纳米TiO2和SBR改性沥青混合料路用性能研究

陈宇坤 陆继广 王启力 牛鑫磊 张 帅 陈志文

中国建筑第二工程局有限公司 北京 100060

受气候条件、原材料质量、现场施工不利条件等因素影响，我国道路沥青路面寿命极短，达不到国家规定的要求。提高道路沥青质量的主要途径是对道路石油基质沥青进行改性，通过添加各类改性剂增强沥青混合料的路用性能。程永春等[1]将不同剂量的纳米TiO2和纳米CaCO3以及玄武岩纤维加入到90#基质沥青当中，用高速剪切设备进行16组改性，并测其三大指标和表观黏度，最后进行动态剪切流变性能和低温弯曲梁蠕变性能分析，得出三者复合改性有助于提高沥青的低温应力松弛能力，增强低温抗裂性能，对沥青高低温性能的影响有叠加效应。叶超等[2]将0.5%、1%、3%、5%剂量的纳米TiO2加入到沥青中，运用高速剪切机使它与沥青充分溶胀，测其高温性能和老化性能，随着纳米TiO2用量的增加，车辙因子逐渐减小，改善了沥青的高温性能，有较高的路用研究价值。国内外大量试验研究可知，丁苯橡胶粉末可以提高沥青及沥青混合料的大部分性能，尤其是沥青混合料的水稳定性和低温性能。姜兆平[3]利用废旧的塑料和橡胶制成SBR和PR改性剂，用高速剪切机对90#沥青进行复合改性，测其三大指标。发现当单独掺入SBR时，随着SBR的加入，沥青的软化点和延度逐渐升高，而针入度逐渐降低；当单独掺入PR时，软化点明显提高，针入度和延度略有下降；当两者复合改性时，软化点和延度大幅提升，而针入度降低，能显著提高原沥青的高温性能和低温性能。孙培等[4]通过对比分析基质沥青、CaCO3改性沥青、SBR改性沥青和两者复合改性沥青混合料的高温性能，得出复合改性的高温性能的动稳定度提高38.2%且效果最好。Mohammad等[5]使用不同的加载频率测SBR改性沥青的高温性能，当加载频率为5 Hz时，能较好地反映混合料的高温性能。丁兰[6]通过探索不同矿料级配的SBR改性沥青的高、低温性能，水稳定性能，耐老化性能等，分析出在西藏地区SBR改性剂对沥青混合料路用性能的影响。最后得出，矿料级配AC-16型沥青混合料的热老化性能、水稳定性能比AC-20型沥青混合料好，而AC-20型的高温车辙动稳定度要优于其他矿料级配，SBR改性沥青的各种性能均优于110#沥青混合料。综上所述，SBR能有效提高沥青的低温抗裂性，纳米TiO2提高了沥青的高温性能。因此，本文以纳米TiO2和SBR复合改性沥青为研究对象，探究复合改性沥青的路用性能，并揭示在不同环境条件下改性沥青常规性能的演变规律，为今后复合改性沥青的推广提供理论依据。

1 试验材料及混合料级配

1.1 试验材料

TiO2：由南京埃普瑞纳米材料有限公司提供，主要技术指标见表1。

表1 纳米TiO2产品技术指标

SBR粉末：佛山鑫路材料有限公司生产，性能参数见表2。

表2 SBR性能参数

基质沥青：依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，对韩国SK-70基质沥青的基本性能进行常规试验，技术指标见表3。

表3 基质沥青技术指标

集料规格：粗集料采用新乡产的天然碎石；细集料采用机制砂；填料采用矿粉。各集料技术性能如表4所示。

表4 集料基本性能测试

1.2 复合改性沥青的制备

目前共有3种改性沥青方法：高速剪切法、机械搅拌法和溶剂法。纳米粒子比表面积大，表面能高，加入到黏度大的沥青中易团聚，而高速剪切法能在改性过程中加热沥青，降低黏度，利于纳米粒子分散[7]。所以此试验采用高速剪切法（高速剪切混合乳化机）制备改性沥青，每组取基质沥青800 g，用精度0.001 g的电子秤称取相应比例改性剂，用高速剪切混合乳化机进行改性。将基质沥青熔融，加入一定剂量的改性剂，先手动搅拌到改性剂完全融入沥青中，然后开动高速剪切混合乳化机，插入传感器，在130 ℃下以3 000 r/min转速搅拌20 min，再升温到160 ℃，调节转速到6 000 r/min，高速剪切30 min，最后在120 ℃下充分溶胀，发育1 h。因为在油性物质中纳米TiO2粉末掺量不宜大于2%[8]，所以选用0.5%、1%、1.5%三种比例的纳米TiO2量和1%、2%、4%比例的SBR，进行正交试验。

1.2.1 复合改性沥青最佳掺量确定

为确定纳米TiO2和SBR的最佳用量，根据规范对改性好的9组沥青进行针入度、延度和软化点试验，只不过改性沥青的延度测其5 ℃延度，以便更好地评价复合改性剂对其低温性能影响。结合基质沥青结果，综合分析后确定最佳的一组，9组改性沥青的三大指标平行试验数据见表5。

表5 复合改性沥青常规性能试验

在河南地区，夏季高温炎热，冬季干燥严寒，软化点高，可防止路面发软和泛油；延度高，表明沥青塑性越好，沥青低温抗裂和低温拉伸效果也越好；针入度越小，表明沥青越硬。结合经济状况和试验研究，综合三大指标数据，选择掺量1%TiO2＋4%SBR为最佳改性沥青掺量。

1.2.2 纳米TiO2和SBR复合对沥青三大指标的影响

基质沥青和改性沥青三大指标对比如图1所示。从图1（a）、图1（b）基质沥青的性能检测结果可知，针入度为7.46 mm，软化点为46.2 ℃，15 ℃延度为131.3 cm，5 ℃延度为66.3 cm；最佳掺量的改性沥青的针入度为5.21 mm，软化点为59.4 ℃，5 ℃延度为84.0 cm，它们的三大指标均符合规范要求。改性后针入度降低了2.25 mm，软化点提升了13.2 ℃，延度提高了17.7 cm。根据9组改性沥青的三大指标测试结果，随着SBR量的加入，针入度降低，软化点和延度升高；随着纳米TiO2含量的增多，针入度逐渐下降，软化点和延度先升高再下降，呈现复杂变化。

图1 基质沥青和改性沥青三大指标

1.3 混合料级配的确定

对矿料的性能进行分析可以保证沥青混合料的质量，性能良好的矿料更能改善沥青混合料的高温稳定性、低温性能和水稳定性，从以上粗集料、细集料及矿料的性能试验结果可以看出，集料的各项指标均符合规范要求，可以用于试验研究。AC-13矿料级配各粒径集料掺量对应筛孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分计筛余百分数分别为5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%，矿粉（5%），最终合成级配如表6所示。

表6 AC-13沥青混合料矿料级配

由表6可知：合成级配接近中值，满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。

1.4 最佳油石比的确定

1.4.1 基质沥青油石比的确定

根据已有相关研究[7]，取AC-13沥青混合料最佳油石比为4.8%，用3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%等5组油石比进行试验。矿料的合成毛体积相对密度、5组不同油石比试件的空隙率VV、间隙率VMA、沥青饱和度VFA按JTG E20—2011[9]中相关公式计算，基质沥青混合料马歇尔试验技术标准见表7。

表7 马歇尔试验性能指标

根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，由表7中油石比与马歇尔试件各项物理力学指标关系确定基质沥青混合料最佳油石比。结合实际情况和相关研究，最终确定最佳油石比为4.9%。

1.4.2 改性沥青最佳油石比确定

根据基质沥青混合料最佳油石比研究，预估改性沥青混合料最佳油石比为5.0%，用4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%等5组油石比进行试验，最后根据各项性能确定最佳油石比。计算矿料的合成毛体积相对密度、5组不同油石比试件的空隙率VV、间隙率VMA、沥青饱和度VFA，AC-13级配改性沥青混合料马歇尔试验结果如表8所示。

表8 马歇尔试验性能指标

由表8中油石比与马歇尔试件各项物理力学指标关系确定基质沥青混合料最佳油石比。结合实际情况和相关研究，最终确定改性沥青混合料最佳油石比为5.0%。

2 复合改性沥青混合料路用性能

2.1 高温性能评价

根据规范，采用轮碾成形机成形马歇尔车辙试件。

沥青混合料的高温稳定性能是指混合料在夏季高温条件下（60 ℃），经车辆车轮荷载重复作用下不产生车辙位移和变形的能力。经验表明，沥青路面永久性变形主要发生在高温炎热的夏季，在汽车荷载作用（尤其是重型车辆）下发生变形，且随温度升高和荷载加大而增大，使得路面不平整，危及行车安全，缩短沥青路面使用时间。

混合料质量及矿料质量由试件的体积按马歇尔密度乘以1.03的系数得到。先以4.8%油石比毛体积密度代替4.9%油石比毛体积密度，大体估计所需矿料及沥青量，采用的轮碾试模规格为300 mm×300 mm×50 mm，即M＝10.72 kg。取11 kg的矿量进行试验，按矿料级配准确称取3组相应集料和矿粉放进160 ℃烘箱中加热，重复上述拌和步骤，在轮碾试模中铺上一层报纸，迅速将料由边到中装入试模内，中间凸起，放在轮碾机上，在试模上再铺一层报纸，开动轮碾机，加热到100 ℃，加压至9 kN对中，先一个方向碾压12次往返，再调转方向进行12次往返。依此条件成形3个试件。压实成形后，记录下试件的碾压方向，放在室温下冷却12 h进行车辙试验。预估改性沥青的车辙试件成形需要的质量M＝10.484 kg，取11 kg的矿料进行试验，也按前步骤成形3个试件，在室温下冷却48 h。

将车辙试验机连接计算机打开，设定好试验温度为60 ℃，轮碾1 h，将成形好的试块放进试验仪内，在60 ℃条件下放置6 h，轮碾方向和成形方向一致。放下胶轮，如图2所示。启动试验，轮碾1 h。记录下45 min形变、60 min形变以及动稳定度，按同样步骤轮碾改性沥青试件，车辙后形变试件如图3所示。改性沥青45 min形变、60 min形变以及动稳定度见表9。

表9 车辙试验性能指标

图2 车辙轮碾

图3 车辙后形变试件

沥青混合料45 min和60 min位移以及动稳定度对比分析如图4和图5所示。从图中可知，复合改性沥青的45 min和60 min位移明显比基质沥青低，基质沥青的位移差为0.52 mm，改性沥青的位移差为0.1 mm，比基质沥青明显低很多，动稳定度是基质沥青的1.3倍多，有明显改善效果。

图4 位移对比分析

图5 动稳定度对比分析

2.2 水稳定性能评价

根据规范要求，采用T 0709—2011浸水马歇尔试验和冻融劈裂2个试验来评价沥青混合料的水稳定性，根据基质沥青和改性沥青结果对比，评价改性剂对混合料路用性能的影响。

水稳定性是指沥青混合料受水的影响程度，也叫做沥青混合料的防水性或抗水性能。水损害是沥青路面在浸水或长期周而复始的冻融作用下，在表面施加荷载时，使沥青从集料表面剥落而降低沥青混合料的黏结强度，从而形成大小不一的坑洞的现象。

2.2.1 基质和改性沥青浸水马歇尔试验性能评价

浸水马歇尔强度试验与基质沥青马歇尔稳定度试验方法前期的成形方式一样，采用4.9%的油石比成形10个试件，分为2组，常温冷却12 h后脱模，一组根据测稳定度方法测其强度，另一组在60 ℃的恒温水浴中保温48 h，测定其稳定度。

同样，改性沥青采用5.0%的油石比成形10个混合料试件，常温冷却12 h，和基质沥青混合料试验的方法一样，分为2组测定，分别按规定测其稳定度，根据T 0709—2011公式计算，结果见表10。

表10 浸水马歇尔试验性能指标

从表10中可知，基质沥青混合料和改性沥青混合料的浸水残留稳定度均符合规范要求，且改性沥青混合料的浸水残留稳定度比基质沥青提高了9.06%。

2.2.2 基质和改性沥青冻融劈裂试验性能评价

冻融劈裂的试件采用马歇尔标准击实仪成形8个试件（其他条件同上），击实次数为双面各50次，并且做好标记，测定每一个试件高度，平均分成2组，进行标记，室温下冷却。将第1组试件放入25 ℃恒温水槽中保温2 h后，进行冻融劈裂试验，第2组放在真空饱水缸中抽真空，保持15 min，取出后放进塑料袋中，如图6所示，加入10 mL水，放进－18 ℃低温试验箱中保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒温水浴中保温24 h，再在25 ℃恒温水槽中保温2 h后进行试验。冻融劈裂试验也采用马歇尔稳定度仪测定，只不过把试件夹具换成劈裂试验专用夹具（图7），只读取劈裂强度值。改性沥青同样采用基质沥青混合料试验冻融劈裂方法，评价改性沥青混合料的冻融劈裂性能，根据规范公式计算冻融劈裂强度比，结果见表11。

图6 冻融劈裂试件

图7 冻融劈裂试验

表11 浸水马歇尔试验性能指标

由表11可知，基质沥青混合料和改性沥青混合料的冻融劈裂强度比均符合规范要求，且改性沥青混合料的冻融劈裂强度比较基质沥青提高6.16%。

3 结语

1）运用高速剪切混合乳化机对基质沥青进行改性，先手动搅拌至无粉末，再用剪切机先以130 ℃、3 000 r/min剪切20 min，再以160 ℃、6 000 r/min剪切30 min，整个过程高速高温剪切50 min，能够很好地将改性剂均匀分散在沥青中，最后高温发育1 h，让沥青充分溶胀，使沥青性能达到最好。

2）对比基质沥青和改性沥青的三大指标，结合各方面条件，选取1%TiO2＋4%SBR为改性沥青的最佳掺量组，改性沥青的针入度、软化点、延度均比基质沥青好，改性剂的加入大大改善了沥青的基本性能。

3）矿料清洗后测其各个粒径的基本性能指标，结果表明它们均符合规范要求。确定沥青混合料各粒径集料掺量对应筛孔尺寸如下：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm，按分计筛余百分数分别为5%、19%、24%、17%、11%、8%、6%、4%、1%。

4）确定最佳油石比可以减少车辙、泛油严重等病害，增强路面抗疲劳强度，减少水损害等优点。成形马歇尔试件测试块的吸水率，结合相关密度、稳定度、流值、空隙率、沥青饱和度、间隙率等综合指标，确定基质沥青最佳油石比为4.9%，改性沥青最佳油石比为5.0%。

5）用纳米TiO2和SBR复合改性沥青混合料，能提高沥青混合料的高温性能和水稳定性能。改性沥青的高温稳定性比基质沥青提高了1.3倍，浸水后强度比、冻融劈裂强度比分别比基质沥青提高了9.06%和6.16%。

6）试验中只做了基质沥青和掺加了2种改性剂的改性沥青的三大指标对比，而没有和单独掺加SBR和单独掺加TiO2的改性沥青性能进行对比，无法了解2种改性剂单独对普通沥青改性的效果。