纳米CaCO3/SBR复合改性沥青及混合料性能研究

关 阳，熊 敏，刘俊斌，王跃虎

(长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410004)

截止2019年年末，我国公路总里程已达到501.25万公里，比上年增加16.60万公里，沥青路面凭借诸多优点在道路建设中发挥着不可替代的作用。SBR改性沥青由于经济成本低、低温性能良好在年平均气温较低的地区应用较多，由于其高温稳定性不足，限制了SBR改性沥青的进一步推广。纳米材料是三维中至少有一维尺寸在0～100 nm之间的晶体，具有小尺寸效应、宏观量子隧道效应等诸多优点，将其加入沥青中可充分发挥纳米材料的尺寸优势，从微观角度改变沥青内部结构，进而提升沥青的各种宏观性能[1-6]。纳米CaCO3由于价格低廉、研究技术成熟而受到广泛关注，马峰[7]对纳米CaCO3改性沥青进行研究，结果表明纳米CaCO3加入基质沥青后可与基质沥青形成稳定体系，有效提高改性沥青的高温性能。张荣辉[8]等将纳米CaCO3加入橡胶改性沥青中进行复合改性，研究结果表明复合改性沥青的高温性能得到明显改善，对其低温性能影响不大。刘大梁[9]对纳米CaCO3/SBS复合改性沥青进行室内试验，结果表明纳米CaCO3可有效提升SBS改性沥青的高温性能，低温韧性也略有改观。Han[10]等将纳米CaCO3与SBS进行复合改性，试验结果表明其高温性能有较大改善，低温性能仍不理想。陈正伟[11]采用高速剪切的方法制备纳米CaCO3/TiO2/SBR复合改性沥青，室内试验表明最佳改性剂掺量下复合改性沥青具有较强的高温抗车辙能力，且低温性能与抗老化性也有显著提升。

现有研究结果表明纳米CaCO3对基质沥青与改性沥青的高温性能具有明显改善作用，鉴于SBR改性沥青的低温性能较为突出而高温性能较弱，该文将纳米CaCO3微粒加入SBR改性沥青中制得纳米CaCO3/SBR复合改性沥青，通过三大指标试验、高温稳定性试验、低温抗裂性试验及水稳定性试验，探究纳米CaCO3的加入对SBR改性沥青的性能影响。

1 原材料与试样制备

1.1 原材料

1)基质沥青及集料

该文研究过程中使用东海牌70#沥青作为基质沥青，各项技术指标如表1所示。粗集料及细集料为河南新乡某石料厂提供的石灰岩，尺寸规格为0～2.36 mm，矿粉由石灰岩研磨而成。

表1 基质沥青技术指标

2)纳米CaCO3

选用山东海泽纳米碳酸钙有限公司生产的纳米CaCO3微粒，外观为白色粉末，尺寸为15～40 nm，比表面积大于50 m2/g。纳米CaCO3尺寸小、表面活性大，未经处理就加入基质沥青中容易引起材料团聚，不能达到良好的分散效果，因此在试验中选用硅烷偶联剂、乙醇、乙酸的混合溶液对纳米CaCO3进行表面处理。

3)SBR

SBR改性剂为岳阳石油化工生产，呈白色颗粒状，具有较好的撕裂强度与扯断伸长率。

1.2 试样制备

1)SBR改性沥青

将基质沥青加热至熔融状态，加入4%(沥青质量)SBR，以1 000 r/min转速对其进行搅拌20 min，达到溶胀状态后，采用高速剪切仪以5 000 r/min转速剪切30 min，即得到SBR改性沥青。

2)纳米CaCO3/SBR改性沥青

将基质沥青加热至熔融状态，在6 000 r/min转速下加入4%纳米CaCO3，剪切30 min后加入4%SBR继续剪切30 min，随后在2 000 r/min转速下低速剪切60 min，即可制得纳米CaCO3/SBR改性沥青。

3)沥青混合料

分别采用基质沥青、SBR改性沥青、纳米CaCO3/SBR改性沥青制备连续密级配AC-13沥青混合料，级配范围如表2所示，经过马歇尔试验法确定SBR改性沥青、纳米CaCO3/SBR改性沥青的最佳油石比为4.8%。

表2 沥青混合料级配表 /%

2 性能研究

2.1 改性沥青性能研究

分别对基质沥青、SBR改性沥青、纳米CaCO3/SBR改性沥青进行三大指标试验，试验结果如表3所示。

表3 改性沥青三大指标性能试验

由表3可知，SBR改性沥青、纳米CaCO3/SBR改性沥青各项性能较基质沥青均有明显提升。与基质沥青相比，SBR改性沥青软化点略有上升，延度大幅度增大，针入度也明显减小，说明SBR改性剂可明显改善沥青低温性能，对其高温性能提升不明显。加入纳米CaCO3后，复合改性沥青软化点与SBR改性沥青相比提升约19.7%、与基质沥青相比提升约23.0%，同时针入度减小、延度也得到明显提升，表明在基质沥青中加入纳米CaCO3及SBR改性剂可使改性沥青的高温性能及低温性能得到明显改善。

2.2 改性沥青混合料性能研究

1)高温稳定性

分别对SBR改性沥青混合料、纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料进行高温车辙试验，测定在荷载作用下的动稳定度，具体试验结果如图1所示。

由图1可知，SBR改性沥青混合料、纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料的动稳定度虽均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，但SBR改性沥青混合料的动稳定度仅略大于规范中规定的2 800 次/mm，仍不能广泛适用于高温地区[12]。与SBR改性沥青混合料相比，纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料动稳定度有较大增长，由2 957 次/mm增长至4 528 次/mm，增幅约53.1%，说明在SBR改性沥青中加入纳米CaCO3可有效提升改性沥青混合料在高温下抵抗车辙的能力。

2)低温弯曲试验

改性剂对沥青混合料高温性能的提升总是会伴随着低温性能的下降，高温抗车辙性能与低温抗裂性俱佳才能保证其沥青混合料有良好的路用性能，因此在-10 ℃下对SBR改性沥青混合料、纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料进行低温弯曲试验，检测在低温条件下沥青混合料的抗裂性能，具体试验结果如表4所示。

表4 低温弯曲试验结果

由表4可知，在SBR改性沥青中加入纳米CaCO3使沥青混合料的抗弯拉强度与最大破坏弯拉应力变小，表明与SBR改性沥青混合料相比，纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料的低温抗裂性能有所下降，对比现行规范，复合改性沥青混合料的低温性能仍可满足大部分地区使用。

3)水稳定性

沥青路面水损害一直是导致路面及路基破坏的重要原因，为确保纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料具有良好的水稳定性，分别对SBR改性沥青混合料、纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料进行水稳定性试验，试验结果如图2所示。

由图2可知，纳米CaCO3/SBR改性沥青混合料的残留稳定度及冻融劈裂强度比均大于SBR改性沥青混合料，表明在SBR改性沥青混合料中加入纳米CaCO3可有效提升沥青混合料的水稳定性，具有一定抵御水损害的能力。

3 结 论

为探究纳米CaCO3与SBR改性剂对沥青及沥青混合料的协同作用，试验制备SBR改性沥青及纳米CaCO3/SBR改性沥青及相应的沥青混合料。结果表明，在SBR改性沥青中加入纳米CaCO3可明显提升改性沥青的高温性能，在沥青混合料高温稳定性及水稳定性方面，纳米CaCO3可有效改善沥青混合料的高温抗车辙性能及抵御水损害的能力，对其低温抗裂性作用效果不理想，但仍满足规范要求。