纳米CaCO3-SBR复合改性沥青路用性能研究

李颖,张德宝,杜腾飞

(1.山东理工大学 建筑工程学院,山东 淄博 255049；2.临淄公路事业服务中心，山东 淄博 255400)

低温开裂是当前沥青路面的主要病害之一。对于寒冷地区和昼夜温差较大地区，温度骤降导致沥青路面内部的应力松弛模量逐渐增大，温度下降产生的累积应力超过了材料本身的极限抗拉强度，从而导致沥青路面产生开裂[1]，严重破坏了沥青路面的整体性和连续性，降低了路面的使用性能和寿命。

沥青路面的低温开裂与沥青材料的性能密切相关。有研究表明，沥青结合料的低温性能及沥青用量是主要因素。沥青结合料对低温抗裂性能的直接贡献率为80%，混合料的矿料级配的贡献率仅占20%[2]。为了提高沥青路面的低温抗裂性，通常采用聚合物改性沥青作为道路路面铺装材料。目前，道路建设中常用SBS改性沥青，在显著提高沥青混合料高温稳定性的同时对低温抗裂性也有一定程度的改善。

纳米粒子具有比表面积大的特点，增强了其粒子的表面原子活性，使其极易与其他原子结合形成稳定体系[3-4]。孙璐等对纳米材料进行了系统研究，综合评价了多种纳米改性沥青的路用性能，并对多维数多尺度下纳米改性沥青的路用性能和微观机理进行了系统研究，结果表明纳米改性材料与沥青具有良好的相容性，且提高基质沥青的高温稳定性，但对低温性能改善效果一般，甚至会导致低温性能略有下降[5-6]，这也被汪双节等[7]、詹小丽等[8]、王立志等[9]的研究所证明。因此，本文采用碳酸钙纳米粒子与SBR对基质沥青进行复合改性，在保证沥青及其混合料高温稳定性的同时提高其低温抗裂性能，并使其具有一定的经济性，达到较高的综合性价比。

1 原材料与试验方法

1.1 基质沥青

基质沥青选取AH-70#沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)[7]的要求对基质沥青的基本性能进行测试，其结果见表1。

1.2 改性剂材料及改性沥青制备

本文选用碳酸钙纳米粒子和SBR制备复合改性沥青。碳酸钙纳米粒子、SBR和基质沥青的比例为0.005∶0.5∶1。通过一次掺配，将一定质量的AH-70#基质沥青加热至170～180 ℃进行熔融脱水，按照相应配方的比例加入碳酸钙纳米粒子和SBR，人工搅拌至改性剂均匀溶解于沥青中。利用转速为5 000 r/min的AG/AG-S系列高速分散剪切乳化机，控制温度在170～180 ℃下剪切40 min，即可制备完成。

表1 基质沥青的主要技术指标Tab.1 Technical indexes of base asphalt

1.3 试验方法

1.3.1 沥青胶结料

为了全面评价制备的纳米材料-聚合物复合改性沥青胶结料的低温性能，通过沥青胶结料的常规指标低温延度和当量脆点及SHRP计划中BBR试验评价纳米沥青低温性能，同时，采用针入度指数、当量软化点、软化点和135 ℃黏度评价其感温性能和高温性能、采用基于旋转薄膜烘箱的系列老化试验评价其抗老化性能。

1.3.2 沥青混合料

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)的相关规定，本文采用-10 ℃条件下小梁低温弯曲破坏试验评价纳米沥青混合料低温抗裂性，采用车辙试验评价纳米沥青混合料高温性能，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价纳米沥青混合料水稳定性。

需要说明的是，后文中AH-70#基质沥青简称AH-70、5%SBS改性沥青简称5%B和纳米CaCO3-SBR复合改性沥青简称纳米沥青。

2 CaCO3-SBR复合改性沥青性能

2.1 低温性能

2.1.1常规低温性能指标评价

本文用于评价3种沥青低温性能的常规指标主要包括：5 ℃延度和当量脆点，试验结果如图1所示。

图1 三种沥青常规低温性能指标比较Fig.1 Traditional properties of different asphalt binder at low-temperature

由图1可知，在5 ℃延度试验中，AH-70#基质沥青表现为根部脆断，而纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的5 ℃延度达到了45.7 cm，为5%SBS改性沥青的2.7倍，3种沥青的5 ℃延度的大小排序为纳米CaCO3-SBR复合改性沥青>5%SBS改性沥青>AH-70#。3种沥青的当量脆点排序与5℃延度一致，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的当量脆点较AH-70#基质沥青降低了7.2 ℃，较5%SBS改性沥青降低了1.7 ℃。5 ℃延度和当量脆点两种低温性能常规指标试验结果表明纳米CaCO3-SBR复合体系对基质沥青低温抗裂性能的改善最为显著。

2.1.2 BBR试验性能指标评价

美国SHRP[10]研究成果提出采用弯曲流变试验测定沥青结合料的低温流变性能，试验设备为弯曲流变仪(beam bending rheometer，简称BBR)，试验结果如图2和图3所示。

图2 三种沥青蠕变劲度模量S比较图 Fig.2 Creep stiffness modulus of different asphalt binders

图3 三种沥青蠕变速率m值比较图Fig.3 Creep rate of different asphalt binders

由图2—图3可知，在两种低温环境下，3种沥青的蠕变劲度模量S的大小排序均为：纳米CaCO3-SBR复合改性沥青<5%SBS改性沥青5%SBS改性沥青>AH-70#基质沥青。根据SHRP规范的规定：蠕变劲度模量S越小，则表明沥青的低温柔性越大；蠕变速率m值越大，则反映了沥青结合料越不易积累低温应力，沥青路面越不易发生低温开裂[10]。则在两种低温条件下，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的S值分别较基质沥青减小了17.9%和33.2%，较5%SBS改性沥青分别减小了15.2%和17.4%；m值较基质沥青分别提高了21.7%和17.3%，较5%SBS改性沥青分别提高了5.9%和13.9%。通过S值和m值的比较可以看出，纳米沥青的低温劲度低，柔韧性好，抵抗低温开裂的能力最优。

综上可看出，本研究提出的纳米CaCO3-SBR复合改性沥青具有优越的低温性能。这是由于纳米材料和SBR对基质沥青的改性均为物理改性，且其二者尺度相差较大(纳米级和毫米级)，在与基质沥青的熔融过程中不会发生相互干扰，都能够充分发挥各自的作用。SBR能充分发挥了其加筋作用，改善基质沥青低温性能的作用，同时，纳米材料又能增强SBR表面活性，进一步提升了SBR对基质沥青在低温性能方面的改善作用，从而使纳米CaCO3-SBR复合改性沥青表现出卓越的低温抗裂性。

2.2 其他性能指标评价

2.2.1老化性能指标

3种沥青的用旋转薄膜烘箱老化试验结果如表2所示。

由表2可知：纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的质量损失仅为0.16，残留针入度为80.7%，老化后延度值高达22.99 cm。从质量损失、残留针入度比和延度值可以看出，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的抗老化性能均优于基质沥青和5%SBS改性沥青，表现了良好的抗老化性能，其老化后的延度值，达到了5%SBS改性沥青的3倍，表明随着沥青材料的老化，纳米材料-聚合物改性沥青仍然保持优良的低温抗裂性能。

2.2.2 DSR试验

本文以SHRP规范中提出的车辙因子G*/sinδ作为评价沥青胶结料高温稳定性指标，G*/sinδ的值越大，表明抗车辙能力越强[10]，如表3、表4和图4所示。

表2 三种沥青老化性能指标比较Tab.2 Aging characteristics of different asphalt binders

表3 三种沥青的车辙因子 Tab.3 Rutting factor of different asphalt binders

表4 三种沥青的车辙因子与温度(T)的回归方程Tab.4 Regression equation of rutting factor and temperature of different asphalt binders

图4 三种沥青的车辙因子与温度半对数图Fig.4 Relationship between temperature and rutting factor of different asphalt binders

纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ在88 ℃时，仍在1.0 kPa以上，且在每个温度等级下对应的车辙因子均略大于5%SBS改性沥青，在图5中表现为其车辙因子曲线比基质沥青和5%SBS改性沥青的曲线高，说明纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的高温抗车辙稳定性能优良。曲线lg(G*/sinδ)=At+b的斜率A反映了G*/sinδ对温度的敏感程度，由表5可知，3种沥青的A的绝对值大小排序为：AH-70#>5%SBS改性沥青>纳米CaCO3-SBR复合改性沥青，表明纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的温度敏感性弱于基质沥青和5%SBS改性沥青，其抗高温车辙永久变形能力随着温度升高衰减的慢。

综上可知，本研究提出的纳米CaCO3-SBR复合改性沥青具有较理想的抗疲劳性能和高温性能。这是由于纳米材料在提升SBR表面活性的同时，还能够加强基质沥青分子活性，使基质沥青-SBR-纳米材料形成一个由不同尺度材料分子组成的稳定的多相体系，从而改良改性沥青整体对于温度的敏感性和稳定性，使纳米CaCO3-SBR复合改性沥青实现较好的抗疲劳性能和高温性能。

3 纳米材料-聚合物复合改性沥青混合料路用性能评价

3.1 混合料级配

混合料级配如表5所示，最佳油石比分别为OAC基质= 4.1%，OAC5%B=4.7%，OAC纳米=4.4%。

3.2 低温性能研究

小梁低温弯曲试验结果见表6。

表5 矿料级配Tab.5 Aggregate gradation

表6 小梁低温弯曲试验结果Tab.6 Low-temperature bending test results

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)以沥青混合料低温弯曲试验极限破坏应变εB大小作为沥青混合料低温抗裂性的评价指标。由表7可知，在试验温度为-10 ℃下，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青混合料的极限破坏应变εB最大，达到了4 207.954με，较基质沥青混合料提高了约1.5倍，较5%SBS改性沥青混合料提高了约56.15%。纳米CaCO3-SBR复合改性沥青混合料其抗弯拉强度RB高于基质沥青和5%SBS改性沥青混合料，分别提高了约70.2%和27.3%；其混合料的弯曲劲度模量最大SB较基质沥青和5%SBS改性沥青混合料分别降低了31.7%和18.4%。综合极限破坏应变εB、抗弯拉强度RB和弯曲劲度模量SB三个指标的比较结果，可以得出3种沥青混合料的低温性能优劣次序为：纳米CaCO3-SBR复合改性沥青>5%SBS改性沥青>AH-70#基质沥青，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青混合料具有良好低温抗裂性。

3.3 其他路用性能研究

3.3.1 高温抗车辙性能

车辙试验动稳定度结果如表7所示。

表7 车辙试验结果Tab.7 Rutting test results

3种沥青混合料的动稳定度排序为：5%SBS改性沥青>纳米CaCO3-SBR复合改性沥青>AH-70#基质沥青，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青混合料的动稳定度较AH-70#基质沥青混合料提高了近3倍，略低于5%SBS改性沥青混合料。由此可知，纳米粒子和SBR微粒在沥青中形成稳定结构，同时发挥了纳米材料和SBR的改善效果，使其在具有良好低温抗裂性能的同时，增强了沥青混合料的高温抗车辙性能。

3.3.2 水稳定性

浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验试验结果见表8和表9。

表8 浸水马歇尔试验结果Tab.8 Soaking residual stability results

表9 冻融劈裂试验结果Tab.9 Freeze thaw split test results

3种沥青混合料中，5%SBS改性沥青混合料的残留稳定度值和劈裂强度比最优，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度分别为86.84%和87.1%，其水稳定性较基质沥青提高不明显，表明纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的抵抗水损害性能有待提高，需要进一步对其进行研究。

4 结论

通过试验研究和对比分析，可以得到以下结论：

1)由低温性能指标可知，与AH-70#基质沥青和5%SBS改性沥青相比，本文提出的纳米CaCO3-SBR复合改性沥青具备较大的低温延度、较低的当量脆点、更小的劲度模量S值及更大的蠕变速率m，表明纳米CaCO3-SBR复合改性沥青具有良好的低温变形能力。通过沥青混合料低温小梁试验可知，其混合料的极限破坏应变最大，具有良好的低温抗裂性能。

2)纳米CaCO3-SBR复合改性沥青在具有良好的低温抗裂性的同时，其软化点、针入度指数PI、车辙因子等指标较AH-70#基质沥青有了显著提高，与5%SBS改性沥青相差不大，具有良好的高温抗车辙性能感温性能。其混合料的动稳定度显著提高，高温抗车辙性能良好。

3)通过RTFOT老化试验指标可知，纳米CaCO3-SBR复合改性沥青的抗老化性能较基质沥青和5%SBS改性沥青明显提升。

4)纳米CaCO3-SBR复合改性沥青不仅具备良好的低温抗裂性能、高温稳定性和抗老化性能，并且其经济成本较目前常用的5%SBS改性沥青明显降低，适用于寒冷地区和昼夜温差较大地区的路面铺装，具有一定的经济效益和工程应用价值。