纳米改性基质沥青的耐低温与抗裂性能研究

摘要：为提高沥青低温抗裂性能，采用辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷以及ADP-S473共3种硅烷偶联剂对纳米SiO2表面进行修饰，修饰后纳米颗粒被用于改性基质沥青。经沥青基础性质与抗低温性能评价，分析了各种纳米材料对基质沥青的改善效果，同时对其改善混合料低温抗裂性与稳定性进行评价测试。结果表明，采用ADP-S473（胺类硅烷偶联剂）以及辛基三甲氧基硅烷修饰后的纳米SiO2（SI-1与SI-3）对基质沥青的抗低温性能改善效果较佳，其SiO2最优加量均为2.5%；2种纳米沥青改善后的混合料的低温抗弯拉强度均达10 MPa以上，梁底最大弯拉应变均达2 600μɛ以上，冻融劈裂抗拉强度达1 MPa以上，其中ADP-S473修饰后的纳米SiO2效果较佳。

关键词：表面修饰；纳米改性沥青；混合料；低温抗裂性

中图分类号：TQ522.65文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0086-05

Research on the low temperature resistance and crack resistance properties of nano modified matrix asphalt

LI Zhao1，TANG Wenyang2，CAO Yong2

（1.Hunan Expressway Group Co.，Ltd.，Changsha 410005，China；

2.Yueyang Road and Bridge Group Co.，Ltd.，Yueyang 414000，Hunan China）

Abstract：In order to improve the crack resistance of asphalt at low temperature，three silane coupling agents，namely octyltrimethoxysilane，phenyltrimethoxysilane，and ADP-S473，were used to modify the surface of nano SiO2.The modified nanoparticles were used to modify the matrix asphalt.Through the evaluation of the basic proper⁃ties and low-temperature resistance of asphalt，the improvement effect of various nano materials on the matrix as⁃phalt was analyzed，and the improvement of low temperature crack resistance and stability of the mixture was evalu⁃ated and tested.The results showed that the nano-SiO2（SI-1 and SI-3）modified with ADP-S473（amine silane coupling agent）and octyltrimethoxysilane had a better effect on the low temperature resistance of matrix asphalt，and the optimal SiO2 dosage was 2.5%.The low-temperature flexural tensile strength of the mixture improved by two types of nano asphalt was both above 10 MPa，and the maximum flexural tensile strain at the bottom of the beam was more than 2 600μɛ，the freeze-thaw splitting tensile strength reached over 1 MPa，among which the nano SiO2 modi⁃fiedwith ADP-S473 had the best effect.

Key words：surface modification；nano modified asphalt；mixtures；low temperature crack resistance

沥青混合料路面在我国应用范围广泛，其优势在于平整舒适、降噪减震、施工便利、维护便捷、防水防滑、环保特性以及路面美观。然而，沥青材料具有较强的温度敏感性[1-2]，高温易软化变形、骨料粘附力减弱造成结构损害；低温条件下，沥青路面易产生缩裂、结构失稳等问题[3-4]。低温抗裂性不足是源于基质沥青在低温环境下脆性增加、粘连性下降，导致沥青混合料出现微裂纹并随着循环载荷的作用及温度变化下细微裂纹扩张造成大裂缝[5-9]。为此，常采用纳米材料改性的方式提高沥青混合料的抗裂性能。研究将常规纳米SiO2颗粒采用多种硅烷偶联剂进行表面修饰，将表面修饰后的纳米SiO2材料按一定比例掺入基质沥青，在一定条件下制备出纳米改性沥青，使沥青的基础性质以及低温流变性均得到良好的改善。

1实验部分

1.1实验材料

纳米SiO2、纳米粘土采购于苏州凯发新材料科技有限公司；辛基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、ADP-S473胺类硅烷偶联剂，（工业级，南京能德新材料技术有限公司）；四氢呋喃、煤油（分析纯，上海阿拉丁生物试剂有限公司）；AH-70沥青（工业级，茂名市富伟化工有限公司）。

1.2实验设备

MYP11-2型恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；ZD-15型高速分散机（众时机械有限公司）；101-A3型电热鼓风干燥箱（无锡玛瑞特科技有限公司）；ZS920型动态光散射纳米粒度仪及zeta电位分析仪（上海梓梦科技有限公司）；BSD-660S型比表面仪器（贝士德仪器）；LYY-8型沥青低温延伸仪（河北中科北工试验仪器有限公司）；JTGE20型弯曲梁变仪器（天津市港源试验仪器厂）；WDW-20GD型沥青混合料小梁弯曲试验机（济南华衡试验设备有限公司）；TD729-2型沥青混合料冻融劈裂试验仪检测设备（沧州华网建筑器材有限公司）。

1.3实验方法

1.3.1纳米SiO2表面修饰

将10 g纳米SiO2分散于80 mL的四氢呋喃溶剂中，将5 g硅烷偶联剂溶于20 mL四氢呋喃溶剂中，采用微注射泵以0.5 mL/min的速度，缓慢滴入纳米SiO2分散体系中，在60℃、800 r/min磁子搅拌条件下，反应6 h。反应结束后，采用高速离心机使纳米SiO2颗粒沉淀，并采用旋转蒸器分离残余四氢呋喃溶剂，最终得到表面修饰后的纳米SiO2。

1.3.2纳米SiO2表面修饰效果表征

将表面修饰后的纳米SiO2分散于四氢呋喃溶剂中，采用ZS920型动态光散射纳米粒度仪观察其粒径分布。采用比表面仪器测试纳米SiO2比表面积，同时测试纳米SiO2分散液的pH值。

1.3.3沥青改性方法

为确保纳米颗粒在基质沥青中充分分散，先将纳米颗粒分散于煤油中；随后倒入160℃的基质沥青中，采用高速分散机以5 000 r/min转速持续剪切40 min，即获得纳米改性沥青。

1.3.4改性沥青性能评价

依据JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规范要求，对改性沥青针入度、软化点以及15℃延度常规性能测试；对比分析纳米粘土改性沥青、原始纳米SiO2改性沥青以及经表面修饰的纳米SiO2改性沥青低温抗裂的基础技术参数，筛选出适用于沥青改性的最优纳米颗粒。

1.3.5改性沥青低温弯曲梁流变试验

JTGE20型弯曲梁变仪器测试各纳米改性沥青的劲度模量和蠕变速率，用于分析改性沥青低温性能。

1.3.6改性沥青混合料的配制

按照JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规范要求，选用的集料技术指标如表1所示。

其实测级配情况如表2所示，集料的技术指标与级配均满足规范要求，混合料的配制方法同样参考JTGE 20—2011规范要求。

1.3.7低温抗裂性能评价

采用WDW-20GD型沥青混合料小梁弯曲试验机开展低温小梁弯曲试验，设置环境温度为（-10±0.5）℃，测试改性沥青混合料试件的抗弯拉强度与梁底最大弯拉应变，以评价混合料的低温抗裂性。

1.3.8冻融劈裂试验

采用TD729-2型沥青混合料冻融劈裂试验仪检测设备开展冻融劈裂试验来检测低温环境下沥青混合料水稳性。

2实验结果

2.1纳米SiO2表面修饰前后性质变化

2.1.1粒径分布

为表征纳米SiO2颗粒的表面修饰情况，采用动态光散射分析纳米SiO2颗粒表面修饰前后的粒径分布曲线，测试结果如图1所示。

由图1可见，采用3种硅烷偶联剂修饰后的纳米SiO2颗粒，粒径均有一定幅度增加，平均粒径分别是35.2、37.9和41.7 nm。因此，通过粒径尺寸的变化可以判断3种硅烷偶联剂均成功对纳米SiO2颗粒表面进行了修饰。

2.1.2各项技术参数

表面修饰后的纳米SiO2颗粒的比表面积以及其分散液pH值测试结果如表3所示。

由表3可知，表面修饰后的纳米SiO2与未处理的SiO2相比较，均未发生明显的变化。这说明，其对基质沥青的改性效果仅受纳米SiO2表面修饰基团的结构影响。同时，为便于后文表述，将未处理的纳米SiO2、辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷和ADP-S473修饰的纳米SiO2分别设置编号为SI-0、SI-1、SI-2以及SI-3纳米颗粒。

2.2改性沥青基础性能评价

2.2.1针入度

针入度是表示沥青软硬程度和稠度、抵抗剪切破坏能力的一个重要指标。各类纳米颗粒掺入量对改性沥青针入度的影响规律如图2所示。

由图2可见，随着纳米颗粒掺入量的增加，针入度均有所下降，SI-0改性的沥青针入度下降幅度最小，其次是纳米粘土改性沥青，这是因为其表面官能团与沥青分子间作用力相对较弱；SI-1、SI-2以及SI-3对沥青的改性效果更加明显，当掺入量达到2.5%时，针入度下降幅度趋于稳定，保持在6.4 mm以下。由此可见，3种硅烷偶联剂修饰后的纳米SiO2均具有良好的改性效果，其中ADP-S473修后的SI-3效果最佳，5种纳米颗粒对针入度影响程度按大小排序依次为SI-3、SI-2、SI-1、SI-0、纳米粘土。

2.2.2软化点

各类纳米颗粒掺入量对改性沥青软化点的影响规律如图3所示。

由图3可见，SI-1、SI-2和SI-3的掺入量对沥青软化点的影响显著，这是由于其烃类、苯基以及烷基胺类表面修饰结构强化了纳米SiO2与沥青分子间吸附力，从而提高了沥青软化点。其中，SI-2对软化点的改性效果最佳，SI-3次之，其掺入量达2.0%后软化点趋于稳定。由此可见，5种纳米颗粒对软化点影响程度按大小排序依次为SI-2、SI-3、SI-1、纳米粘土、SI-0。

2.2.3延度

延度测试在15℃下进行，各类纳米掺入量对改性沥青延度的影响规律如图4所示。

由图4可见，各类纳米颗粒的加入均可以改善沥青延度，且呈现先升高后趋于稳定的趋势。其中，SI-3改善沥青延度的效果最为显著，掺入量达2.5%时延度趋于稳定，延度值达到115 cm，其对延度改善效果远优于其他纳米颗粒，这是由于SI-3表面多胺结构对沥青分子较为强大的束缚力。

2.3改性沥青低温弯曲梁变试验

-12℃下的弯曲梁变试验分别考察了不同纳米颗粒掺入量对沥青劲度模量、蠕变速率的影响规律。依据行业要求，劲度模量必须小于300 MPa，蠕变速率必须大于30%。

各纳米掺入量对改性沥青劲度模量的影响规律如图5所示。

由图5可见，改性沥青劲度模量均随SI-1与SI-3掺入量增加大幅度下降，加入量达1.0%时劲度模量低于300 MPa，加入量达3.0%时，劲度模量趋于平衡，分别达199 MPa与188 MPa；而劲度模量却随SI-0与SI-2掺入量先下降后上升，这是由于随着SI-0与SI-2加入量增加，在低温下沥青呈现出较大脆性，同时SI-0无法使沥青的劲度模量低于300 MPa。因此，为使沥青具有良好的抗低温效果（劲度模量＜300 MPa），SI-2的最佳加量应为2.0%，SI-1、SI-2和纳米粘土均为2.5%。

各纳米掺入量对改性沥青蠕变速率的影响规律如图6所示。

由图6可见，其规律与图5基本一致。为确保改性沥青最佳的耐低温性能（蠕变速率＞30%），SI-2的最佳加量应为2.0%，SI-1、SI-2和纳米粘土均为2.5%，SI-0改性沥青材料的蠕变速率始终低于30%，其不适用于抗低温沥青混合料公路的铺设。

2.4改性沥青混合料低温抗裂性能评价

根据上述改性沥青性能的评价，筛选出4种纳米改性沥青，对4种纳米改性沥青进行黏度试验，确定拌合、压实温度，进行马歇尔试验确定最佳沥青用量，结果见表4。

采用低温小梁弯曲试验研究纳米改性沥青混合料的抗低温性能，测试结果如表5所示。

由表5可知，4种纳米改性沥青混合料抗低温性能均有所提升，其中SI-3纳米改性沥青效果最佳，可使抗弯拉强度提高31.1%，最大弯拉应变提高16.31%；SI-1纳米改性沥青效果次之，使抗弯拉强度提高27.4%，最大弯拉应变提高10.97%；随后是纳米粘土与SI-3改性沥青，其分别使抗弯拉强度提高13.2%与5.84%，提升幅度相对较低。因此，SI-3与SI-1纳米改性沥青适用于路用抗低温沥青混合料的配制。

2.5改性沥青混合料冻融劈裂试验

纳米改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度测试结果如表6所示。

由表6可知，4种纳米改性沥青均改善了沥青混合料的冻融劈裂抗拉强，SI-3纳米改性沥青对混合料改善效果最佳，SI-1纳米改性沥青次之，SI-2纳米改性沥青最弱。SI-3与SI-1纳米在低温下使沥青与集料依然保持粘附性，能够有效抵抗水分对沥青混合料内部结构的冲刷破坏，提高沥青混合料低温结构稳定性。

3结语

（1）采用辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷以及ADP-S473共3种硅烷偶联剂可实现对纳米SiO2的表面修饰，修饰后的纳米SiO2平均粒径有所增加，但比表面积、分散液pH值无明显变化；

（2）辛基三甲氧基硅烷与ADP-S473偶联剂修饰后的纳米SiO2，SI-1与SI-3对基质沥青的改性效果较佳，在2.5%掺入量下可使-12℃条件下改性沥青的劲度模量下降至200 MPa以下，蠕变速率高于30%，其中SI-3改性效果最佳；

（3）SI-1与SI-3改性沥青对混合料的改善效果优于其他纳米颗粒，其使低温抗弯拉强度均达10 MPa以上，梁底最大弯拉应变均达2 600μɛ以上，冻融劈裂抗拉强度达1 MPa以上，其中SI-3效果最佳，说明ADP-S473偶联剂具有最佳修饰效果。

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（责任编辑：苏幔，平海）