纳米TiO2改性沥青高温流变性能研究

2023-12-25蒲凌云

四川水泥 2023年12期

赵阳蒲凌云谷伟

（重庆工商职业学院，重庆 400038）

0 引言

早期裂缝、老化和永久性变形是沥青路面的常见问题，这些病害与沥青的性能有关。改性沥青具有良好的抗永久变形、减缓疲劳裂纹和提高温度稳定性等优点，是减少甚至避免路面早期病害的有效解决方案，可以提升路面使用性能、安全性和舒适性[1]。纳米材料是一种新型的沥青改性材料，可提高沥青的工程特性[2]。研究表明，纳米TiO2提高了沥青在高温下的稳定性，并提高了沥青的抗氧化性和抗老化性[3]。杨群提出纳米TiO2可以促进聚合物与沥青之间更好地相互作用，减少聚合物离析，提高改性沥青粘合剂的稳定性[4]。张冬梅指出纳米TiO2可能会提高沥青对疲劳、永久变形和氧化老化的抵抗力[5]。谭邦耀认为TiO2与其他改性剂结合作为聚合物，可以增强沥青的软化点和延展性[6]。

上述研究表明，纳米TiO2等材料用于沥青改性中，可以改善沥青混合料抗疲劳性、软化点、延展性和材料老化等。然而，充分使用TiO2作为沥青的改性剂，需要对沥青进行流变特性研究。鉴于此，本文研究纳米TiO2改性沥青的高温流变性能，具有工程实际意义。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）沥青：本研究使用SBS改性沥青，技术指标见表1所示。

表1 沥青技术指标

（2）二氧化钛：纳米TiO2呈粉末状，锐钛矿型，具体技术指标见表2所示。

表2 TiO2技术指标

1.2 试验方法

通过针入度试验、软化点试验、旋转薄膜烘箱老化试验（RTFOT）、剪切流变试验和多重应力蠕变恢复试验测定二氧化钛改性沥青的高温流变及抗老化性能。其中针入度、软化点和旋转薄膜烘箱老化试验步骤参考《沥青和沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行。

动态剪切流变试验对沥青施加正弦剪切应力或应变，仪器记录其应变或应力数据，通过计算机获得复数模量G*和相位角δ，并以复数模量G*和相位角δ两个参数计算车辙因子G*/sinδ。本文试验采用应变控制模式，原样沥青应变水平为12%，RTFOT沥青应变水平为10%，试验温度为52～76℃，间隔6℃。

多重应力蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery，MSCR)通过施加周期性的荷载，测试沥青的蠕变恢复能力，以表征沥青的高温性能。采用两个应力水平，分别为0.1kPa 和3.2kPa，循环加载10 个周期，试验温度70℃。多重应力蠕变恢复试验以0.1kPa、3.2kPa水平下的不可恢复蠕变柔量评价沥青的高温性能，以弹性回收百分比评价沥青的弹性恢复能力。

2 试验结果与讨论

2.1 高温流变性能

表3为纯沥青和改性沥青的软化点和针入度测试结果。表4为TiO2改性沥青软化点和针入度的提升效果。

表3 TiO2改性沥青软化点和针入度测试

表4 TiO2改性沥青软化点和针入度改善效果

如表3、表4所示，沥青老化前后，随TiO2的加入，沥青软化点均有所增加，针入度逐渐降低，TiO2掺量5%时，老化前软化点增长5.88%，针入度降低13.73%，老化后增长3.64%，针入度降低33.33%。这种变化将显著改善沥青混合料对永久变形的抵抗力。这种现象的发生可能是由于向沥青基质中添加TiO2产生了颗粒荷载，促进了沥青材料粘度和刚度的增加；其次TiO2吸收沥青中的轻组分，使沥青质含量间接增加，随着TiO2掺量的增加，形成的颗粒就越难溶解，颗粒结块现象在视觉上表现为残留的颗粒阻碍了针入的深度，导致针入度降低。

不同TiO2掺量下改性沥青的DSR 测试结果如图1所示。

图1 不同TiO2掺量下改性沥青的车辙因子

从图1可以看出，车辙因子随温度的升高而减小，表明TiO2改性沥青具有温度敏感性。同时，车辙因子随着TiO2用量的增加而增加，表明TiO2改性沥青的温度敏感性降低，耐高温变形能力增强。当TiO2用量为5%时，车辙因子达到最大值，TiO2改性沥青的高温性能最佳。随着TiO2用量的增加，TiO2在沥青中形成稳定的结构，加之良好的吸持沥青的能力，可以大幅度地提高车辙因子。

2.2 短期抗老化性能

表5为沥青RTFOT（短期老化）试验后的针入度残余率、RTFOT前后的软化点变化、RTFOT后的热敏指数和质量损失的结果。

表5 TiO2改性沥青老化试验结果

针入度残余率衡量的是沥青在RTFOT过程后保持其针入度的能力，表5显示TiO2改性沥青的针入度残余率比普通沥青高，所有样品的针入度残余率都在70%左右，表明在短时间内，材料的老化敏感性几乎没有改变。渗透和软化点测试可以得到另一个参数，即热敏指数（TSI）。大多数沥青的TSI 在-1.5～0 之间。表5 显示，纯沥青的TSI为-0.44，改性沥青的数值更小，TSI的降低表明，与纯沥青相比，改性沥青更倾向于在温度变化中保持其稳定性。同时TiO2改性沥青的质量损失较少，这表明老化过程沥青的挥发较少，粘弹性的特性得以更好地保留。上述试验结果表明TiO2可以减缓沥青老化的发生，减小因老化带来的沥青性质的下降。究其原因在于TiO2的添加有利于避免沥青化学成分的氧化，TiO2纳米颗粒的高表面积有利于与沥青颗粒的相互作用并降低氧化倾向，同时可以减少沥青基体中化学成分的挥发性，这与SBS改性沥青的效果一致。实验过程中也观察到RTFOT使所有的样品更加坚硬，刚度提升，这会极大地降低沥青混合料的耐久性和抗疲劳性能。

2.3 多重应力蠕变恢复

图2为纯沥青和TiO2改性沥青在100Pa和3200Pa两种应力下的不可恢复蠕变柔量（Jnr）的结果，Jnr参数衡量了对永久变形的敏感性，Jnr越低表明变形的可能性越小。

图2 不同TiO2掺量下改性沥青的不可恢复蠕变柔量

图2显示，在两种应力强度下，Jnr随着TiO2掺量的增加而降低。这种现象表明，TiO2改性沥青更不容易发生永久变形。TiO2掺量为3%时，Jnr下降了22.4%～26.9%，掺量为5%时，Jnr下降了34.2%～35.3%，说明小掺量TiO2就可以提高沥青的抗变形能力，随着掺量的增大，Jnr也会持续增加，但增长幅度减小。

弹性恢复百分比（Rec）见图3所示。