无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料路用-性能研究

作者简介：黄先滨（1980—），高级工程师，主要从事施工技术管理工作。

为实现纳米材料及胶粉对沥青改性的改进及优势集成，文章采用碳纳米管、纳米二氧化钛及丁腈橡胶对沥青进行复合改性研究。在通过试验获得各组分最佳掺量为碳纳米管1%、纳米二氧化钛2%和丁腈橡胶2%的基础上，进行混合料的配合比设计及车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评价沥青混合料的高温性能和水稳定性。结果表明：无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料的最佳油石比为4.9%，并具有良好的水稳定性及高温抗车辙性能。

道路工程；无机纳米粒子树脂；改性沥青；橡胶改性沥青；水稳定性；高温抗车辙性能

U414.1A020053

0 引言

纳米材料及橡胶材料均为良好的沥青改性剂［1］，能对沥青的高温性能、低温性能、老化性能及疲劳性能等起到良好的改性效果［2］，因而被广泛地使用并获得相关的研究。本文提出使用纳米材料与橡胶材料对基质沥青进行复合改性实现二者的优势集成，从而制备出性能更加优异的改性沥青，而国内相关的研究报道较少，对该改性沥青的性能特点了解甚少，因此，针对无机纳米粒子及树脂橡胶复合改性沥青开展研究显得十分必要［3］。同时，结合料的性能最终会影响混合料的性能［4］，因此必须要对制备的混合料的性能进行评价，明确混合料的性能特点，从而使混合料得到更好的发展和应用［5］，使其更好地服务于交通基础建设和交通强国建设的事业中。

1 原材料性能

1.1 沥青

本文所用无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青经单组分掺配试验制得，且其组分最佳掺量为1%碳纳米管、2%纳米二氧化钛和2%丁腈橡胶，无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青在下文简称为1T/2N/2D，所用基质沥青及复合改性沥青性能指标分别见表1、表2。

由表1、表2可知，无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青具有良好的性能，表现出良好的改性效果，使改性沥青具有更优的高温性能及低温性能，从而提高沥青路面的使用品质。

1.2 集料与填料

本文所用的集料为辉绿岩，填料为石灰石矿粉。严格按照《公路工程集料试验》（JTG E42-2005）对粗、细集料和矿粉进行测试。测试结果见表3及下页表4～5，所有辉绿岩粗集料、辉绿岩石屑细集料和石灰石矿粉的各项技术指标均满足规范要求。

2 沥青混合料组成设计

2.1 级配设计

本文采用连续级配AC-13型，级配设计选择AC-13级配范围的中值（见表6）。

2.2 最佳油石比的确定

采用马歇尔试验配合比设计法。按照规范JTG F40-2004的要求，选取4.3%、4.6%、4.9%、5.2%以及5.5%共5个油石比，每组油石比制备5个马歇尔试件。制备完毕后测试各个沥青混合料试件的空隙率、毛体积相对密度、饱和度、矿料间隙率、稳定度和流值，最后通过式（1）～（3）获得最佳油石比：

式中：a1、a2、a3、a4[WB]——[ZK（]毛体积相对密度、稳定度最大值时沥青使用量、空隙率、饱和度范围的中值时沥青使用量；

OACmin、OACmax[DW]——[ZK（]沥青共同用量范围的最小值和最大值。

计算得到的1T/2N/2D复合改性沥青混合料的最佳油石比为4.9%。

3 混合料路用性能

3.1 水稳定性

水损害是沥青路面服役过程中的主要破坏形式之一。在大气因素和车轮荷载的作用下，水分进入沥青路面的空隙中，经过动水压力及真空负压反复抽吸作用侵入沥青膜，降低沥青与集料之间的粘附性。这导致粘附在集料上的沥青剥落，混合料整体强度降低，造成沥青路面的承载能力下降，进而容易产生松散、坑槽以及唧浆等路面病害，严重影响沥青路面的使用耐久性和行车安全性［6］。水稳定性是指沥青混合料抵抗水损害的能力。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程完整版》（JTG E20-2011）（以下简称《试验规程》，本文通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评估1T/2N/2D复合改性沥青混合料的水稳定性。

3.1.1 浸水马歇尔试验

浸水残留稳定度为马歇尔试件在长时间浸水后的残留强度，是沥青混合料水稳定性的评价指标，其值越大，则水稳定性越好。制备8个1T/2N/2D复合改性沥青混合料马歇尔试件和8个基质沥青混合料马歇尔（高度均为63.5 mm±1.3 mm，直径均为101.6 mm），将其随机分成两组，每组4个。将成型的试件放置在60 ℃的恒温水槽中保温。第一组浸泡30 min，第二组浸泡48 h，测试其稳定度值并取平均值。每次测试均在取出试件后30 s内完成，以降低误差。通过式（4）计算出各沥青混合料的浸水残留稳定度。

基质沥青和1T/2N/2D复合改性沥青混合料的浸水残留稳定度见图1。

从图1中可以看出，1T/2N/2D复合改性沥青混合料的MS0大于基质沥青混合料的85.43%，并满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）（以下简称《规范》）中潮湿区（年降雨量＞1 000 mm）的要求。1T/2N/2D复合改性沥青混合料经过48 h浸泡后的MS0为94.67%，比基质沥青混合料高9.24%，说明在基质沥青中添加1T/2N/2D后，提高了沥青混合料抵抗水损害的能力。这是因为1T/2N/2D的掺入提高了沥青的黏度，增强了沥青与石料之间的粘结能力，使沥青能更大程度地吸附在集料上，水分即便经过长时间侵蚀也难以穿过沥青薄膜将沥青与集料剥离，具有更大的残留稳定度。所以，1T/2N/2D复合改性沥青的水稳定性相对于基质沥青有所提高。

3.1.2 冻融劈裂试验

当冻融劈裂强度能模拟温度变化波动大时，真空饱水对沥青混合料的损害状况能更准确地评估沥青混合料的水稳定性。按《试验规程》的要求，每种沥青制备2组马歇尔试件，每组4个，一组置于室温作为对照组，另一组进行冻融循环处理，之后将两组试件放入25 ℃的恒温水槽保温2 h，最后以50 mm/min的加载速率进行试验，测试试件的极限荷载并通过式（5）求出冻融劈裂抗拉强度比（TSR）。

如图2所示显示了基质沥青与1T/2N/2D复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比。由图2可以得出以下结论：改性沥青混合料的TSR大于基质沥青混合料的75.24%，并满足《规范》的要求。当在沥青中添加1T/2N/2D，沥青混合料的TSR增加到了84.61%，提高了9.37%。说明1T/2N/2D复合改性沥青经过冻融循环后，劈裂强度变化较小，抗水损害的能力比基质沥青混合料强很多。

3.2 高温稳定性

高温稳定性是指沥青路面在高温条件下受到外界荷载作用时抵抗变形的能力。沥青混合料在服役过程中受到温度的影响极大，温度越高，则沥青路面在交通荷载作用下越容易产生车辙等病害，严重影响行车安全。因此，有必要测试沥青混合料在高温条件下抵抗变形的能力。

本文用车辙试验研究基质沥青、1T/2N/2D复合改性沥青混合料的高温稳定性。车辙板在试验前应在60 ℃下保温5 h，荷载轮压为0.7 MPa，采用动稳定度（DS）来评估高温条件下沥青混合料抗变形能力。

具体试验结果如图3所示。由图3可知，基质沥青混合料的DS为1 463次/mm，1T/2N/2D复合改性沥青混合料的DS为2 839次/mm，是基质沥青混合料的1.94倍，均满足《规程》（JTG F40-2004）中最炎热地区的要求，说明1T/2N/2D能明显改善沥青混合料的高温性能，这是因为1T/2N/2D本身就具有优异的高温性能。其次，碳纳米管均匀分散在沥青表面附近的灰分增大了沥青与石料之间的摩擦力，受到外界荷载作用时不容易发生永久变形。因此，1T/2N/2D复合改性沥青混合料的高温抗车辙能力较好。

4 结语

本文通过配合比设计、水稳定性分析和高温稳定性分析，对无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料的路用性能展开研究，主要结论如下：

（1）无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料的最佳油石比为4.9%。

（2）无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料经过冻融循环及高温浸水后，强度变化较小，具有优异的水稳定性。

（3）无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料具有良好的高温抗车辙能力。

参考文献

［1］Xiaoxiao Yu，Danning Li，Zhen Leng，et al.Weathering characteristics of asphalt modified by hybrid of micro-nano tire rubber and SBS［J］.Construction and Building Materials，2023（389）：131785.

［2］崔亚楠，邢永明，王 岚，等.复合胶粉改性沥青的微观结构与流变特性［J］.高分子材料科学与工程，2012，28（2）：41-44.

［3］栾利强，文双寿，余和德，等.碳纳米管改性沥青混合料低温裂缝扩展分析［J］.材料导报，2023，37（20）：96-102.

［4］王 佳，蔡 斌，马华宝.纳米材料改性沥青的制备及分散稳定机理［J］.石油学报（石油加工），2020，36（4）：848-856.

［5］董泽蛟，周 涛，栾 海，等.SBS/橡胶粉复合改性SH型混合生物沥青工艺及机理［J］.中国公路报，2019，32（4）：215-225.

［6］王 涛.易密实高弹超薄罩面混合料设计及路用性能研究［D］.重庆：重庆交通大学，2023.