并對(duì)瀝青進(jìn)行高速剪切2 h，剪切速率為4 000 r/min。其中，NSiP的摻量分別為基質(zhì)瀝青重量的0.2%、0.4%和0.6%。對(duì)基質(zhì)瀝青采用相同的制備過(guò)程，以保證結(jié)果不受老化影響。

1.3 瀝青性能測(cè)試

瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為135℃和175℃，以確定改性瀝青混合料的施工溫度范圍。對(duì)未老化、短期老化、長(zhǎng)期老化后的瀝青進(jìn)行了多重應(yīng)力蠕變和恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)及彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，評(píng)價(jià)NSiP改性瀝青的高低溫和抗老化性能，測(cè)試溫度分別為60℃和-12℃。

1.4 混合料性能測(cè)試

采用瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)NSiP改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。采用馬歇爾擊實(shí)法成型試樣，將試樣隨機(jī)分成2組，第1組常溫下保存，第2組進(jìn)行凍融循環(huán)處理。對(duì)每個(gè)試樣以50 mm/min的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。記錄劈裂抗拉強(qiáng)度值并計(jì)算凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比。瀝青混合料抗水損傷的能力用凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比來(lái)表示：劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比=

2 結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)黏度

表2為所有改性瀝青和未改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果。

表2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Rotational viscosity test results

從表2可知，0.2%和0.4%的NSiP改性瀝青的黏度均低于基質(zhì)瀝青，該結(jié)果表明NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度低于普通70號(hào)道路石油瀝青混合料，因此說(shuō)明NSiP改性瀝青具有更好的工作性，有利于現(xiàn)場(chǎng)的攪拌和壓實(shí)過(guò)程。同時(shí)，基于黏溫曲線計(jì)算了NSiP改性瀝青混合料攪拌和壓實(shí)溫度的范圍。對(duì)于瀝青，拌和溫度范圍應(yīng)使用黏度為（0.17±0.02）Pa·s所對(duì)應(yīng)的溫度，而壓實(shí)成型溫度范圍應(yīng)使用黏度為（0.28±0.03）Pa·s所對(duì)應(yīng)的溫度[7]，根據(jù)表2結(jié)果得到瀝青的施工溫度結(jié)果，如圖1所示。

圖1 攪拌和壓實(shí)溫度范圍Fig.1 Stirring and compaction temperature range

由圖1可知，0.2%和0.4%的NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度與基質(zhì)瀝青混合料接近，相差不大。這說(shuō)明NSiP的加入使得瀝青的黏度降低，有利于路面的施工和易性。隨著NSiP摻量的進(jìn)一步增加，0.6%的NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度則超過(guò)了基質(zhì)瀝青混合料，這表明NSiP的摻量對(duì)瀝青黏度有一定影響，但NSP含量在0.2%～0.4%之間時(shí)，混合料攪拌溫度和壓實(shí)溫度幾乎沒有變化，與70號(hào)基質(zhì)瀝青也非常相似，該研究對(duì)納米改性瀝青的攪拌和壓實(shí)溫度的實(shí)際施工提供參考意見。

2.2 MSCR分析

MSCR試驗(yàn)在60℃和3.2 kPa的條件下，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和應(yīng)變恢復(fù)百分比（R）值如表3所示。

表3 不同老化程度下改性瀝青的Jnr值和R值Table 3 Jnr and R values of modified asphalt under different aging degrees

從表3可以看出，在未老化條件下，與所有NSiP改性瀝青相比基質(zhì)瀝青的Jnr最大而R最小。這說(shuō)明NSiP的添加能改善瀝青的彈性恢復(fù)和車轍抵抗性能。隨著NSiP粉末摻量的提升，瀝青的Jnr減少而R增大。在短期老化和長(zhǎng)期老化過(guò)程中，瀝青的Jnr隨NSiP摻量的增加而減小。在瀝青經(jīng)過(guò)短期老化或者長(zhǎng)期老化后，隨著NSiP摻量的增加，瀝青的R先略微下降而后上升。

2.3 BBR分析

表4給出了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的BBR結(jié)果。

瀝青的低溫抗裂性可以用勁度模量（S）和蠕變速率（m）來(lái)評(píng)價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，瀝青的勁度模量越小，蠕變速率越大，則瀝青的低溫性能越好[8]。由表4可知，0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的S均小于基質(zhì)瀝青。隨著NSiP摻量的增加，瀝青的S先減少，在所有瀝青試樣中0.4%NSiP改性瀝青的S最低。當(dāng)NSiP摻量超過(guò)0.4%，瀝青的S提高，說(shuō)明進(jìn)一步提高NSiP摻量不利于瀝青的低溫性能，仍優(yōu)于基質(zhì)瀝青。同時(shí)，表4也表明了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青的m均高于基質(zhì)瀝青，且在所有瀝青試樣中0.4%NSiP改性瀝青的m最高。根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范，改性瀝青的BBR試驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)保證規(guī)范要求，即在測(cè)試條件下瀝青的S應(yīng)不大于300 MPa，且m不小于0.3。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青均滿足規(guī)范要求。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)老化會(huì)對(duì)BBR低溫試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致瀝青組分變化，使得瀝青的S上升而m下降，因此NSiP改性瀝青的老化性能需要進(jìn)一步的研究。

表4 不同老化程度下改性瀝青的S值和m值Table 4 S and m values of modified asphalt under different aging degrees

2.4 老化性能

從力學(xué)的角度，許多文獻(xiàn)中考慮了不同的力學(xué)參數(shù)來(lái)研究瀝青的老化敏感性。其中一些是基于常規(guī)試驗(yàn)的結(jié)果，例如針入度和軟化點(diǎn)增量，而另一些則更多地基于流變性能，即從流變測(cè)試或擬合建模的結(jié)果計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)可靠的機(jī)械老化指標(biāo)應(yīng)該與氧化的演變有明確的關(guān)系。

由2.2節(jié)和2.3節(jié)可知，老化對(duì)NSiP改性瀝青的影響較大，老化越充分蠕變勁度和應(yīng)變恢復(fù)百分比的變化越明顯，因此選擇BBR試驗(yàn)和MSCR試驗(yàn)的指標(biāo)進(jìn)行老化性能分析。選擇最高應(yīng)力水平3.2 kPa下（最不利狀態(tài)）R進(jìn)行研究，老化因子AIR定義為老化后（短期和長(zhǎng)期）的（R3.2）Age和未老化的（R3.2）Unage比值，如式（2）所示。

同理，選取在-12℃的測(cè)試溫度下的BBR試驗(yàn)蠕變勁度（S）來(lái)計(jì)算，老化因子AIS定義為老化后（短期和長(zhǎng)期）的（S）Age和未老化的（S）Unage比值，如式（3）所示。

對(duì)短期和長(zhǎng)期老化后的瀝青試樣的R和m分別按式（2）和式（3）計(jì)算老化因子，計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同老化程度下改性瀝青的老化因子Table 5 Aging index of modified asphalt under different aging degrees

由表5可以看出，瀝青經(jīng)過(guò)老化后老化指數(shù)均大于1，說(shuō)明瀝青材料經(jīng)老化后在經(jīng)受熱氧氣作用后的彈性恢復(fù)率和剛度均有所增加，高溫下抗車轍變形能力提高。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著納米材料的增加，在短期和長(zhǎng)期老化中瀝青的老化因子不斷下降，說(shuō)明抗老化性能越好。

由表5還可以看出，瀝青老化后的勁度模量增大，低溫下抗開裂能力下降。與高溫MSCR試驗(yàn)結(jié)果有所不同，隨著納米材料摻量的增加，瀝青的老化因子先降低后增加，而依然低于基質(zhì)瀝青，納米材料可以改善瀝青的抗老化性能，但其摻量需要嚴(yán)格控制。圖2表示MSCR老化因子和BBR老化因子擬合曲線。由圖2中可以看出，應(yīng)變AIR與AIS之間能較好擬合，且相關(guān)系數(shù)接近于1，即高低溫流變?cè)囼?yàn)中老化因子具有顯著的線性關(guān)系。

2.5 水穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》得到試樣的毛體積相對(duì)密度和空隙率，滿足空隙率要求的試件為有效試件，且有效試件不少于8個(gè)。NSiP改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比通過(guò)瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)得到。根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。表6顯示了NSiP改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值和凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比。凍融循環(huán)前試件的抗拉強(qiáng)度平均值隨NSiP摻量的增加而增大。結(jié)果表明，NSiP改性瀝青混合料的強(qiáng)度均高于未改性瀝青混合料。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度平均值分別提高了17.7%、28.6%和43.7%，說(shuō)明通過(guò)納米材料改性能有效提高瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度的升高可以歸因于NSiP對(duì)瀝青的硬化影響，這使得瀝青在破壞前能夠承受更大的拉應(yīng)力。同時(shí)，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比評(píng)價(jià)了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。由表6可知，在0.4%摻量下的NSiP改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比高于基質(zhì)瀝青混合料，強(qiáng)度比從78.9%提高到90.0%，說(shuō)明一定摻量下的NSiP能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)镹SiP能促進(jìn)聚合物在瀝青中的分散性，由于其粒徑小和比表面積大等特點(diǎn)，NSiP使得瀝青與集料之間的黏附性增強(qiáng)，使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到提高。同時(shí)，NSiP自身的尺寸效應(yīng)還可以改善瀝青混合料的力學(xué)性能。在本研究中，除了0.4%摻量的NSiP外，與未改性的瀝青混合料混合物相比，0.2%和0.6% NSiP改性瀝青混合料的強(qiáng)度比較低。因此，經(jīng)0.4%NSiP改性的瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。

表6 凍融劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of freeze-thaw split tensile test

3 結(jié)語(yǔ)

1）與基質(zhì)瀝青相比，NSiP改性瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度有所降低，說(shuō)明NSiP能降低瀝青的黏度，能降低工廠的能源消耗和污染排放，減少負(fù)面環(huán)境影響。

2）NSiP會(huì)影響瀝青的高低溫性能，且與老化程度有關(guān)。

3）NSiP的加入能降低瀝青的流變?cè)囼?yàn)老化因子，從而改善瀝青的抗老化性能。

4）隨著NSiP摻量的增加，改性瀝青混合料凍融循環(huán)前的劈裂抗拉強(qiáng)度值不斷增加，同時(shí)經(jīng)0.4%NSiP改性后的瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好。

5）綜合所有試驗(yàn)結(jié)果，NSiP改性瀝青混合料中NSiP的最佳摻量為0.4%。