纳米SiO2改性沥青混合料的制备及性能研究*

锁利军

(山西工程技术学院 土木工程系，山西 阳泉 045000)

0 引 言

近年来，随着我国城市化的发展，交通路网和公路建设也取得了很大的进步，随着车流量的增加和运输规模的扩大，导致了对路面性能的要求也在不断提高[1-2]。沥青路面因具有高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳性和水稳定性等而被广泛应用于路面建设[3-5]。但近些年由于重型车辆的作用，沥青路面出现的问题也越来越多，车辙、开裂、冬季易脆裂、夏季易软化、结构强度下降等已经严重影响了沥青路面的正常使用[6-8]。为此，提高沥青路面材料的性能指标和改善路用性能的研究显得很有意义。目前关于改性沥青及混合料的方法主要分为物理改性、掺杂剂改性和工艺改性，其中比较常用的方法是通过对沥青材料中掺杂矿料、橡胶粉、纳米材料以及聚合物改性剂等来提高其性能[9-12]。这几年由于纳米技术的飞速发展，关于纳米材料改性沥青及混合料的研究也开始被人们关注[13-15]。纳米材料因尺寸小、表面能高等特点而具有良好的物理性能和化学性能，纳米材料引入沥青混合料后因“小尺寸效应”和“表面效应”能够与沥青材料很好地结合，并且良好的相容性能够保证纳米材料在沥青中的均匀分散和稳定性，从而有效降低沥青的温度敏感性，提高软化点和增加抗裂性能，在沥青改性研究方面有着较好的发展前景[16-18]。关于纳米材料改性沥青及混合料的研究也越来越多，开前正等[19]通过将纳米填料TiO2和SiO2掺杂到沥青材料中，以提高沥青混凝土的反射率，结果表明，纳米填料TiO2和 SiO2能明显地提高改性沥青的反射率，6%掺杂量纳米TiO2的改性沥青表面温度减低超过5 ℃，有效地提高了沥青的反射率，降低了路面温度及带来的温度应力破坏。李永琴等[20]通过掺杂纳米TiO2和纳米CaCO3制备了纳米改性沥青混合料，并进行了单轴压缩蠕变试验，结果表明，5%掺杂量纳米TiO2和纳米CaCO3的沥青混合料的稳态蠕变激活能提高了约20%，沥青混合料的高温抗车辙性能显著提高，掺入复合纳米TiO2和纳米CaCO3后有效改善了沥青混合料的黏弹性。基于以上研究，本文选择纳米SiO2为掺杂填料，90#A级沥青作为基质沥青，制备了纳米SiO2改性沥青混合料，并对改性沥青的三大指标、混合料的高低温性能、水稳定性和抗冻性能进行了研究。

1 实 验

1.1 实验原材料

纳米SiO2：白色粉末，堆积密度为0.3 g/cm3，平均粒径为65 nm，比表面积为10 m2/g，湖北汇富纳米材料股份有限公司；粗集料：石灰岩，表观相对密度为2.72 g/cm3，吸水率为0.31%，集料压碎值为18.4%，磨损损耗为13.2%，山东德葡石材装饰工程有限公司；细集料：机制砂，表观相对密度为2.42 g/cm3，砂当量为65%，含泥量为1.4%，邵武市尚中宪砂石料贸易有限公司；填料：矿粉，表观相对密度为2.715 g/cm3，邵武市尚中宪砂石料贸易有限公司。

1.2 纳米SiO2改性沥青混合料的制备

采用高速剪切法制备纳米SiO2改性沥青混合料：首先，选择90#A级沥青作为基质沥青，称取500 g基质沥青放入烧杯中，加热至熔融状态，用电子天平量取基质沥青质量分数为0，1%，3%，5%和7%的纳米SiO2，在170 ℃高温下将不同质量分数的纳米SiO2加入到熔融状态的基质沥青中，然后，进行人工搅拌10 min，保证基质沥青与纳米SiO2能够均匀混合，最后，使用剪切仪在温度为170 ℃、转速为6 000 r/min的条件下高速剪切1 h，即得不同掺杂量的纳米SiO2改性沥青混合料。

1.3 纳米SiO2改性沥青混合料的级配设计

根据JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》技术要求对改性沥青混合料进行级配设计，如图1所示。

图1 纳米SiO2改性沥青混合料的级配设计

表1为纳米SiO2改性沥青混合料级配数据。从表1可以看出，每一档的合成配比均处于上下限之间，综合考虑不同油石比下试件的马歇尔稳定度、流值、沥青饱和度等因素求出基质沥青混合料的最佳油石比为5.1%，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的最佳油石比为5.2%[21]，本文以此进行制备沥青混合料试件。

表1 纳米SiO2改性沥青混合料级配数据

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2改性沥青混合料的指标分析

图2为纳米SiO2改性沥青混合料的针入度曲线。从图2可以看出，随着纳米SiO2掺杂量的增加，改性沥青混合料在25 ℃时标准针100 g、5 s时刺入沥青试样的深度出现先持续降低后轻微升高的趋势。当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，针入度达到了最低值61.2(0.1 mm)。

图2 纳米SiO2改性沥青混合料的针入度曲线

图3为纳米SiO2改性沥青混合料的软化点测试曲线。从图3可以看出，未掺杂纳米SiO2的沥青软化点最低为50.2 ℃，掺入纳米SiO2后，改性沥青的软化点均得到了提高，并随着纳米SiO2掺杂量的增加呈现出先升高后轻微降低的趋势。当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，软化点达到最大值58.7 ℃。

图3 纳米SiO2改性沥青混合料的软化点曲线

图4为纳米SiO2改性沥青混合料的延度曲线。从图4可以看出，随着纳米SiO2掺杂量的增加，改性沥青的延度曲线呈现出先升高后降低的趋势。当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，延度最大为19.2 cm，相比未掺杂纳米SiO2的沥青，延度增大了90.1%。可见，纳米SiO2对于沥青材料的延度改善较大，可以有效提高改性沥青的拉伸性能。

图4 纳米SiO2改性沥青混合料的延度曲线

图5为纳米SiO2改性沥青混合料的粘度曲线。从图5可以看出，随着纳米SiO2掺杂量的增加，改性沥青的粘度表现出先升高后轻微降低的趋势，整体来看，改性沥青的粘度均得到了较大程度地提高。当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，粘度达到了最大值669 Pa·s，相比未掺杂纳米SiO2的沥青材料，粘度提高了114.4%。

图5 纳米SiO2改性沥青混合料的粘度曲线

对于沥青材料来说，当软化点越高时，表明高温性能越优异，延度越大，则沥青材料的拉伸性能越好。表2为纳米SiO2改性沥青混合料的指标测试结果。从表2可以看出，当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，改性沥青混合料的软化点最高、延度最大，表明纳米SiO2的掺入有效改善了沥青的各项性能参数。分析其原因为纳米SiO2的尺寸较小，表面能较大，且具有较多的不饱和官能团，当纳米SiO2掺杂到沥青中后，纳米材料能够与沥青材料的不饱和键结合，形成网状结构并在沥青材料基体中产生聚合效果，当沥青材料受外部应力或温度应力时，网状结构能够有效传递和释放应力，提高改性沥青的韧性和温度稳定性。综合各性能参数，纳米SiO2的最佳掺量为5%(质量分数)，因此，本文采用5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料进行高温性能测试、水稳定性测试、冻融劈裂测试和低温抗裂性测试。

表2 纳米SiO2改性沥青混合料的指标测试结果

2.2 纳米SiO2改性沥青混合料的高温性能

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青混合料车辙试验方法来测定沥青混合料的高温抗车辙能力，给定温度为60 ℃，车辙板试件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，采用0.7 MPa轮压的橡胶轮胎来回轮压[22]，记录轮子在试件上竖向位移增加1 mm所需要的往返次数，分别测试了45 min车辙深度和60 min车辙深度，计算出动稳定度D，计算公式如式(1)：

(1)

其中，Ds为动稳定度，次/mm；C1为试验机修正系数；C2为试件系数，取0.1；d1为对应t1时间下的变形量，mm；d2为对应t2时间下的变形量，mm；N为碾压速度，本文固定碾压速度为42次/min。

在高温条件下沥青路面很容易发生车辙病害现象，提高动稳定度才能有效解决这一问题。表3为5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的车辙试验测试结果。从表3可以看出，相比基质沥青，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料在45和60 min的车辙深度明显降低，分别降低了45.90%和52.27%，动稳定度从6 503次/mm增加至10 442次/mm，提高了60.57%。这是因为纳米SiO2具有较大的比表面积和较强的表面活性，当纳米SiO2引入沥青混合料后可以对沥青产生较强的吸附效果，纳米材料的“小尺寸效应”会与混合料发生物理反应，在一定范围内改变了沥青混合料的力学性质，其次纳米SiO2的引入减小了沥青混合料中的轻组分含量，有效改善了沥青混合料的温度敏感性，从而提高了沥青混合料的高温性能。

表3 5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的车辙试验结果

2.3 纳米SiO2改性沥青混合料的水稳定性

采用浸水马歇尔试验对纳米SiO2改性沥青混合料的水稳定性进行测试表征，将两组沥青混合料分别进行成型稳定测试和放入60 ℃的恒温水浴中保温48 h，分别计算标准马歇尔稳定度和浸水48 h后稳定度，并根据测试结果计算残留稳定度，测试结果如表4所示。

表4 5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的水稳定性测试结果

表4为5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的水稳定性测试结果。从表4可以看出，两种沥青混合料的残留稳定度均大于80%，满足了规范中大于75%的要求，基质沥青混合料的残留稳定度为84.40%，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的残留稳定度高达90.69%，并且无论是标准马歇尔稳定度还是浸水48 h后的稳定度，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的稳定度均高于基质沥青。可见纳米SiO2的掺杂有效提高了沥青混合料的水稳定性，这是因为纳米SiO2具有高的比表面能和大的比表面积，能够与沥青分子的有机官能团发生物理反应和化学反应，并形成固定相，提高了沥青分子之间的结合力，在沥青分子表面还能够形成有机保护膜，促进了集料从亲水性向亲油性的转变，从而提高了沥青混合料的水稳定性。

2.4 纳米SiO2改性沥青混合料的冻融劈裂性能

对纳米SiO2改性沥青混合料进行冻融劈裂测试，采用马歇尔击实法成型的马歇尔圆柱体试件，数量为10个，击实次数双面各50次，试件尺寸为直径(101.6±0.25)mm，高度(63.5±1.3)mm，冻融劈裂试验温度25 ℃，试验机加载速率50 mm/min，测试结果如表5所示。

表5 5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的冻融劈裂测试结果

表5为5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的冻融劈裂试验测试结果。从表5可以看出，不管是冻融前还是冻融后，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的劈裂强度均大于基质沥青，基质沥青混合料的冻融劈裂强度比为76.52%，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的冻融劈裂强度比达到了91.24%，相比较基质沥青混合料提高了14.72%。这是因为掺入的纳米SiO2可以对基质沥青进行填充，并且纳米材料的小尺寸效应使其可以与沥青混合料进行有效结合，提高集料和沥青之间粘结程度，在沥青混合料体系中形成连续相，从而阻碍沥青之间的相互运动，提高了抗损坏性能。

2.5 纳米SiO2改性沥青混合料的低温抗裂性

低温开裂是目前沥青路面比较常见的问题，当温度较低时，沥青混合料不能快速降低温度应力，容易造成沥青路面发生拉伸变形，严重时会产生开裂[23]。对5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料和90#A级沥青混合料分别在-10 ℃下进行了小梁弯曲性能试验，利用位移传感器采集小梁在恒载作用下的变形数据，分别测试出两种沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量，以此来表征纳米SiO2改性沥青混合料的低温抗裂性能，测试结果如表6所示。

表6 5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的低温抗裂性测试结果

表6为5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的低温抗裂性测试结果。从表6可以看出，纳米SiO2的掺杂有效改善了沥青混合料的低温抗裂性能。相比基质沥青，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的抗弯拉强度提高了17.70%，最大弯拉应变提高了11.36%，弯曲劲度模量提高了8.86%。这是因为掺入纳米SiO2后有效促进了沥青和集料直接的结合程度，使水分更难从集料和沥青之间进入，粘聚力得到了明显提高，从而在低温环境中的抗裂能力得到改善。

3 结 论

(1)当纳米SiO2的掺杂量为5%(质量分数)时，改性沥青混合料的针入度最低为61.2(0.1 mm)，软化点最高为58.7 ℃，延度最大为19.2 cm，粘度最大为669 Pa·s。可知，纳米SiO2的最佳掺量为5%(质量分数)。

(2)相比基质沥青，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料在45和60 min的车辙深度明显降低，分别降低了45.90%和52.27%，动稳定度从6 503次/mm增加至10 442次/mm，提高了60.57%。

(3)纳米SiO2的掺杂有效提高了沥青混合料的水稳定性，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料浸水48 h后残留稳定度高达90.69%。

(4)5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的冻融劈裂强度比达到了91.24%，相比较基质沥青混合料提高了14.72%。

(5)相比基质沥青，5%(质量分数)纳米SiO2改性沥青混合料的抗弯拉强度提高了17.70%，最大弯拉应变提高了11.36%，弯曲劲度模量提高了8.86%。