納米二氧化鈦對(duì)瀝青老化性能的影響研究

于江，李文博，李林萍

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

納米二氧化鈦對(duì)瀝青老化性能的影響研究

于江，李文博，李林萍

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

道路工程；瀝青老化；納米TiO2；羰基指數(shù)；亞砜基指數(shù)

0引言

1試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)研究采用的是新疆克拉瑪依90#瀝青和經(jīng)20%橡膠粉對(duì)克拉瑪依90#瀝青進(jìn)行改性的橡膠瀝青。通過試驗(yàn)對(duì)比考慮，選用重載輪胎橡膠粉，膠粉細(xì)度為40目。納米二氧化鈦選用上海江滬實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的銳鈦礦型納米TiO2，其具體參數(shù)如表1。

表1納米TiO2技術(shù)指標(biāo)Table 1Nano-TiO2 technical specifications

1.2納米TiO2對(duì)兩種瀝青的改性方式

為了減少納米TiO2在瀝青中的沉淀和團(tuán)聚現(xiàn)象，試驗(yàn)采用LHB-Ⅱ型剪切乳化攪拌機(jī)對(duì)瀝青進(jìn)行改性，首先取適量的瀝青加入加熱鍋中，設(shè)定加熱溫度165 ℃，然后將擬定摻量的納米TiO2倒入瀝青中，手工攪動(dòng)1 min后，按下操作面板上的啟動(dòng)按鈕，攪拌至15 min，由于剪切乳化工作轉(zhuǎn)頭的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，劇烈的高頻機(jī)械效應(yīng)，促使納米TiO2和瀝青從實(shí)驗(yàn)容器底部吸入轉(zhuǎn)子區(qū)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)力混合，并通過離心力從定子孔中甩出相互撞擊，定子可以間隙流量，防止大量的介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)，且在一個(gè)很小的空間里發(fā)揮很高的效能，使實(shí)驗(yàn)物體承受了每分鐘高達(dá)數(shù)萬次的剪切、撞擊和混合，攪拌效能比普通攪拌高約1 000倍，在達(dá)到相同的攪拌效果下極大縮短了攪拌時(shí)間，從而降低了納米TiO2在改性瀝青過程中的老化。對(duì)于用橡膠進(jìn)行改性瀝青的摻加方式亦用此試驗(yàn)方法。

1.3 老化試驗(yàn)研究方案

1) 熱氧老化。為了探究納米TiO2對(duì)克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青在溫度及氧氣作用下老化性能的影響，根據(jù)JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》采用TFOT標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。

2納米TiO2對(duì)瀝青老化試驗(yàn)結(jié)果宏觀性能分析

我國道路石油瀝青采用針入度劃分等級(jí)，并以延度、軟化點(diǎn)、針入度指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青的宏觀性能。本次試驗(yàn)研究采用針入度、軟化點(diǎn)、延度作為評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青分別在TFOT及紫外線老化前后性能的指標(biāo)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到兩種瀝青老化前后的性能指標(biāo)變化見圖1～圖6。

圖1基質(zhì)瀝青針入度隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.1Variation curve of base asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

圖2橡膠瀝青針入度隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.2Variation curve of rubber asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

從圖1和圖2中可以看出，隨著納米TiO2摻量的增加，克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青的針入度呈現(xiàn)先降后增的波動(dòng)，但影響不大，而對(duì)橡膠瀝青而言，則影響較大，較小摻量的TiO2會(huì)使其針入度略微升高，隨著摻量的增加，針入度會(huì)明顯的降低。由圖1可以看出，基質(zhì)瀝青在經(jīng)過TFOT和紫外線老化后，針入度明顯降低，TiO2摻量的增加并沒有使TFOT老化后的針入度有明顯的改變，反而過多的摻量會(huì)使老化后的針入度值更低。圖2中，不同TiO2的摻量對(duì)兩種老化后的橡膠瀝青的針入度均有明顯的影響，針入度均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，可以看出較小摻量的TiO2可明顯使橡膠瀝青的針入度增大。

圖4橡膠瀝青軟化點(diǎn)隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.4Variation curve of rubber asphalt softening point changing with different nano-TiO2 contents

由圖3和圖4可以看出，隨著納米TiO2的摻量增加，兩種瀝青的軟化點(diǎn)明顯的呈增大變化趨勢(shì)，圖3中，在TFOT老化后，在不同TiO2摻量下改性的基質(zhì)瀝青，其軟化點(diǎn)變化不大，但相較于未改性的基質(zhì)瀝青，TFOT老化后軟化點(diǎn)增值ΔT(℃)則明顯降低，同樣的在紫外線老化后，軟化點(diǎn)增值ΔT(℃)的降低更加明顯。而圖4中，納米TiO2對(duì)橡膠瀝青老化后軟化點(diǎn)值的影響更加顯著，隨著TiO2摻量的遞增，橡膠瀝青在兩種老化后的軟化點(diǎn)呈現(xiàn)出先降低后增大的變化，并且在TFOT老化和紫外線老化中，這種變化又以在紫外線老化中更為明顯，當(dāng)TiO2摻量在1.5%左右時(shí)，橡膠瀝青在兩種老化后的軟化點(diǎn)增值最小。

圖5基質(zhì)瀝青延度隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.5Variation curve of base asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

圖6橡膠瀝青延度隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.6Variation curve of rubber asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

從圖5和圖6中可以看出，兩種瀝青在摻加納米TiO2后，延度值略微降低，這是由于TiO2摻進(jìn)瀝青后，其顆粒表面的吸附作用會(huì)減少單位體積內(nèi)瀝青膠漿的含量，從而引起延度的變化。圖5中可以看出，對(duì)于基質(zhì)瀝青在TFOT老化中，TiO2對(duì)老化后的延度值并沒有多大影響，而對(duì)紫外線老化后的延度值影響雖然較為明顯，但程度依然不是很大。圖6中，TiO2對(duì)橡膠瀝青老化后的延度影響要明顯大于基質(zhì)瀝青，并且在紫外線老化后，隨著TiO2摻量的增加，橡膠瀝青的殘留延度比逐漸增大，對(duì)TFOT老化后橡膠瀝青的殘留延度比基本沒影響。

3基于FTIR的瀝青老化定量分析

(1)

圖7基質(zhì)瀝青羰基指數(shù)隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.7Variation curve of base asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

圖8基質(zhì)瀝青亞砜基指數(shù)隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.8Variation curve of base asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

圖9橡膠瀝青羰基指數(shù)隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.9Variation curve of rubber asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

圖10橡膠瀝青亞砜基指數(shù)隨納米TiO2的摻量變化曲線Fig.10Variation curve of rubber asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

由圖9和圖10中可以看出，橡膠瀝青老化后羰基指數(shù)會(huì)明顯的增大，而亞砜基指數(shù)老化前后的波動(dòng)卻很小，尤其是經(jīng)TFOT老化后，亞砜基的含量幾乎沒有變化，說明亞砜基指數(shù)可能并不適用于評(píng)價(jià)橡膠瀝青在TFOT老化和紫外線老化過程中的老化行為[15]。從圖9中可以看出，橡膠瀝青在老化后，瀝青中的羰基官能團(tuán)會(huì)明顯增多，因而羰基指數(shù)增大，隨著納米TiO2的摻量的增加，兩種老化后橡膠瀝青的羰基指數(shù)都會(huì)呈明顯的下降趨勢(shì)，而繼續(xù)增加納米TiO2的摻量羰基指數(shù)反而會(huì)增大，說明較小摻量的納米TiO2會(huì)明顯提高橡膠瀝青的抗老化性能。

4結(jié)論

1) 在瀝青TFOT老化和紫外線老化過程中，羰基指數(shù)的變化與瀝青宏觀物理性能之間存在相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系規(guī)律，羰基指數(shù)比亞砜基指數(shù)更適合作為表征瀝青老化行為的指標(biāo)。

2) 適當(dāng)摻量的納米TiO2能明顯提高克拉瑪依90#瀝青和橡膠瀝青的抗紫外線老化性能，但過多的摻量反而會(huì)產(chǎn)生不利影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的TiO2摻量對(duì)橡膠瀝青有較好的抗老化改性效果，而對(duì)克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，推薦摻量為3%。

3) 在瀝青抗短期熱氧老化方面，納米對(duì)克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青影響并不顯著，而1.5%的TiO2摻量對(duì)橡膠瀝青有一定的改善作用。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Effects of Nano-titanium Dioxide on Asphalt Aging Performances

YU Jiang，LI Wenbo，LI Linping

(School of Architecture Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047， Xinjiang，P.R. China)

highway engineering; asphalt aging; Nano TiO2; carbonyl index; sulfoxide index

U414

A

1674-0696(2017)10-026-05

2016-06-10；

2016-08-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168044)

于江(1960—)，男，河南南陽人，教授，主要從事土木工程道路與橋梁方向的研究工作。E-mail：yujiang8534@126.com。

李文博(1992—)，男，山東東明人，碩士，主要從事土木工程道路與橋梁方向的研究工作。E-mail：731500580@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.05