基于SuperPave级配设计的纳米/POE改性沥青混合料路用性能分析

杨道彪 栗威

摘要：文章采用SuperPave设计方法对纳米/POE复合改性沥青进行矿料级配设计和路用性能验证。结果显示：利用旋转压实成型温度与60 ℃单轴贯入确定最佳压实温度范围为150～155 ℃，采用黏温曲线确定最佳拌和、压实温度范围分别为163～170 ℃和155～160 ℃，最终确定SuperPave-20最佳拌合和压实温度分别为167 ℃和157 ℃；依据矿料间隙率、初始压实度指标筛选合适的矿料级配，最佳沥青用量为4%；纳米/POE改性沥青混合料具备良好的高温抗车辙能力和抗水损害能力，且低温抗裂性能也有所改善，动稳定度值提高约175%，冻融劈裂强度比提高约27.3%；纳米TiO2改善了基质沥青与POE的接触面积，提高沥青结构内部的网络交联状态，既体现了POE的高黏、高弹特性，又避免了POE融合沥青后降低其低温柔性。

关键词：沥青路面、纳米/POE改性沥青、SuperPave设计方法、路用性能

中图分类号：U416.217  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）03-0040-04

0 引言

截至2022年底，我国高速公路总里程已突破16.1万km，沥青路面作为主要的路面结构形式，占据了整个高等级路面结构的95%以上，涉及改善路用性能的新材料、新技术一直是关键的研究方向。

沥青材料经历了从单一改性到多元化复合改性、从宏观物理手段的简单融合阶段到纳米复合化学改性融合阶段的发展。诸多研究人员对纳米复合改性沥青开展研究，取得不少成果。李永琴等［1］对纳米TiO2/CaCO3改性沥青混合料进行黏弹性能分析，建立了黏度与温度的函数关系模型。苏曼曼［2］开展纳米ZnO、TiO2、SBS、基质沥青复合改性研究，指出纳米ZnO、TiO2材料能够显著改善SBS改性沥青的高温性能。锁利军等［3］研究纳米TiO2改性沥青混合料的路用性能，提出纳米TiO2改性沥青的最佳掺量为5%。关翔［4］研究指出纳米ZnO/SBR改善了高温性能、水稳定性能和抗疲劳性能，但对低温性能有所劣化。白祥宇等［5］研究纳米OMMT/ZnO改善SBS＼SBR改性沥青热贮存稳定性问题，指出纳米OMMT/ZnO能提高其热储存稳定性和抗老化性能。

由上述可知，目前研究成果多偏向纳米复合材料改性及路用性能验证分析，仍欠缺对纳米改性沥青的高黏、高弹特性分析。本文采用SuperPave设计方法，对纳米/POE材料、催化剂、基质沥青进行复合改性研究，并利用常规路用性能试验进行验证，希望能为实体工程推广应用提供良好的技术指导。

1 原材料及改性沥青制备

1.1 原材料选择

研究选择石灰岩材质的集料，粗集料规格为10～20 mm和5～10 mm；细集料石灰岩制备机制砂；沥青为壳牌A级70#基质沥青；纳米材料为宣城晶瑞新材料有限公司生产的VK-SP30S TiO2，检测结果见表1～表4。

1.2 纳米/POE改性沥青制备

聚烯烃弹性体POE具备良好的耐高温、耐老化性能，一般用于增韧改性剂。参考工业塑料产品前端的双螺杆挤出造粒工艺，对VK-SP30S与POE进行共混双螺杆挤出造粒，详细制备工艺如下。

（1）将VK-SP30S与POE进行物理混合，二者比例为3∶5；调试双螺杆挤出机的加热段温度为140～155 ℃，转速为200 r/min，按照标准工艺进行纳米/POE改性剂制备，成品单个质量约为0.02 g，灰分含量约为3.8%，密度约为0.96 g/cm3，熔融温度为130 ℃。

（2）选取适量基质沥青（3～5 kg）加热至150℃，保持熔融流淌状态（禁止高温老化），将纳米/POE改性剂均匀缓慢地加入容器，并持续搅拌直至完全熔融（约10～15 min），添加量为沥青质量的5%。

（3）采用高速剪切機对基质沥青进行分散、剪切，加工温度为160～165 ℃，剪切速率为7 500～8 000 r/min，剪切时间为35～40 min，整个制备过程保证温度均匀、剪切均匀，防止老化。

2 纳米/POE改性沥青混合料SuperPave配合比设计

目前，众多相关研究成果表明马歇尔配合比设计方法的相关参数难以保证良好的路用性能，本文采用SuperPave方法对纳米/POE复合改性沥青混合料进行配合比设计。

2.1 拌合与压实温度优化

SuperPave设计方法采用CONTROLS 78-PV20R02型旋转压实仪成型试件（拌合温度为170 ℃），通过调整压实温度（130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃）成型试件，采用60 ℃标准单轴贯入试验进行剪切强度测试，结果如图1所示：随着压实温度的提高，抗剪强度呈先增加后下降的趋势变化，抗剪强度存在最大值。因为纳米/POE改性沥青属于非牛顿流体材料，温度升高有利于改善沥青胶结料的黏度，促进混合料内部进一步密实，不仅压实度得到改善，剪切强度也显著增加；但当压实温度进一步提高，沥青胶结料的黏度急剧下降，矿料之间的黏结作用随之降低。沥青混合料的抗剪强度与沥青黏度密切相关，依据试验数据进行回归分析，纳米/POE复合改性沥青混合料的最佳压实温度范围为150～155 ℃。

JTG F40—2004技术规范规定采用黏温曲线确定沥青混合料的拌合、压实温度［6］。纳米/POE改性沥青的黏度—温度曲线如图2所示：随着温度的增加，沥青黏度值呈加速下降趋势，依据拌和、压实黏度范围（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s，纳米/POE改性沥青混合料的拌和、压实温度范围为163～170℃和155～160 ℃。

综上所述，以SuperPave设计方法确定纳米/POE复合改性沥青混合料的拌和温度为167℃、压实温度为157 ℃。

2.2 矿料级配设计

纳米/POE改性沥青具备了良好的高温性能和黏附性能，有利于改善路面结构的抗车辙性能和水稳定性能，SuperPave-20一般用于中面层，通过调整单粒级用量拟合粗、中、细3种级配（如图3所示）。

根据3种级配初步估算沥青用量，拌合温度为167 ℃，压实温度为157 ℃，设计压实次数N为125次，结合实测的空隙率和矿料间隙率等参数，对3种级配在空隙率4%下的体积特性和压实特性进行分析，结果见表5。级配Ⅰ细集料偏多，矿料间隙率小于13%，未满足设计要求；级配Ⅲ沥青用量为4.3%，初始压实度为84.2%，说明沥青含量偏大，集料之间沥青油膜厚导致压实度偏低。因此，选择级配Ⅱ作为设计级配。

2.3 沥青含量确定

依据实际工程经验选取沥青用量为4.0%，不同沥青用量间隔0.5%，依次为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，旋转压实次数为125次，结果见表6。随着沥青含量的增加，空隙率呈逐渐减少趋势，在4.5%时，空隙率值仅为3.6%；矿料间隙率呈先增加后下降的趋势变化，均满足技术要求；依据不同体积参数与沥青含量之间关系，空隙率4%对应沥青含量为4.0%。

通过对纳米/POE改性沥青混合料SuperPave设计方法分析，确定的最佳拌合与压实温度均能良好满足成型试件要求，最佳沥青含量低于马歇尔试验方法，压实度高于传统设计方法（与AC-20C相比）［6］。

3 纳米/POE改性沥青混合料路用性能分析

3.1 高温抗车辙性能

车辙病害严重影响了路面的使用寿命，纳米/POE改性沥青具有温度敏感性低、高温黏度大的特性，利用60 ℃车辙试验验证其性能，以基质沥青、SBS改性沥青作为对比组，结果见图4、图5。

（1）纳米/POE改性沥青的车辙总深度最小、基质沥青最大、SBS改性沥青居中。车辙深度间接反映了沥青路面高温抵抗荷载作用的能力，纳米/POE改性沥青混合料的高温抗车辙能力显著高于SBS改性沥青和基质沥青，车辙总深度分别降低了约14.6%和105.6%。

（2）纳米/POE改性沥青的动稳定度值最大，表明其具备良好的高温抗车辙能力，体现了纳米TiO2与POE材料的有效特性，纳米材料的比表面积达到280 m2/g，能够显著增加与基质沥青的接触面积，进一步降低POE材料融入沥青的难度，提高纳米/POE改性沥青的高温性能。

3.2 低温抗裂性能

沥青路面的低温破坏源于环境温度骤降或温度疲劳作用，尤其在寒冷地区，低温破坏现象也是研究的关键点之一。采用小梁弯曲试验，试件尺寸30 mm× 35 mm×250 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，结果见图6、图7。

（1）纳米/POE改性沥青的低温弯拉应变明显高于基质沥青和SBS改性沥青，表征相同环境条件下试件产生破坏需要较大能量，纳米/POE改性沥青胶结料在结构中产生的劲度模量显著增加，抗弯拉收缩应变能力变强。因为POE材料为聚乙烯弹塑性体，分子量较窄，具有良好的结构稳定性，与基质沥青融合后能显著提高低温抗拉伸能力。尽管POE在低温环境下呈现一定的脆性，但与纳米二氧化硅、基质沥青融合后，仍能改善其低温性能，彎拉应变值提高约为9.8%（与SBS相比）。

（2）纳米/POE材料对低温抗裂性能的改善效果低于高温性能，这与POE材料的特性密切相关。对于弯曲劲度模量指标，纳米/POE改性沥青的变化幅度较小，3种沥青的弯曲劲度模量值相差约为124 MPa，说明采用单一的低温性能评价指标不能很好地辨析材料之间的特性。

3.3 抗水损害性能

选择浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价纳米/POE改性沥青混合料的水稳定性能，依据JTG E20—2011试验规程中的相关要求进行试验［7］，结果如图8所示：3种沥青混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度比存在较大差异，纳米/POE改性沥青的残留稳定度值和冻融劈裂强度比（TSR）值均在90%以上，基质沥青TSR值低于75%，说明纳米/POE能够较好改善基质沥青的抗水损害性能，SuperPave方法对矿料粒级控制更为精确，避免了传统设计方法关键筛孔浮动较大的缺陷。相关研究表明，沥青混合料内部空隙是导致外部水分进入结构内部的关键因素，当水分子结冰膨胀产生压力，势必对沥青胶浆的黏结性能产生劣化效果。纳米/POE改性沥青混合料内部结构之间孔隙均匀稳定，纳米材料选择为亲油性，进一步提高了POE与沥青之间的融合效果，也增加与集料之间的黏附作用。与基质沥青相比，纳米/POE改性沥青的残留稳定度、TSR分别提高了约14.5%和27.3%。

4 结论

综上研究及试验结果，可以得出以下结论：①结合纳米/POE改性沥青的特性，采用SuperPave方法进行配合比设计，确定最佳拌和温度为167 ℃、压实温度为157 ℃；4%空隙率对应最佳沥青用量为4.0%，与普通马歇尔设计方法相比，降低了最佳沥青用量。②纳米/POE材料能显著改善基质沥青的路用性能，纳米/POE改性沥青混合料具备良好的高温抗车辙能力和抗水损害能力，低温抗裂性能也有所改善，动稳定度值提高约175%，冻融劈裂强度比提高约27.3%。③纳米材料能够改善基质沥青与POE的接触面积，改善沥青内部交联状态，既体现了POE材料的高黏、高弹特性，又避免了POE融合沥青后降低其低温柔性。④纳米/POE改性沥青混合料的抗疲劳性能仍需要进一步研究验证。

5 参考文献

［1］李永琴，张平，高学凯，等.多温度下复合纳米TiO2/CaCO3改性沥青混合料的黏弹特性分析［J］.新型建筑材料，2021，48（6）：101-105.

［2］苏曼曼，张洪亮，吕建伟，等.极端高温下纳米复合改性沥青及其混合料高温性能试验研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2018，37（3）：27-33.

［3］锁利军.纳米SiO2改性沥青混合料的制备及性能研究［J］.功能材料，2022，53（5）：5199-5204.

［4］关翔.纳米ZnO/SBR改性沥青混合料性能研究［J］. 公路交通技术，2021，37（3）：28-33.

［5］白翔宇，吕娜.OMMT/ZnO纳米复合SBS、SBR聚合物改性沥青与混合料性能研究［J］.公路，2021，66（10）：308-314.

［6］JTG F40—2004，沥青路面施工技术规范［S］.

［7］JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.