SBS/纳米Al2O3 复合改性沥青性能研究

李增杰，张 奂，侯小路

（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；2.青岛市公路事业发展中心，山东 青岛 266000）

引言

目前，为了提高路面的使用性能，大量研究表明聚合物对沥青的高温性能提升最显著［1］，如SBS、SBR、橡胶等［2］。聚合物与沥青的相容性较差，在高温下聚合物容易与沥青产生离析，使沥青性能降低。纳米材料作为新兴材料受到学者们的广泛关注，它可以改善聚合物与沥青相容性不足的缺陷，并开始利用纳米材料与聚合物对沥青进行复合改性［3］。纳米Al2O3广泛应用于各种塑料、橡胶、耐火材料的产品增强增韧，特别是对材料的耐磨性与韧性有极大的提升，但将纳米Al2O3作为沥青改性剂的研究较少。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS 改性沥青

选用的SBS 改性沥青，聚合物掺量为4%，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的试验方法，测试各项性能指标见表1，试验测得的各项性能指标符合技术要求。

表1 SBS 改性沥青性能指标

1.1.2 纳米Al2O3

选取的纳米Al2O3具有耐高温、硬度高、良好的绝缘性能等特点，各项技术指标见表2。

表2 纳米Al2O3 性能指标

1.2 复合改性沥青的制备

（1）将SBS 改性沥青放入160 ℃的烘箱中预热3 h，保证其具有良好的流动性。（2）使用高速剪切仪制备SBS/纳米Al2O3复合改性沥青，纳米Al2O3的掺量为SBS 改性沥青质量的1%、2%、3%、4%、5%，剪切速率为3 000 r/min，剪切时间1 h。为了保证试验结果具有对比性，对SBS 改性沥青进行相同条件的高速剪切处理。将制备的SBS/纳米Al2O3复合改性沥青进行RTFOT 短期老化和PAV 长期老化，并分别用于DSR、BBR 流变试验。

1.3 试验流程

对制备的五种SBS/纳米Al2O3复合改性沥青和SBS 改性沥青进行常规性能试验，包括针入度试验、软化点试验、5 ℃延度试验。采用动态剪切流变仪（DSR）进行温度扫描、多重应力蠕变试验。对于老化后的沥青制作沥青小梁，通过弯曲梁流变仪（BBR）试验测得的劲度模量和蠕变速率来评价沥青的低温性能。以上试验平行试验均为三组，取其平均值作为试验数据。

2 试验结果与讨论

2.1 针入度试验

对制备的5 种SBS/纳米Al2O3复合改性沥青和SBS 改性沥青在25 ℃的水浴中保温3 h 后，进行针入度试验，试验结果见图1。

图1 针入度试验结果

当Al2O3掺量由0%提高到4%时，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的针入度逐渐降低；对于Al2O3掺量为5%时，复合改性沥青的针入度有所增加。当Al2O3掺量为1%、2%、3%、4%、5% 时，与SBS 改性沥青相比针入度变化幅度分别为-8%、-10.94%、-17.19%、-23.24%、-19.73%。试验结果表明，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青有较低的针入度值，说明纳米Al2O3对SBS 改性沥青有显著的硬化作用，纳米材料使SBS 改性沥青的刚度增加，使其在荷载作用下更不容易受到破坏。

2.2 软化点试验

软化点试验结果见图2。

图2 软化点试验结果

随着纳米Al2O3掺量的增加，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的软化点逐渐增加。当Al2O3掺量为1%、2%、3%、4%、5%时，复合改性沥青的软化点分别为67.4 ℃、72.6 ℃、76.3 ℃、81.7 ℃、82.5 ℃，与SBS 改性沥青相比增加幅度为8.7%、17.1%、23.06%、31.77%、33.1%。当Al2O3的掺量＞4%时，复合改性沥青的软化点提升不明显。纳米Al2O3的硬化作用也使SBS 改性沥青的软化点有所提升，主要是由于纳米材料具有高表面能，能增加吸收沥青组分的能力。软化点的提高表明沥青结合料的温度敏感性降低、高温性能有所提升。针入度与软化点的变化，共同说明纳米Al2O3可以增强沥青混合料的抗永久变形能力。

2.3 延度试验

对制备的五种SBS/纳米Al2O3复合改性沥青和SBS 改性沥青在5 ℃的水浴中进行延度试验，试验结果见图3。结果表明，随着纳米Al2O3掺量的增加，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的延度逐渐降低。当Al2O3掺量为1%、2%、3%、4%、5%时，复合改性沥青的延度分别为26.5 cm、25.7 cm、24.2 cm、23.4 cm、21.3 cm，与SBS 改性沥青相比变化幅度为-5.36%、-8.21%、-13.57%、-16.43%、-23.93%。通过将SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的延度与Al2O3掺量进行线性拟合后发现，Al2O3掺量与延度之间有较强的相关性。延度的降低可能是由于纳米材料的表面能较强，使沥青的塑性降低。

图3 延度试验结果

2.4 温度扫描试验

通过温度扫描试验，以车辙因子（G*/sinδ）来评价沥青的高温性能，试验结果见图4。通常来说，沥青的车辙因子越大，表明沥青的抗变形能力越好。

图4 车辙因子

由图4 可知，随着温度的升高，沥青的车辙因子逐渐降低。在SBS 改性沥青中掺加纳米Al2O3后，复合改性沥青的车辙因子显著增强，表明其具有较强的抗永久变形能力。当Al2O3掺量为1%、2%、3%、4%、5%时，复合改性沥青在64 ℃时车辙因子分别为5.26 kPa、5.67 kPa、6.05 kPa、6.7 kPa、6.98 kPa；与SBS 改性沥青相比，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的车辙因子增加幅度为13.12%、21.94%、30.1%、44.09%、50.1%。随着纳米Al2O3掺量的增加，复合改性沥青的车辙因子逐渐增强。纳米材料使SBS 聚合物形成更稳定的结构，同时，纳米无机颗粒导致聚合物的孔隙相互连接，并导致聚合物膨胀，从而使复合改性沥青的车辙因子显著增强。

2.5 多重应力蠕变试验

相关研究表明，较高的蠕变恢复率和较低的不可恢复蠕变柔量Jnr值使沥青有更加优异的高温抗车辙能力［4］，试验结果见图5。

图5 Al2O3 改性沥青的Jnr 值、蠕变恢复率

在相同应力水平下，Jnr值随着纳米Al2O3掺量的增加逐渐减小，而蠕变恢复率逐渐增加。其中，Jnr值表征沥青塑性变形强度，值越大表征变形越显著；而蠕变恢复率的增加表征沥青的高温抗变形和变形恢复能力增强。在0.1 kPa 与3.2 kPa 下，Al2O3掺量为5% 时，Jnr值分别为1.34 kPa-1、1.52 kPa-1，与SBS 改性沥青相比降低了35.58%、35.04%；蠕变恢复率分别为38.51%、25.64%，与SBS 改性沥青相比增幅为45.92%、62.54%。试验结果表明纳米Al2O3的加入使沥青的高温性能有显著提升，纳米材料与沥青分子之间可以形成立体网状结构，可以改变沥青内部的应力分布，从而改善高温性能［5］。

2.6 弯曲梁流变试验

按照PG 分级要求，劲度模量需满足＜300 MPa、蠕变速率需满足＞0.3。试验结果见表3。

表3 BBR 测试结果

BBR 试验结果表明，随着温度的降低劲度模量增大，蠕变速率减小。同时，随着纳米Al2O3掺量的逐渐增加，复合改性沥青的蠕变速率先上升再下降，而劲度模量逐渐上升。在-12 ℃时，SBS 改性沥青与SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的劲度模量与蠕变速率均满足规范要求。但是当温度降至-18 ℃时，在SBS 改性沥青中掺加4%的纳米Al2O3时，它的劲度模量为304 MPa、蠕变速率为0.3，低温流变性能已经不满足要求；当掺加5%的纳米Al2O3时，它的劲度模量为320 MPa、蠕变速率为0.274。在-24 ℃时，SBS 改性沥青与SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的低温流变性能均不满足要求。综上所述，掺加纳米Al2O3后会使复合改性沥青的低温流变性能降低；当纳米Al2O3掺量为1%～3%时，SBS/纳米Al2O3复合改性沥青的低温PG 分级与SBS 改性沥青一致，均为-18℃。

3 结语

（1）纳米Al2O3对SBS 改性沥青有显著的硬化作用，纳米材料使SBS 改性沥青的针入度降低、软化点升高，使其在荷载作用下更不容易受到破坏，表明纳米Al2O3可以增强沥青混合料的抗永久变形能力。随着Al2O3掺量的增加，延度逐渐降低，两者之间有很强的相关性。延度的降低可能是由于纳米材料的表面能较强，使沥青的塑性降低。（2）纳米材料使SBS 聚合物形成更稳定的结构，随着纳米Al2O3掺量的增加，复合改性沥青的车辙因子和蠕变恢复率逐渐增加，而不可恢复蠕变柔量逐渐降低，高温流变试验结果表明纳米Al2O3的加入使沥青具有更强的抗永久变形能力。（3）掺加纳米Al2O3后会使SBS 改性沥青的低温流变性能降低；当纳米Al2O3掺量为1%～3%时，在-18℃时复合改性沥青与SBS改性沥青低温流变性能一致。