纳米ZnO改性沥青及混合料路用性能研究

张二毛 侯剑楠

摘要：为掌握纳米ZnO颗粒对基质沥青及混合料路用性能的影响，文章基于DSR、BBR、高温车辙等试验，对纳米材料改性效果进行验证。结果表明：纳米ZnO可增强沥青弹性特征，提高沥青抵抗剪切变形能力，抑制热氧老化过程；掺入纳米ZnO能提高沥青混合料高温抗车辙能力，增强基质沥青和矿料之间的附着力，提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能；建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

关键词：纳米ZnO；纳米改性沥青；PG分级；路用性能

中图分类号：U416.03A100324

0引言

沥青路面作为我国高等级公路的主要路面结构形式，具有施工便捷性、行车舒适性、噪音小等优点。沥青路面中的沥青结合料是一种组成复杂的粘弹塑性材料，其性能与作用荷载频率、温度等因素相关，如沥青在高温环境下变软呈黏性、低温环境下变硬易脆断，且在温度、氧气与紫外线的综合作用下发生老化现象［1］。研究人员为改善沥青材料自身的相关缺陷，延长沥青路面使用寿命，尝试在沥青中掺入人工合成或天然的无机、有机材料，以提高沥青的高温抗车辙、低温抗裂及抗老化等路用性能［2］。

纳米材料是一种介于原子、分子与宏观体系之间的新型材料，其具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应等特殊性质，能使传统材料产生独特的热学、力学与光、电、磁性能［3］。沥青性能取决于沥青材料中的微观结构组成，特别是微米与纳米尺度下发生的作用，因此使用纳米材料对沥青进行改性可从根本上大幅度提高沥青性能，具有良好的应用前景［4］。基于此，本文使用纳米ZnO颗粒对基质沥青进行改性，通过动态剪切流变试验、低温弯曲梁流变试验、高温车辙试验等沥青及沥青混合料试验，分析纳米ZnO颗粒的改性效果，以期为纳米ZnO改性沥青的应用提供参考。

1原材料

1.1沥青

本文采用的基质沥青为壳牌70#沥青，其技术指标如表1所示。

1.2纳米氧化锌

本文采用的纳米ZnO颗粒技术指标如表2所示。

1.3集料

本文所采用的玄武岩粗集料、石灰岩细集料技术指标如表3、表4所示。

1.4矿料级配

本文所采用的纳米ZnO改性沥青混合料油石比为4.8%，矿料级配为AC-13，如表5所示。

2纳米ZnO改性沥青的制备

首先称取沥青质量分数为2%、4%、6%、8%的纳米ZnO材料，将其与加热至熔融状态的壳牌70#基质沥青一同使用高速剪切乳化机进行初步搅拌（5 000 r/min，剪切30 min，160 ℃）；然后将搅拌温度提高至170 ℃，将转速提高至7 500 r/min高速剪切45 min；最后在120 ℃的溫度下发育2 h，制备得到纳米ZnO改性沥青［5］。

3纳米ZnO改性沥青性能

3.1高温流变性

为分析纳米ZnO对基质沥青高温流变性能的影响，本文采用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer，简称DSR）对沥青样品的流变性能进行分析，测试条件为：应变控制模式，加载频率为10 rad·s-1，应变控制水平为12%，温度为64 ℃～82 ℃。结果如表6所示。

为评价不同纳米ZnO掺量对改性沥青性能的影响，根据表6中的试验结果，绘出各因素与试验指标的关系，如图1～2所示。

由表6与图1～2可知：

（1）随着试验温度的提高，纳米ZnO改性沥青相位角逐渐提高、车辙因子逐渐降低，表明沥青的弹性特征逐渐降低，黏性特征增强，沥青抵抗剪切变形能力降低。当纳米ZnO掺量为0～4%时，纳米ZnO改性沥青高温等级为PG76；当纳米ZnO掺量为6%～8%时，纳米ZnO改性沥青高温等级为PG82。

（2）随着纳米ZnO掺量的提高，沥青在相同试验温度下的相位角逐渐降低、车辙因子逐渐提高，结果表明纳米ZnO明显改善了沥青的弹性特征，提高了沥青抵抗剪切变形能力。这可能是由于纳米ZnO的表面存在较多不饱和的原子悬空键，能与基质沥青中的原子发生缔合作用，形成一种稳定的化学结构，宏观表现为纳米ZnO沥青的高温流变性能的显著提升。此外，当纳米ZnO掺量＞6%时，纳米ZnO对沥青高温性能的改善效果逐渐减小，这可能是由于纳米ZnO掺量过大会导致纳米颗粒发生团聚现象，从而影响改性效果，建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

（3）纳米ZnO改性沥青经RTFOT老化后，相位角降低、车辙因子提高，这是由于经短期老化后，沥青中的轻质组分含量减小，沥青变硬变脆，黏性特征降低。当纳米ZnO掺量由0提高至8%时，沥青RTFOT老化后的车辙因子增幅由17%～39%降低至1%～5%，表明纳米ZnO能够在一定程度上抑制沥青的热氧老化过程，提高沥青抗老化性能，从而延长道路使用寿命。

3.2低温延展性

为分析纳米ZnO对基质沥青低温性能的影响，本文采用低温弯曲梁流变仪（Beam Bending Rheometer，以下简称BBR）评价纳米ZnO改性沥青低温性能，将沥青样品制备成小梁试件后测试其在蠕变荷载作用下的劲度，以蠕变速率m与蠕变劲度S作为沥青低温性能评价指标，试验结果如表7所示。

根据表7中的试验结果，绘出纳米ZnO掺量与蠕变速率、蠕变劲度的关系，如图3所示。

由表7和图3可知，随着纳米ZnO掺量的提高，沥青蠕变劲度逐渐降低、蠕变速率逐渐提高，表明纳米ZnO对沥青低温延展性能存在一定的改善效果。当纳米ZnO掺量为0～8%时，纳米ZnO改性沥青低温等级为PG-18，这可能是由于纳米颗粒的比表面积较大，使沥青在受拉力作用时产生较多的微裂缝，可吸收更多的能量，从而延缓沥青的低温开裂，宏观表现为纳米ZnO改性沥青具有较好的低温延展性能。

4纳米ZnO改性沥青混合料路用性能

为研究纳米ZnO改性剂对沥青混合料路用性能的影响，通过高温车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验，分析不同纳米ZnO掺量下改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性，结果如表8所示。

由表8可知：

（1）纳米ZnO改性沥青混合料的动稳定度均大于基质沥青混合料，且随着纳米ZnO掺量的提高，改性沥青混合料动稳定度不断提高，表明纳米ZnO能显著改善沥青混合料抵抗高温剪切变形能力，纳米ZnO掺量越大，改性效果越好。

（2）掺入纳米ZnO后，沥青混合料低温破坏应变增大，且掺量越大破坏应变越高，表明纳米ZnO可提高沥青混合料低温抗裂性，但改性效果不显著，当纳米ZnO掺量由0提高至8%时，破坏应变仅提高4%～11%，与BBR试验结果相符。

（3）掺入纳米ZnO后，沥青混合料冻融强度比提高，且掺量越大冻融强度比越大，说明纳米ZnO可提高沥青混合料抗水损害能力，这是由于纳米ZnO能改变沥青表面结构，提高沥青表面粗糙度，增强基质沥青和矿料之间的附着力，从而提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能。

5结语

本文基于沥青性能试验与沥青混合料路用性能试验，对纳米ZnO改性沥青及其混合料性能进行研究，得出以下结论：

（1）纳米ZnO可改善改性沥青高温流变性能、低温延展性与抗老化性能，提高沥青弹性特征，增强沥青抵抗剪切变形能力，抑制热氧老化过程，且掺量越大，改性效果越大。

（2）掺入纳米ZnO能提高沥青混合料高温抗车辙能力、低温抗裂性、抗水损害能力，增强基质沥青和矿料之间的附着力，从而提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能。

（3）在纳米ZnO高掺量水平下，纳米颗粒易产生团聚现象，导致改性效果不明顯，建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

参考文献

［1］秦仁杰，欧书君，谢唐新.两种硅酸盐材料对纳米ZnO改性沥青热氧老化性能影响研究［J］.公路，2022，67（4）：292-298.

［2］包梦，谢祥兵，李广慧，等.紫外光辐照下的纳米氧化锌改性沥青相态分析［J］.公路，2022，67（2）：228-236.

［3］苏曼曼，司春棣，张洪亮.纳米ZnO改性沥青分子动力学模拟研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2021，40（11）：118-127.

［4］王佳，蔡斌，马华宝.纳米材料改性沥青的制备及分散稳定机理［J］.石油学报（石油加工），2020，36（4）：848-856.

［5］王玲玲，赵永红，任真.改性纳米氧化锌对煤沥青延伸性能的影响［J］.化工新型材料，2013，41（4）：164-166.

作者简介：张二毛（1982—），高级工程师，主要从事工程项目管理工作。