纳米二氧化钛对沥青老化性能的影响研究

于江，李文博，李林萍

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

纳米二氧化钛对沥青老化性能的影响研究

于江，李文博，李林萍

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

道路工程；沥青老化；纳米TiO2；羰基指数；亚砜基指数

0引言

1试验原材料及试验方法

1.1试验原材料

本试验研究采用的是新疆克拉玛依90#沥青和经20%橡胶粉对克拉玛依90#沥青进行改性的橡胶沥青。通过试验对比考虑，选用重载轮胎橡胶粉，胶粉细度为40目。纳米二氧化钛选用上海江沪实业公司生产的锐钛矿型纳米TiO2，其具体参数如表1。

表1纳米TiO2技术指标Table 1Nano-TiO2 technical specifications

1.2纳米TiO2对两种沥青的改性方式

为了减少纳米TiO2在沥青中的沉淀和团聚现象，试验采用LHB-Ⅱ型剪切乳化搅拌机对沥青进行改性，首先取适量的沥青加入加热锅中，设定加热温度165 ℃，然后将拟定掺量的纳米TiO2倒入沥青中，手工搅动1 min后，按下操作面板上的启动按钮，搅拌至15 min，由于剪切乳化工作转头的独特结构，剧烈的高频机械效应，促使纳米TiO2和沥青从实验容器底部吸入转子区内进行强力混合，并通过离心力从定子孔中甩出相互撞击，定子可以间隙流量，防止大量的介质转动，且在一个很小的空间里发挥很高的效能，使实验物体承受了每分钟高达数万次的剪切、撞击和混合，搅拌效能比普通搅拌高约1 000倍，在达到相同的搅拌效果下极大缩短了搅拌时间，从而降低了纳米TiO2在改性沥青过程中的老化。对于用橡胶进行改性沥青的掺加方式亦用此试验方法。

1.3 老化试验研究方案

1) 热氧老化。为了探究纳米TiO2对克拉玛依90#基质沥青和橡胶沥青在温度及氧气作用下老化性能的影响，根据JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用TFOT标准试验。

2纳米TiO2对沥青老化试验结果宏观性能分析

我国道路石油沥青采用针入度划分等级，并以延度、软化点、针入度指标来评价沥青的宏观性能。本次试验研究采用针入度、软化点、延度作为评价基质沥青和橡胶沥青分别在TFOT及紫外线老化前后性能的指标。通过试验数据分析，得到两种沥青老化前后的性能指标变化见图1～图6。

图1基质沥青针入度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.1Variation curve of base asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

图2橡胶沥青针入度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.2Variation curve of rubber asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

从图1和图2中可以看出，随着纳米TiO2掺量的增加，克拉玛依90#基质沥青的针入度呈现先降后增的波动，但影响不大，而对橡胶沥青而言，则影响较大，较小掺量的TiO2会使其针入度略微升高，随着掺量的增加，针入度会明显的降低。由图1可以看出，基质沥青在经过TFOT和紫外线老化后，针入度明显降低，TiO2掺量的增加并没有使TFOT老化后的针入度有明显的改变，反而过多的掺量会使老化后的针入度值更低。图2中，不同TiO2的掺量对两种老化后的橡胶沥青的针入度均有明显的影响，针入度均呈现先增后减的变化趋势，可以看出较小掺量的TiO2可明显使橡胶沥青的针入度增大。

图4橡胶沥青软化点随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.4Variation curve of rubber asphalt softening point changing with different nano-TiO2 contents

由图3和图4可以看出，随着纳米TiO2的掺量增加，两种沥青的软化点明显的呈增大变化趋势，图3中，在TFOT老化后，在不同TiO2掺量下改性的基质沥青，其软化点变化不大，但相较于未改性的基质沥青，TFOT老化后软化点增值ΔT(℃)则明显降低，同样的在紫外线老化后，软化点增值ΔT(℃)的降低更加明显。而图4中，纳米TiO2对橡胶沥青老化后软化点值的影响更加显著，随着TiO2掺量的递增，橡胶沥青在两种老化后的软化点呈现出先降低后增大的变化，并且在TFOT老化和紫外线老化中，这种变化又以在紫外线老化中更为明显，当TiO2掺量在1.5%左右时，橡胶沥青在两种老化后的软化点增值最小。

图5基质沥青延度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.5Variation curve of base asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

图6橡胶沥青延度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.6Variation curve of rubber asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

从图5和图6中可以看出，两种沥青在掺加纳米TiO2后，延度值略微降低，这是由于TiO2掺进沥青后，其颗粒表面的吸附作用会减少单位体积内沥青胶浆的含量，从而引起延度的变化。图5中可以看出，对于基质沥青在TFOT老化中，TiO2对老化后的延度值并没有多大影响，而对紫外线老化后的延度值影响虽然较为明显，但程度依然不是很大。图6中，TiO2对橡胶沥青老化后的延度影响要明显大于基质沥青，并且在紫外线老化后，随着TiO2掺量的增加，橡胶沥青的残留延度比逐渐增大，对TFOT老化后橡胶沥青的残留延度比基本没影响。

3基于FTIR的沥青老化定量分析

(1)

图7基质沥青羰基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.7Variation curve of base asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

图8基质沥青亚砜基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.8Variation curve of base asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

图9橡胶沥青羰基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.9Variation curve of rubber asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

图10橡胶沥青亚砜基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.10Variation curve of rubber asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

由图9和图10中可以看出，橡胶沥青老化后羰基指数会明显的增大，而亚砜基指数老化前后的波动却很小，尤其是经TFOT老化后，亚砜基的含量几乎没有变化，说明亚砜基指数可能并不适用于评价橡胶沥青在TFOT老化和紫外线老化过程中的老化行为[15]。从图9中可以看出，橡胶沥青在老化后，沥青中的羰基官能团会明显增多，因而羰基指数增大，随着纳米TiO2的掺量的增加，两种老化后橡胶沥青的羰基指数都会呈明显的下降趋势，而继续增加纳米TiO2的掺量羰基指数反而会增大，说明较小掺量的纳米TiO2会明显提高橡胶沥青的抗老化性能。

4结论

1) 在沥青TFOT老化和紫外线老化过程中，羰基指数的变化与沥青宏观物理性能之间存在相互对应的关系规律，羰基指数比亚砜基指数更适合作为表征沥青老化行为的指标。

2) 适当掺量的纳米TiO2能明显提高克拉玛依90#沥青和橡胶沥青的抗紫外线老化性能，但过多的掺量反而会产生不利影响，试验结果表明，质量分数为1.5%的TiO2掺量对橡胶沥青有较好的抗老化改性效果，而对克拉玛依90#基质沥青，推荐掺量为3%。

3) 在沥青抗短期热氧老化方面，纳米对克拉玛依90#基质沥青影响并不显著，而1.5%的TiO2掺量对橡胶沥青有一定的改善作用。

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(责任编辑：朱汉容)

Effects of Nano-titanium Dioxide on Asphalt Aging Performances

YU Jiang，LI Wenbo，LI Linping

(School of Architecture Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047， Xinjiang，P.R. China)

highway engineering; asphalt aging; Nano TiO2; carbonyl index; sulfoxide index

U414

A

1674-0696(2017)10-026-05

2016-06-10；

2016-08-20

国家自然科学基金项目(51168044)

于江(1960—)，男，河南南阳人，教授，主要从事土木工程道路与桥梁方向的研究工作。E-mail：yujiang8534@126.com。

李文博(1992—)，男，山东东明人，硕士，主要从事土木工程道路与桥梁方向的研究工作。E-mail：731500580@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.05