纳米材料改性沥青混合料路用性能对比研究

2023-07-12龚贵林刘宗斌

粘接 2023年6期

龚贵林　刘宗斌

摘要：为了给纳米改性沥青路面推荐较优纳米材料，通过室内试验对比研究了TiO2、ZnO和SiO2纳米材料在不同添加剂量条件下，对基质沥青混合料的性能作用效果。结果表明：添加TiO2纳米材料，在添加剂量为6%时，动稳定度达到最大值1 652次/mm，抗弯拉强度达到最大值14.01 MPa；在添加剂量为7%时，冻融劈裂强度比（TSR）达到最大值87.5%。添加ZnO纳米材料，在添加剂量为7%时，动稳定度达到最大值1 794次/mm，TSR达到最大值89.1%，抗弯拉强度达到最大值13.04 MPa。添加SiO2纳米材料，在添加剂量为6%时，动稳定度达到最大值1 493次/mm，TSR达到最大值92.7%；在添加剂量为7%时，抗弯拉强度达到最大值11.45 MPa。

关键词：沥青路面；纳米材料；路用性能；对比研究

中图分类号：TU528.42;U416.2 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0056-04

Comparison study on road performance of nano-material modified asphalt mixture

GONG Guilin1，LIU Zongbin2

（1.Shanxi Railway Engineering Vocational and Technical College，Weinan 714000，Shaanxi China;2.Xian University of Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to recommend optimal nano-materials for nano-modified asphalt pavement，the effects of TiO2，ZnO and SiO2 nano-materials on the performance of matrix asphalt mixture under different additive dosage were studied through laboratory tests. The results showed that the dynamic stability of the matrix asphalt mixture with TiO2 nanomaterials reached a maximum of 1 652 times /mm and the flexural strength reached a maximum of 14.01 MPa when the additive dosage was 6 %.When the additive dosage was 7 %，the TSR reached a maximum of 87.5 %.When the additive dosage of matrix asphalt mixture added with ZnO nanomaterials was 7 %，the dynamic stability reached a maximum of 1 794 times /mm，the TSR reached a maximum of 89.1 %，and the flexural tensile strength reacheds a maximum of 13.04 MPa.The dynamic stability of the matrix asphalt mixture with SiO2 nanomaterials reached a maximum of 1 493 times /mm and the TSR reaches a maximum of 92.7 % when the additive dosage was 6 %.When the additive dosage was 7 %，the flexural strength reached a maximum of 11.45 MPa.

Key words：asphalt pavement；nanomaterial；road performance；comparative study

許多学者对纳米改性沥青混合料进行了研究，比如对纳米改性沥青材料研究现状进行了综述分析［1］，对纳米材料改性沥青的微观机理和制备进行了研究［2-3］，对不同纳米材料改性沥青性能及其应用情况进行了研究［4-6］。不同的纳米材料种类，以及不同的掺量对沥青混合料的影响效果是有所不同的。

本研究旨在分析国内常用的TiO2、ZnO和SiO23种纳米材料以及不同添加剂量对基质沥青混合料的性能作用效果，为纳米材料改性沥青路面推荐一个较优的纳米材料添加方案。

1 试验方案及原材料技术指标

1.1 试验组织方案

沥青材料采用国内常用的70号A级道路石油沥青。以沥青混合料试件的动稳定度、冻融劈裂强度比（TSR）和弯拉强度为评价指标，研究3种纳米材料TiO2、ZnO 和SiO2在不同添加剂量条件下对基质沥青混合料的性能作用效果。

纳米改性沥青混合料的制备方法是先制备纳米改性沥青，然后再与集料进行拌合。在165 ℃的烘箱中放入70号A级道路石油沥青，加热30 min，至流动状态，然后将设计比例的纳米材料加入热沥青中。先用搅拌工具手动搅拌，至纳米材料分散开来。然后用高速剪切机，以3 000 r/min的速度剪切15 min。最后按照油石比4.9%与集料进行拌合，试件成型。

1.2 原材料技术指标

TiO2、ZnO 和SiO2纳米材料指标如表1所示；沥青材料指标如表2所示；集料与矿粉检测指标如表3～表5所示;矿料级配检测指标如表6所示。

2 试验结果及分析

2.1 高温稳定性试验结果与分析

在夏季高温地区，尤其是在交通量繁重地段，沥青路面会表现出流变性能，路面承载能力下降，容易出现车辙等病害。参照规范要求［13］，通过车辙试验研究TiO2、ZnO 和SiO2纳米材料在不同添加剂量的条件下，对70号A级基质沥青混合料的性能作用效果。试件的动稳定度如表7和图1所示。

由表7和图2可知，采用3种改性剂的沥青混合料的动稳定度均大于800次/mm，满足规范技术要求，且动稳定度随着纳米材料添加剂量的增加呈现出增加的趋势。添加TiO2纳米材料的基质沥青混合料，在TiO2纳米材料添加剂量为6%时，其动稳定度达到最大值1 652次/mm，相比基质沥青混合料增长了82.5%。添加ZnO纳米材料的基质沥青混合料，在ZnO纳米材料添加剂量为7%时，其动稳定度达到最大值1 794次/mm，相比基质沥青混合料增长了98.2%。添加SiO2纳米材料的基质沥青混合料，在SiO2纳米材料添加剂量为6%时，其动稳定度达到最大值1 493次/mm，相比基质沥青混合料增长了65.0%。但动稳定度在纳米材料添加剂量大于6%后，呈现出下降趋势。这是因为纳米材料具有的很大的表面积和很高的表面结合能，适量的纳米材料能够在沥青中搅拌均匀，提高其试件的性能；相反，纳米材料添加过多的情况下，会出现团聚现象，试件的性能反而会降低。所以当纳米材料添加剂量达到一定值时，在继续添加，会使得纳米改性沥青混合料的动稳定度出现下降趋势。

2.2 水稳定性试验结果与分析

在夏季多雨地区，沥青路面由于积水或者路基排水不畅，导致路面产生各种各样的水损害。本研究采用冻融劈裂试验，以试件的TSR為检测指标，研究不同添加剂量TiO2、ZnO 和SiO2纳米材料对70号A级基质沥青混合料的改性效果。试件的TSR如图2和表8所示。

由表8和图2可知，3个组沥青混合料的TSR，均满足大于等于75%的技术要求。随着纳米材料添加剂量的增加，沥青混合料试件的TSR均有不同程度的提高。添加TiO2纳米材料的基质沥青混合料，在TiO2纳米材料添加剂量为6%时，其试件的TSR达到最大值88.6%，相比基质沥青混合料增长了10.2%。添加ZnO纳米材料的基质沥青混合料，在ZnO纳米材料添加剂量为6%时，其试件的TSR达到最大值91.8%，相比基质沥青混合料增长了13.4%。添加SiO2纳米材料的基质沥青混合料，在SiO2纳米材料添加剂量为6%时，其试件的TSR达到最大值94.3%，相比基质沥青混合料增长了15.9%。在纳米材料最佳添加剂量条件下，3种沥青混合料的水稳定性能大小依次为：SiO2沥青混合料、ZnO沥青混合料、TiO2沥青混合料。在纳米材料添加剂量逐渐增加的条件下，其试件的TSR逐渐升高后降低，这是因为纳米材料很大的表面积和很高的表面结合能，适量的纳米材料能够提高其试件的水稳定性能；但当纳米材料添加过多，在沥青中会出现团聚现象，其纳米材料的改性效果开始出现下降。因此其沥青混合料的TSR出现下降趋势。

2.3 低温抗裂性试验结果与分析

通过低温弯曲试验研究TiO2、ZnO 和SiO2纳米材料在不同添加剂量的条件下，对70号A级基质沥青混合料的性能作用效果，试验温度采用5 ℃。试件的抗弯拉强度如表9和图3所示。

由表9和图3可知，抗弯拉强度随着纳米材料添加剂量的增加呈现出先增加后减小的趋势，在掺量6%～7%时出现转折，说明本研究所采用的3种纳米材料能够有效提高70号A级基质沥青混合料的低温抗裂性能。添加TiO2纳米材料的基质沥青混合料，在TiO2纳米材料添加剂量为6%时，其试件的抗弯拉强度达到最大值14.01 MPa，相比基质沥青混合料增长了88.1%。添加ZnO纳米材料的基质沥青混合料，在ZnO纳米材料添加剂量为7%时，其试件的抗弯拉强度达到最大值13.04 MPa，相比基质沥青混合料增长了75.0%。添加SiO2纳米材料的基质沥青混合料，在SiO2纳米材料添加剂量为7%时，其试件的抗弯拉强度达到最大值11.45 MPa，相比基质沥青混合料增长了53.7%。在纳米材料最佳添加剂量条件下，3种沥青混合料的低温抗裂性能依次为：TiO2沥青混合料优于ZnO沥青混合料，优于SiO2沥青混合料。

在纳米材料添加剂量逐渐增加的条件下，其试件的抗弯拉强度逐渐升高，但达到一定剂量时，开始出现下降趋势。这是由于当纳米材料添加过多时，部分纳米材料与沥青未能充分发生反应，残留在沥青混合料中，由于纳米材料的密度较小，使得整体沥青混合料试件的密度开始减小，导致试件的低温抗裂性能开始下降，所以抗弯拉强度呈现下降趋势。

3 结语

（1）沥青混合料的动稳定度、TSR和抗弯拉强度随着TiO2、ZnO和SiO2此3种纳米材料掺量的增加而增加，可见能够有效提高70号A级基质沥青混合料的路用性能；

（2）纳米材料具有的很大的表面积和很高的表面结合能，适量的纳米材料能够在沥青中搅拌均匀，提高其试件的性能。相反，纳米材料添加过多，试件的性能反而会降低；

（3）TiO2纳米改性沥青混合料，其动稳定度、抗弯拉强度和TSR在掺量为6%时达到峰值;

（4）添加ZnO纳米材料的基质沥青混合料，其动稳定度、抗弯拉强度在掺量为7%时达到峰值，TSR在掺量为6%时达到峰值;

（5）添加SiO2纳米材料的基质沥青混合料，其动稳定度在掺量为6%时达到峰值，抗弯拉强度、TSR在掺量为7%时达到峰值;

（6）在夏季高温地区，建议采用ZnO纳米材料作为70号A级道路石油沥青改性剂，掺量为7%；在夏季多雨地区，建议采用SiO2纳米材料，添加剂量为6%；在冬季结冰地区，建议采用TiO2纳米材料，添加剂量为6%。

【参考文献】

［1］李永浩，孙广超，陈俊杉.高速公路沥青混凝土路面性能评价及养护技术分析［J］.粘接，2022，49（7）：133-136.

［2］苏群，张奇，王大庆，等.纳米材料改性沥青的研究状况和进展［J］.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2012，26（2）：1-3.

［3］金大中，钱国平，白献萍.纳米改性沥青材料研究进展［J］.化工新型材料，2019，47（12）：32-36.

［4］孙璐，辛宪涛，王鸿遥，等.多维数多尺度纳米材料改性沥青的微观机理［J］.硅酸盐学报，2012，40（10）：1437-1447.