纳米ZnO/SBS 复合改性沥青混合料路用性能试验研究

2021-03-22黄文妤库都孜库娜吉

福建交通科技 2021年2期

黄文妤库都孜·库娜吉

（1.新疆公路桥梁试验检测中心有限责任公司，乌鲁木齐 830000；2.新疆交投科技有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

近几年，纳米改性沥青技术成为研究学者的一个新的研究课题，纳米材料作为一种超微粒材料，具有较大的比表面积，表面能很大，且纳米表面的原子不太稳定，极易吸附其他原子并发生键结[1]。在国内外研究学者对纳米材料改性沥青的研究中发现，纳米微粒加入沥青后改性沥青的性能提升程度并不大，并不能完全发挥纳米微粒的自身性质特点[2]。目前道路建设中应用较多的是SBS 改性沥青，研究发现SBS 改性剂虽然一定程度上改善了沥青的各方面性能，但其性能的发挥在很大程度上直接受SBS 微粒在沥青中的均匀分散程度及颗粒粒径大小的影响[3-4]。如果通过一定的方法或制备工艺可以改善SBS 微粒在沥青中的分散状态，将会更大程度地发挥SBS 改性剂的自身特性，改善沥青的各方面性能。本文结合纳米微粒比表面积大和较大表面能的特点，拟将纳米ZnO 材料与SBS 改性剂复掺对基质沥青进行改性，希望通过这种方式能够更好地改善SBS 改性剂颗粒的分散效果，更大程度地提高沥青的各方面性能。

1 原材料与配合比设计

1.1 试验材料

试验采用A-70 号石油沥青作为复合改性沥青的基质沥青，其技术指标见表1。SBS 改性剂采用巴陵石化公司生产的YH-791 型改性剂，其为白色线型粒柱状，嵌段比S/B 为30/70。纳米材料ZnO 由陕西某纳米材料公司提供，ZnO 有效含量为95.46，外观为白色粉末状。粗集料采用石灰岩碎石，集料规格分别为10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm，细集料采用机制砂，填料采用石灰岩矿粉，各档集料的技术指标如表2 所示。

表2 各档集料技术指标

1.2 复合改性沥青制备及改性剂掺量确定

纳米材料ZnO 外观呈乳白色粉末状，与基质沥青的相容性很好，在高温条件下与热熔的沥青通过机械搅拌即可均匀混合。 SBS 改性剂与基质沥青的溶解度参数相差较大，与热熔的基质沥青在机械搅拌方式下无法均匀混合在一起，通常采用高速剪切的方式对其进行混合改性。本文在制备ZnO/SBS 复合改性沥青时采用溶剂法将SBS 改性剂和纳米ZnO 置于溶剂苯中进行溶解，待完全溶解后放入热熔的基质沥青中，并不断采用机械搅拌方式将其均匀混合，随后将内部的溶剂苯通过加热搅拌挥发、冷凝回收等工艺排出，最终得到高性能的ZnO/SBS复合改性沥青。

结合已有的相关研究资料表明，SBS 改性沥青的SBS 改性剂掺量在5%时各方面路用性能达到最优，本文在试验研究时SBS 掺量采用5%[5]。纳米ZnO 改性剂的掺量需结合改性沥青性能试验确定，在5%SBS 改性沥青的基础上加入不同ZnO 掺量（1%、3%、5%、7%、9%）制备得到复合改性沥青，然后对其进行基本性能试验，试验结果见表3。从表3中复合改性沥青各方面性能试验结果可以发现，ZnO 掺量大于5%各方面性能改善或提高的幅度变缓并趋于平稳，综合改性剂效果、经济等方面考虑将ZnO 掺量确定为5%。

表3 ZnO/SBS 复合改性沥青性能

1.3 配合比设计

采用AC-13 型矿料级配进行沥青混合料性能试验，矿料级配设计见表4。

表4 矿料级配设计表

根据矿料级配，初定SBS 改性沥青的最佳油石比为4.8%，并以0.3%间隔左右各取2 组油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%。分别对5 组油石比进行马歇尔试验，试验结果如表5 所示。从表5 的各项指标参数与油石比的关系可最终确定SBS 改性沥青的最佳油石比为4.9%。

按照以上方法分别确定基质沥青、纳米ZnO 改性沥青及ZnO/SBS 复合改性沥青的最佳油石比分别为4.8%、4.9%和5.0%

表5 马歇尔试验结果

2 路用性能试验结果分析

2.1 高温性能

采用车辙试验分别对70# 基质沥青、ZnO 改性沥青、SBS 改性沥青、ZnO/SBS 复合改性沥青等4 种混合料进行车辙试验，前3 种沥青混合料均为对照组，评价ZnO/SBS 复合改性沥青的高温抗车辙变形性能。试验温度选择60℃，车轮荷载为0.7 MPa，试验结果见表6。

表6 车辙试验结果

从表6 可以看出，4 种沥青混合料的动稳定度大小排序为：ZnO/SBS 改性沥青＞SBS 改性沥青＞ZnO 改性沥青＞70# 基质沥青，相对于70# 基质沥青，纳米ZnO 改性沥青和SBS 改性沥青混合料的动稳定度分别提高了58.2%、176.5%，说明2 种沥青改性剂对普通基质沥青混合料的高温性能都有很大提升，且SBS 改性剂对于沥青混合料的高温性能提升作用更大；ZnO/SBS 改性沥青混合料相对单掺纳米ZnO 和SBS 改性剂时分别提高了145%、40.2%，说明2 种沥青改性剂复掺时对基质沥青的改性效果最佳，可能是纳米ZnO 和SBS 改性剂加入沥青后相互作用发生化学反应产生了更为稳固的网络结构的结果[6]。

2.2 低温性能

采用低温小梁弯曲试验对4 种沥青混合料的低温性能进行试验，试验温度选取-10℃，试验结果见表7。

表7 低温弯曲试验结果

从表7 可知，相比70# 基质沥青混合料，纳米ZnO 改性沥青和SBS 改性沥青混合料的弯拉强度都有所提高，这是由于ZnO 和SBS 改性剂加入沥青后增加了沥青的粘度，提高了沥青与集料的粘结强度，试验时试件抵抗破坏需要的力和强度较大。与70# 基质沥青相比，ZnO 改性沥青与SBS 改性沥青混合料的破坏应变分别增加了28.1%、90.9%，劲度模量分别降低了6.1%、11.9%，说明纳米ZnO 和SBS 改性剂均可提高沥青混合料的低温抗裂性。ZnO/SBS 复合改性沥青混合料的破坏应变分别比ZnO 改性沥青和SBS 改性沥青混合料增加了114.7%、44%，劲度模量分别降低了28.2%、23.4%。说明ZnO 与SBS 改性剂复掺后明显提高了改性沥青混合料的低温性能。一方面是由于ZnO 与SBS混掺后发生化学反应生成了更稳定的网络结构，试件开裂需要消耗更大的断裂能，另一方面是由于ZnO 加入后改善了SBS 在沥青中的分散程度，使SBS 改性剂颗粒粒径更小，分散得更加均匀，从而改善沥青混合料的低温抗裂性能[7-8]。

2.3 水稳定性

采用国内常用的水稳定性评价试验即浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分别对4 种混合料的抗水损害性能进行试验评价，试验结果见表8～9。

表8 浸水马歇尔试验结果

表9 冻融劈裂试验结果

从表8、9 可知，单掺纳米ZnO 或SBS 改性剂的改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均较70# 基质沥青有所提高，且2 种改性剂复掺后的复合改性沥青的残留稳定度和冻融劈裂强度比更大，说明纳米ZnO 或SBS 改性剂均改善了沥青混合料的水稳定性，但纳米ZnO 没有SBS 的效果显著。同时掺加2 种改性剂后混合料的抗水损害性能显著提高，说明纳米ZnO 改善了SBS 改性沥青混合料的水稳定性。