蘇曼曼，張洪亮，呂建偉，張永平

(1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043； 2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064； 3.杭州市公路管理局，浙江 杭州 310000)

0 引 言

極端高溫天氣具有如下特點：高溫持續(xù)時間長，強度強，溫度可達38～42 ℃。在極端高溫天氣下，瀝青路表面溫度可達75 ℃，該溫度遠遠高于現(xiàn)有針對路面的高溫試驗研究溫度60 ℃。目前對瀝青路面材料及瀝青混合料選擇尚未見針對極端高溫氣候的研究，因此，筆者欲從瀝青材料及混合料級配方面著手，開發(fā)具有耐持續(xù)極端高溫天氣的瀝青混合料。

提高瀝青高溫性能一個重要的方法就是對基質瀝青進行改性，目前業(yè)界采用聚合物對瀝青進行物理性能改善較為普遍[1-3]。常見聚合物如SBS、SBR、PE、EVA等均已被用來改善瀝青的物理性能[4-9]。但采用聚合物對瀝青進行改性時會有一些弊端，首先改性效果具有一定限制性，目前聚合物改性并不能滿足極端高溫氣候地區(qū)對瀝青性能的要求；其次，聚合物與瀝青不相容性較為嚴重，改性瀝青熱存儲性能差。納米材料以其表面效應強、比表面積大及活性高等特點，逐漸被應用于瀝青的改性中。有學者采用單摻納米SiO2、納米Ca(OH)2等材料對瀝青進行改性，發(fā)現(xiàn)納米粒子能有效提高基質瀝青的高溫性能[10-11]。為取得更加優(yōu)良的改性效果，研究人員開始嘗試對納米與聚合物復摻進行研究，采用納米黏土、碳納米管等納米材料與聚合物SBS對瀝青進行改性[12-15]。相對于僅采用單純納米材料進行瀝青性能改性，納米/聚合物復合材料對基質瀝青的改善效果明顯具有優(yōu)勢。另外，M.ARDBANI等[16]和H.Y.LIU等[17]的研究分別表明：納米ZnO可提高瀝青抗老化性能。C.YE等[18]向AH-70基質瀝青中單摻納米TiO2，其軟化點提高了5 ℃。J.TANZADEH等[19]則認為納米TiO2能提高基質瀝青軟化點，加強瀝青抗紫外線老化能力。孫培等[20]對納米復合改性瀝青進行了路用性能研究，但未對納米改性方案中改性劑摻量進行研究，且未進行極端高溫溫度下改性瀝青混合料的性能驗證。

綜上，筆者認為將納米ZnO、TiO2和聚合物SBS復合對瀝青進行改性，能獲得更好的改性效果。因此，筆者首先制備不同納米改性劑、聚合物改性劑摻量的納米復合改性瀝青，對納米復合改性瀝青進行3大指標試驗、DSR試驗及老化試驗，優(yōu)選出對高溫改善性能最好的改性方案組合。根據(jù)改性方案結合兩種級配AC-20、SMA-13制備了不同的瀝青混合料，然后進行極端高溫下的漢堡車轍試驗，分析了不同溫度和不同混合料對車轍深度的影響，推薦適用于極端高溫氣候地區(qū)的瀝青混合料類型。

1 試驗材料

1.1 基質瀝青

筆者選用韓國生產(chǎn)的SK-70瀝青作為基質瀝青，具體技術指標如表1。

表1 基質瀝青性能Table 1 Properties of base asphalt

1.2 改性劑

本研究所用改性劑包括納米ZnO、納米TiO2和聚合物SBS，其指標如表2、3。

表2 納米材料性能Table 2 Properties of nano-materials

表3 SBS基本性能參數(shù)Table 3 Parameters of SBS basic properties

1.3 集料級配

本研究在進行瀝青混合料耐極端高溫性能研究時，分別設計了AC-20、SMA-13這2種瀝青混合料，其級配見表4。

表4 瀝青混合料級配Table 4 Grades of asphalt mixture

2 試驗方法

2.1 納米復合改性方案

對納米ZnO、納米TiO2和SBS的摻量進行組合設計，并根據(jù)復合改性方案制備納米復合改性瀝青，對改性瀝青進行針入度、軟化點、延度試驗，優(yōu)選出對基質瀝青高溫性能改善效果較好的改性方案，并對優(yōu)選出的納米復合改性瀝青進行DSR試驗及薄膜烘箱老化試驗，進一步驗證該方案對基質瀝青高溫性能的改性效果。

2.2 抗持續(xù)極端高溫性能試驗設計

筆者采用優(yōu)選出的納米復合改性方案制備改性瀝青混合料，并成型4 cm厚度的車轍板試件。采用美國PMW公司生產(chǎn)漢堡車轍試驗儀進行了不同類型瀝青混合料的極端高溫條件下車轍試驗，考慮到我國南方持續(xù)極端高溫氣候條件下瀝青路面路表溫度最高可達75 ℃，因此試驗過程中對每種瀝青混合料溫度分別設定為60、67、75 ℃。

3 納米復合改性瀝青制備

在制備納米復合改性瀝青前，筆者首先對納米材料進行表面修飾處理。采用硅烷偶聯(lián)劑Kh560修飾納米ZnO和TiO2。其具體步驟如下：將100 g納米材料置于三口燒瓶中，并啟動聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene，PTFE)轉子均勻攪拌；然后將2 g的Kh560與醇水溶液(醇/水=10/1)充分混合后倒入三口燒瓶，持續(xù)攪拌10 min；待溶液與納米材料充分混合后，加熱三口燒瓶至100～150 ℃，繼續(xù)攪拌40 min；完成攪拌后將混合材料烘干研磨。

納米復合改性瀝青的制備步驟為：① 首先將瀝青置于電爐上，待瀝青融化為流動液體時加入納米材料和聚合物改性劑，并采用機械攪拌器攪拌，攪拌轉速為2 000轉/min、溫度為140 ℃、時間為20 min；② 為達到瀝青與納米材料和SBS充分融合效果，將瀝青、改性劑混合物置于高速剪切機下進行剪切，剪切轉速為4 000轉/min、溫度設為160 ℃、時間為40 min。

4 試驗結果

4.1 納米復合改性方案

4.1.1 3大指標試驗

納米ZnO和SBS均能改善瀝青的高、低溫性能，納米TiO2可更好地改善瀝青高溫性能。納米ZnO、納米TiO2、SBS的市場價格分別為1.0、2.0、1.4萬元/t。綜合考慮這3種改性劑的摻量、造價和瀝青性能改善功效，納米ZnO摻量取2%、3%、4%；納米TiO2摻量取0.5%、1.0%；由于SBS若摻量過大會直接造成復合改性瀝青成本提高，故SBS摻量取2.7%、3.2%、3.7%。根據(jù)3種改性劑摻量進行復合改性瀝青方案的正交設計(表5)。

表5 改性方案組合設計Table 5 Combination design of the modified scheme

根據(jù)表5分別制備出6種不同納米復合改性瀝青，并測定改性瀝青的3大指標，試驗結果如圖1。由圖1可知：采用3#納米復合改性瀝青的軟化點比基質瀝青的軟化點高至30.5 ℃，該方案對基質瀝青高溫性能改善最佳。

圖1 納米復合改性瀝青3大指標試驗結果Fig. 1 Penetration, softening point and ductility results of nano-composite modified asphalt

4.1.2 老化試驗

對基質瀝青及3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的納米復合改性瀝青進行薄膜烘箱老化試驗，考察瀝青的短期抗老化性能，試驗結果如表6。

表6 各復合改性瀝青短期老化試驗性能指標Table 6 Performance indexes of various kinds of composite modified asphalt in short term aging test

由表6可知：基質瀝青及3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7%SBS納米復合改性瀝青經(jīng)老化試驗后，基質瀝青質量損失較大(可達0.64%)，而改性瀝青的質量損失僅為0.09%。

由殘留針入度比數(shù)值可看出：納米改性劑及聚合物改性劑的添加顯著改善了基質瀝青抗老化性能，改性瀝青殘留針入度較基質瀝青提高了約16%。由于瀝青經(jīng)老化試驗后會變硬，延度數(shù)值會變小，基質瀝青10 ℃延度損傷非常嚴重，較老化之前降低了86.1%；而納米復合改性瀝青的5 ℃延度值則較老化試驗之前降低了48.3%。綜上分析，顯然3%ZnO+0.5%TiO2+ 3.7%SBS改性瀝青在抗老化性能方面明顯優(yōu)于基質瀝青。

4.1.3 DSR試驗

對基質瀝青及3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7%SBS改性瀝青進行DSR試驗，通過對剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ這3項指標研究了不同溫度下瀝青流變特性。DSR試驗結果如圖2。由于基質瀝青在76 ℃時的DSR試驗結果已低于規(guī)范中要求，故未對其進行82 ℃及88 ℃下試驗。

圖2 DSR試驗結果Fig. 2 Results of DSR tests

由圖2(a)可知：基質瀝青和納米復合改性瀝青的復變剪切模量均隨溫度升高而降低，同溫度下改性瀝青的剪切模量值明顯高于基質瀝青；由圖2(b)可知：同溫度下改性瀝青相位角明顯低于基質瀝青，這是因為添加改性劑增大了瀝青抗剪切作用，提高了瀝青中的彈性分量，減少了彈性模量的損失；由圖2(c)可知：納米復合改性瀝青在88 ℃時的車轍因子為2.7 kPa，該值仍高于規(guī)范的1.0 kPa。因此，通過DSR試驗可知：3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7% SBS改性瀝青具有更好的高溫性能。

4.2 對不同瀝青混合料永久變形的影響

4.2.1 漢堡車轍試驗

筆者通過馬歇爾試驗確定出AC-20基質瀝青混合料、AC-20改性瀝青混合料和SMA-13改性瀝青混合料中的最佳油石比分別為4.69%、4.8%和6.2%。進而制備了基質瀝青AC-20混合料、3.7%SBS改性瀝青AC-20混合料、3%ZnO + 0.5% TiO2+ 3.7% SBS復合改性瀝青AC-20混合料、3.7%SBS改性瀝青SMA-13混合料和3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS復合改性瀝青SMA-13混合料。

漢堡車主試驗儀參數(shù)如下：加載鋼輪寬度為47 mm、施加荷載為705 N的垂直作用力作為荷載、加載頻率52次/min、當試件加載達到20 000次或試件表面車轍深度達到20 mm時試驗結束。記錄混合料在0.05、0.10、0.30、0.50、0.80、1.00、1.20、1.50、1.80、2.00萬次碾壓次數(shù)下的變形量。

4.2.2 對不同瀝青混合料永久變形的影響

為方便試驗結果分時的描述，筆者對不同瀝青混合料進行編號，如表7。

表7 不同瀝青混合料的編號Table 7 Number of different asphalt mixtures

1)溫度對車轍深度影響

圖3為AC-20瀝青混合料在不同溫度下車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化曲線。對基質瀝青混合料來說〔圖3(a)〕，當試驗溫度升高到75、67 ℃時，同一碾壓次數(shù)下車轍深度較60 ℃的車轍深度值大很多，最高可分別達155%和98%。顯然AC基質瀝青混合料抗高溫性能較差，75 ℃下的AC基質瀝青混合料車轍變形量為16.84 mm。AC-20納米復合改性瀝青混合料表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，75 ℃試驗溫度下試件變形量僅為6.69 mm。而SBS改性瀝青混合料高溫性能則明顯遜于AC納米復合改性瀝青混合料，67 ℃試驗溫度車轍變形量比納米復合改性瀝青混合料最高高出117%。

圖3 不同溫度下AC-20混合料車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化Fig. 3 Rutting depths of AC-20 asphalt mixtures changingwith rolling frequency at different temperatures

圖4為SMA瀝青混合料在不同溫度下車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化曲線。對SBS改性瀝青混合料和納米復合改性瀝青混合料來說，60、67 ℃試驗溫度表現(xiàn)出的車轍變形量在碾壓初期極為相近，隨著碾壓次數(shù)增大，差值逐漸變大?？傮w而言，納米復合改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料表現(xiàn)出更好的高溫穩(wěn)定性。75 ℃試驗結果表明：納米復合改性瀝青混合料試件變形量比SBS改性瀝青混合料試件變形量少13%。

圖4 不同溫度下SMA-13混合料車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化Fig. 4 Rutting depths of SMA-13 asphalt mixtures changing with rolling frequency at different temperatures

2)混合料類型對車轍深度的影響

圖5為相同溫度下不同混合料試件車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化曲線。試驗溫度為60 ℃時，不同瀝青混合料抗車轍性能優(yōu)劣排序為：AC-3>SMA-2>AC-2>SMA-1>AC-1；試驗溫度為67 ℃時，排序為：AC-3>SMA-2>SMA-1>AC-2>AC-1；試驗溫度為75 ℃時，排序為：SMA-2>SMA-1>AC-3>AC-2>AC-1。

綜上所述，對極端高溫氣候地區(qū)，筆者推薦使用采用3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS改性方案制備的AC-20瀝青混合料作為中面層鋪筑料，以抵抗極端高溫天氣造成中面層剪切破壞。

圖5 相同溫度下不同混合料試件車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化Fig. 5 Rutting depths of different asphalt mixtureschanging with rolling frequency at the same temperature

5 結 論

1)3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的改性方案能顯著改善SK-70基質瀝青高溫性能，可將軟化點提高至30.5 ℃；且該改性方案使基質瀝青具有更優(yōu)良的抗老化性能。

2)極端高溫對瀝青混合料流變性影響較大，在極端高溫(75 ℃)下，瀝青混合料更容易出現(xiàn)剪切破壞。

3)對極端高溫氣候地區(qū)，筆者推薦采用3%ZnO + 0.5%TiO2+ 3.7%SBS的改性方案所制備的AC-20瀝青混合料作為瀝青道路中面層材料，以抵抗極端高溫造成的剪切破壞。

[1]周剛，李培國，陳天泉，等.聚酯纖維及瀝青對高RAP摻量瀝青混合料路用性能的研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2016， 35(4)：40-46.

ZHOU Gang, LI Peiguo, CHEN Tianquan, et al. Polyester fiber content and asphalt content’s impact on the road performance of high RAP content asphalt mixture[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2016, 35(4): 40-46.

[2]肖川，蔣興華，楊錫武，等.廢舊塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性試驗[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2011，30(5)：943-947.

XIAO Chuan, JIANG Xinghua, YANG Xiwu, et al. Experimental study on storage stability of waste plastic-modified asphalt[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2011, 30(5): 943- 947.

[3]歐陽君，孫大權，章毅.基于流變性能的SBS改性瀝青老化動力性能研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2011，30(3)：411-414.

OUYANG Jun, SUN Daquan, ZHANG Yi. Investigation of aging kinetics of SBS modified asphalt based on rheological properties[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2011, 30 (3): 411-414.

[4] YILDIRIM Y. Polymer modified asphalt binders[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2007, 21(1): 66-72.

[5] KHODAII A, MEHRARA A. Evaluation of permanent deformation of unmodified and SBS modified asphalt mixtures using dynamic creep test[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2009, 23(7): 2586-2592.

[6]何敏，曹東偉，張海燕，等.改性生物瀝青常規(guī)性能研究[J].公路交通科技，2015，32(2)：8-12.

HE Min, CAO Dongwei, ZHANG Haiyan, et al. Study on regular performance of modified bio-asphalt[J].JournalofHighwayTransportationResearchandDevelopment, 2015, 32(2): 8-12.

[7] BECKER Y, MEONDEZ MP, RODRIGUEZ Y. Polymer modified asphalt[J].VisionTechnological, 2001, 9(1):39-50.

[8] AWWAD M T, SHBEEB L. The use of polyethylene in hot asphalt mixtures[J].AmericanJournalofAppliedSciences, 2007, 4(6): 390-396.

[9] DALHAT M A, WAHHAB A A. Performance of recycled plastic waste modified asphalt binder in Saudi Arabia[J].InternationalJournalofPavementEngineering, 2017, 18(4): 349-357.

[10] KHODARY F, El-SADEK M S A, El-SHESHTAWY H S, et al. Mechanical properties of modified asphalt concrete mixtures using Ca(OH)2nano material[J].InternationalJournalofCivilEngineering&Technology, 2014, 5(5): 61-68.

[11] ARABANI M, HAGHI A K, TANZADEH R. Laboratory study on the effect of nano-SiO2 on improvement fatigue performance of aged asphalt pavement[C]//Proceedingsofthe4thInternationalConferenceonNanostructures. Kish Island, IR Iran. 2012:12-14.

[12]康愛紅，肖鵬，周鑫.納米ZnO/SBS改性瀝青儲存穩(wěn)定性及其機理分析[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2010，31(4)：412-416.

KANG Aihong, XIAO Peng, ZHOU Xin. Study on hot storage stability of nanometer ZnO/SBS modified asphalt[J].JournalofJiangsuUniversity(NationalScienceEdition), 2010, 31(4): 412-416.

[13] MALARVIZHI G, SABERMATHI R, KAMARAJ C. Laboratory study on nano clay modified asphalt pavement[J].InternationalJournalofAppliedEngineeringResearch, 2015, 10(8):175-179.

[14] YUSOFF N I M, BREEM A A S, ALATTUG H N M, et al. The effects of moisture susceptibility and ageing conditions on nano-silica/ polymer-modified asphalt mixtures[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014, 72(15): 139-147.

[15]李關龍，王楓，匡民明，等.SBS/廢膠粉復合改性瀝青的性能[J].華東理工大學學報(自然科學版)，2016，42(1)：21-27.

LI Guanlong, WANG Feng, KUANG Minming, et al. Performance of SBS/crumb rubber composite modified asphalt[J].JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition), 2016, 42(1): 21-27.

[16] ARDBANI M, HAGHI A K, SHAKERI V. Experimental modeling the creep compliance behavior of modified asphalt mixtures with nano-zinc oxide[J].PolymersResearchJournal, 2014, 8(3): 131-133.

[17] LIU H Y, ZHANG H L, HAO P W, et al. The effect of surface modifiers on ultraviolet aging properties of nano-zinc oxide modified bitumen[J].LiquidFuelsTechnology, 2015, 33(1): 72-78.

[18] YE C, CHEN HX. Study on road performance of nano-SiO2and nano-TiO2modified asphalt[J]. New Building Materials, 2009(6): 82-87.

[19] TANZADEH J, VAHEDI F, KHEIRY P T, et al. Laboratory study on the effect of nano TiO2on rutting performance of asphalt pavements[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013, 622/623: 990-994.

[20]孫培，張洪亮，郭桂宏，等.納米復合改性瀝青混合料路用性能研究[J].建筑材料學報，2016，19(4)：672-677.

SUN Pei, ZHANG Hongliang, GUO Guihong, et al. Pavement performance of nano-composite modified asphalt mixture[J].JournalofBuildingMaterials, 2016, 19(4): 672-677.