NSiP改性沥青的流变性能及抗老化性能研究

曹强强，周聪

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

使用纳米材料作为基质沥青的改性剂或与聚合物一起作为复合改性材料，是提高沥青的流变特性的有效办法[1]。沥青工业中使用的各种类型的纳米材料有纳米二氧化硅（SiO2）、纳米氧化锌（ZnO）、纳米二氧化钛（TiO2）、碳纳米管、纳米三氧化二碳酸钙和纳米黏土[2-3]。

其中，SiO2作为无机添加剂已经被广泛应用于沥青材料的性能研究之中。Shafabaksh等[4]研究了TiO2和SiO2对改性沥青混合料的性能影响。结果表明，TiO2和SiO2对沥青的流变性能有显著提高，还能提高沥青混合料的车辙性能和疲劳寿命。张恒龙等[5]研究了经过表面处理后的纳米材料对沥青性能影响。结果表明经过表面处理后SiO2与沥青的离析问题被改善。祝雯霞[6]采用不同掺量的SiO2制备了改性沥青材料，根据DSR试验、黏附性试验等试验结果确定了改性剂的最佳掺量。然而，SiO2在沥青中的应用效果有待进一步研究，同时对沥青混合料水稳定性的评价还存在不足。

选择掺量为0.2%、0.4%和0.6%的纳米二氧化硅粉末（NSiP）制备了改性沥青及沥青混合料，研究了NSiP对沥青高低性能及老化抵抗性能的影响，同时采用冻融劈裂试验研究了NSiP对沥青混合料水稳定性的影响。

1 材料与试验方法

1.1 原材料

选择SK70道路石油沥青作为基质沥青，相关性能指标见表1。NSiP是一种透明白色粉末，其摩尔质量为62.12 g/mol。对于沥青混合料，选择石灰岩作为集料，选择AC-13型级配，最佳沥青含量为4.6%。

表1 SK70物理性质Table 1 Physical property of SK70

1.2 NSiP改性沥青的制备

采用高速剪切仪制备NSiP改性沥青，在160℃条件下将NSiP分批且缓慢加入基质沥青中，并对沥青进行高速剪切2 h，剪切速率为4 000 r/min。其中，NSiP的掺量分别为基质沥青重量的0.2%、0.4%和0.6%。对基质沥青采用相同的制备过程，以保证结果不受老化影响。

1.3 沥青性能测试

沥青的旋转黏度根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试，测试温度为135℃和175℃，以确定改性沥青混合料的施工温度范围。对未老化、短期老化、长期老化后的沥青进行了多重应力蠕变和恢复（MSCR）试验及弯曲梁流变仪（BBR）试验，评价NSiP改性沥青的高低温和抗老化性能，测试温度分别为60℃和-12℃。

1.4 混合料性能测试

采用沥青混合料冻融劈裂试验评价NSiP改性沥青混合料的水稳定性。采用马歇尔击实法成型试样，将试样随机分成2组，第1组常温下保存，第2组进行冻融循环处理。对每个试样以50 mm/min的加载速率进行劈裂试验。记录劈裂抗拉强度值并计算冻融劈裂试验强度比。沥青混合料抗水损伤的能力用冻融劈裂试验强度比来表示：劈裂试验强度比=

2 结果与讨论

2.1 旋转黏度

表2为所有改性沥青和未改性沥青的旋转黏度试验结果。

表2 旋转黏度试验结果Table 2 Rotational viscosity test results

从表2可知，0.2%和0.4%的NSiP改性沥青的黏度均低于基质沥青，该结果表明NSiP改性沥青混合料的搅拌和压实温度低于普通70号道路石油沥青混合料，因此说明NSiP改性沥青具有更好的工作性，有利于现场的搅拌和压实过程。同时，基于黏温曲线计算了NSiP改性沥青混合料搅拌和压实温度的范围。对于沥青，拌和温度范围应使用黏度为（0.17±0.02）Pa·s所对应的温度，而压实成型温度范围应使用黏度为（0.28±0.03）Pa·s所对应的温度[7]，根据表2结果得到沥青的施工温度结果，如图1所示。

图1 搅拌和压实温度范围Fig.1 Stirring and compaction temperature range

由图1可知，0.2%和0.4%的NSiP改性沥青混合料的搅拌和压实温度与基质沥青混合料接近，相差不大。这说明NSiP的加入使得沥青的黏度降低，有利于路面的施工和易性。随着NSiP掺量的进一步增加，0.6%的NSiP改性沥青混合料的搅拌和压实温度则超过了基质沥青混合料，这表明NSiP的掺量对沥青黏度有一定影响，但NSP含量在0.2%～0.4%之间时，混合料搅拌温度和压实温度几乎没有变化，与70号基质沥青也非常相似，该研究对纳米改性沥青的搅拌和压实温度的实际施工提供参考意见。

2.2 MSCR分析

MSCR试验在60℃和3.2 kPa的条件下，不可恢复蠕变柔量（Jnr）和应变恢复百分比（R）值如表3所示。

表3 不同老化程度下改性沥青的Jnr值和R值Table 3 Jnr and R values of modified asphalt under different aging degrees

从表3可以看出，在未老化条件下，与所有NSiP改性沥青相比基质沥青的Jnr最大而R最小。这说明NSiP的添加能改善沥青的弹性恢复和车辙抵抗性能。随着NSiP粉末掺量的提升，沥青的Jnr减少而R增大。在短期老化和长期老化过程中，沥青的Jnr随NSiP掺量的增加而减小。在沥青经过短期老化或者长期老化后，随着NSiP掺量的增加，沥青的R先略微下降而后上升。

2.3 BBR分析

表4给出了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性沥青的BBR结果。

沥青的低温抗裂性可以用劲度模量（S）和蠕变速率（m）来评价。一般来说，沥青的劲度模量越小，蠕变速率越大，则沥青的低温性能越好[8]。由表4可知，0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性沥青的S均小于基质沥青。随着NSiP掺量的增加，沥青的S先减少，在所有沥青试样中0.4%NSiP改性沥青的S最低。当NSiP掺量超过0.4%，沥青的S提高，说明进一步提高NSiP掺量不利于沥青的低温性能，仍优于基质沥青。同时，表4也表明了0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性沥青的m均高于基质沥青，且在所有沥青试样中0.4%NSiP改性沥青的m最高。根据Superpave沥青胶结料规范，改性沥青的BBR试验测试中应保证规范要求，即在测试条件下沥青的S应不大于300 MPa，且m不小于0.3。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性沥青均满足规范要求。同时可以发现老化会对BBR低温试验结果产生明显影响，导致沥青组分变化，使得沥青的S上升而m下降，因此NSiP改性沥青的老化性能需要进一步的研究。

表4 不同老化程度下改性沥青的S值和m值Table 4 S and m values of modified asphalt under different aging degrees

2.4 老化性能

从力学的角度，许多文献中考虑了不同的力学参数来研究沥青的老化敏感性。其中一些是基于常规试验的结果，例如针入度和软化点增量，而另一些则更多地基于流变性能，即从流变测试或拟合建模的结果计算。一般来说，一个可靠的机械老化指标应该与氧化的演变有明确的关系。

由2.2节和2.3节可知，老化对NSiP改性沥青的影响较大，老化越充分蠕变劲度和应变恢复百分比的变化越明显，因此选择BBR试验和MSCR试验的指标进行老化性能分析。选择最高应力水平3.2 kPa下（最不利状态）R进行研究，老化因子AIR定义为老化后（短期和长期）的（R3.2）Age和未老化的（R3.2）Unage比值，如式（2）所示。

同理，选取在-12℃的测试温度下的BBR试验蠕变劲度（S）来计算，老化因子AIS定义为老化后（短期和长期）的（S）Age和未老化的（S）Unage比值，如式（3）所示。

对短期和长期老化后的沥青试样的R和m分别按式（2）和式（3）计算老化因子，计算试验结果如表5所示。

表5 不同老化程度下改性沥青的老化因子Table 5 Aging index of modified asphalt under different aging degrees

由表5可以看出，沥青经过老化后老化指数均大于1，说明沥青材料经老化后在经受热氧气作用后的弹性恢复率和刚度均有所增加，高温下抗车辙变形能力提高。同时可以发现，随着纳米材料的增加，在短期和长期老化中沥青的老化因子不断下降，说明抗老化性能越好。

由表5还可以看出，沥青老化后的劲度模量增大，低温下抗开裂能力下降。与高温MSCR试验结果有所不同，随着纳米材料掺量的增加，沥青的老化因子先降低后增加，而依然低于基质沥青，纳米材料可以改善沥青的抗老化性能，但其掺量需要严格控制。图2表示MSCR老化因子和BBR老化因子拟合曲线。由图2中可以看出，应变AIR与AIS之间能较好拟合，且相关系数接近于1，即高低温流变试验中老化因子具有显著的线性关系。

2.5 水稳定性

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》得到试样的毛体积相对密度和空隙率，满足空隙率要求的试件为有效试件，且有效试件不少于8个。NSiP改性沥青混合料的冻融劈裂试验强度比通过沥青混合料冻融劈裂试验得到。根据这些试验结果，对沥青混合料的水稳定性进行了研究。表6显示了NSiP改性沥青混合料的劈裂抗拉强度平均值和冻融劈裂试验强度比。冻融循环前试件的抗拉强度平均值随NSiP掺量的增加而增大。结果表明，NSiP改性沥青混合料的强度均高于未改性沥青混合料。0.2%、0.4%和0.6%NSiP改性沥青混合料的抗拉强度平均值分别提高了17.7%、28.6%和43.7%，说明通过纳米材料改性能有效提高沥青混合料的抗拉强度。抗拉强度的升高可以归因于NSiP对沥青的硬化影响，这使得沥青在破坏前能够承受更大的拉应力。同时，通过冻融劈裂试验强度比评价了沥青混合料的水稳定性。由表6可知，在0.4%掺量下的NSiP改性沥青混合料的冻融劈裂试验强度比高于基质沥青混合料，强度比从78.9%提高到90.0%，说明一定掺量下的NSiP能改善沥青混合料的水稳定性。这可能是因为NSiP能促进聚合物在沥青中的分散性，由于其粒径小和比表面积大等特点，NSiP使得沥青与集料之间的黏附性增强，使得沥青混合料的水稳定性得到提高。同时，NSiP自身的尺寸效应还可以改善沥青混合料的力学性能。在本研究中，除了0.4%掺量的NSiP外，与未改性的沥青混合料混合物相比，0.2%和0.6% NSiP改性沥青混合料的强度比较低。因此，经0.4%NSiP改性的沥青混合料具有更好的水稳定性。

表6 冻融劈裂抗拉试验结果Table 6 Results of freeze-thaw split tensile test

3 结语

1）与基质沥青相比，NSiP改性沥青混合料的搅拌和压实温度有所降低，说明NSiP能降低沥青的黏度，能降低工厂的能源消耗和污染排放，减少负面环境影响。

2）NSiP会影响沥青的高低温性能，且与老化程度有关。

3）NSiP的加入能降低沥青的流变试验老化因子，从而改善沥青的抗老化性能。

4）随着NSiP掺量的增加，改性沥青混合料冻融循环前的劈裂抗拉强度值不断增加，同时经0.4%NSiP改性后的沥青混合料的水稳定性最好。

5）综合所有试验结果，NSiP改性沥青混合料中NSiP的最佳掺量为0.4%。