納米材料改性瀝青混合料路用性能對比研究

龔貴林　劉宗斌

摘 要：為了給納米改性瀝青路面推薦較優(yōu)納米材料，通過室內(nèi)試驗(yàn)對比研究了TiO2、ZnO和SiO2納米材料在不同添加劑量條件下，對基質(zhì)瀝青混合料的性能作用效果。結(jié)果表明：添加TiO2納米材料，在添加劑量為6%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 652次/mm，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值14.01 MPa；在添加劑量為7%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）達(dá)到最大值87.5%。添加ZnO納米材料，在添加劑量為7%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 794次/mm，TSR達(dá)到最大值89.1%，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值13.04 MPa。添加SiO2納米材料，在添加劑量為6%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 493次/mm，TSR達(dá)到最大值92.7%；在添加劑量為7%時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值11.45 MPa。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；納米材料；路用性能；對比研究

中圖分類號：TU528.42;U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0056-04

Comparison study on road performance of nano-material modified asphalt mixture

GONG Guilin1，LIU Zongbin2

（1.Shanxi Railway Engineering Vocational and Technical College，Weinan 714000，Shaanxi China;2.Xian University of Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to recommend optimal nano-materials for nano-modified asphalt pavement，the effects of TiO2，ZnO and SiO2 nano-materials on the performance of matrix asphalt mixture under different additive dosage were studied through laboratory tests. The results showed that the dynamic stability of the matrix asphalt mixture with TiO2 nanomaterials reached a maximum of 1 652 times /mm and the flexural strength reached a maximum of 14.01 MPa when the additive dosage was 6 %.When the additive dosage was 7 %，the TSR reached a maximum of 87.5 %.When the additive dosage of matrix asphalt mixture added with ZnO nanomaterials was 7 %，the dynamic stability reached a maximum of 1 794 times /mm，the TSR reached a maximum of 89.1 %，and the flexural tensile strength reacheds a maximum of 13.04 MPa.The dynamic stability of the matrix asphalt mixture with SiO2 nanomaterials reached a maximum of 1 493 times /mm and the TSR reaches a maximum of 92.7 % when the additive dosage was 6 %.When the additive dosage was 7 %，the flexural strength reached a maximum of 11.45 MPa.

Key words：asphalt pavement；nanomaterial；road performance；comparative study

許多學(xué)者對納米改性瀝青混合料進(jìn)行了研究，比如對納米改性瀝青材料研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析［1］，對納米材料改性瀝青的微觀機(jī)理和制備進(jìn)行了研究［2-3］，對不同納米材料改性瀝青性能及其應(yīng)用情況進(jìn)行了研究［4-6］。不同的納米材料種類，以及不同的摻量對瀝青混合料的影響效果是有所不同的。

本研究旨在分析國內(nèi)常用的TiO2、ZnO和SiO23種納米材料以及不同添加劑量對基質(zhì)瀝青混合料的性能作用效果，為納米材料改性瀝青路面推薦一個(gè)較優(yōu)的納米材料添加方案。

1 試驗(yàn)方案及原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)組織方案

瀝青材料采用國內(nèi)常用的70號A級道路石油瀝青。以瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）和彎拉強(qiáng)度為評價(jià)指標(biāo)，研究3種納米材料TiO2、ZnO 和SiO2在不同添加劑量條件下對基質(zhì)瀝青混合料的性能作用效果。

納米改性瀝青混合料的制備方法是先制備納米改性瀝青，然后再與集料進(jìn)行拌合。在165 ℃的烘箱中放入70號A級道路石油瀝青，加熱30 min，至流動(dòng)狀態(tài)，然后將設(shè)計(jì)比例的納米材料加入熱瀝青中。先用攪拌工具手動(dòng)攪拌，至納米材料分散開來。然后用高速剪切機(jī)，以3 000 r/min的速度剪切15 min。最后按照油石比4.9%與集料進(jìn)行拌合，試件成型。

1.2 原材料技術(shù)指標(biāo)

TiO2、ZnO 和SiO2納米材料指標(biāo)如表1所示；瀝青材料指標(biāo)如表2所示；集料與礦粉檢測指標(biāo)如表3～表5所示;礦料級配檢測指標(biāo)如表6所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與分析

在夏季高溫地區(qū)，尤其是在交通量繁重地段，瀝青路面會(huì)表現(xiàn)出流變性能，路面承載能力下降，容易出現(xiàn)車轍等病害。參照規(guī)范要求［13］，通過車轍試驗(yàn)研究TiO2、ZnO 和SiO2納米材料在不同添加劑量的條件下，對70號A級基質(zhì)瀝青混合料的性能作用效果。試件的動(dòng)穩(wěn)定度如表7和圖1所示。

由表7和圖2可知，采用3種改性劑的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于800次/mm，滿足規(guī)范技術(shù)要求，且動(dòng)穩(wěn)定度隨著納米材料添加劑量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢。添加TiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在TiO2納米材料添加劑量為6%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 652次/mm，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了82.5%。添加ZnO納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在ZnO納米材料添加劑量為7%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 794次/mm，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了98.2%。添加SiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在SiO2納米材料添加劑量為6%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值1 493次/mm，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了65.0%。但動(dòng)穩(wěn)定度在納米材料添加劑量大于6%后，呈現(xiàn)出下降趨勢。這是因?yàn)榧{米材料具有的很大的表面積和很高的表面結(jié)合能，適量的納米材料能夠在瀝青中攪拌均勻，提高其試件的性能；相反，納米材料添加過多的情況下，會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，試件的性能反而會(huì)降低。所以當(dāng)納米材料添加劑量達(dá)到一定值時(shí)，在繼續(xù)添加，會(huì)使得納米改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)下降趨勢。

2.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與分析

在夏季多雨地區(qū)，瀝青路面由于積水或者路基排水不暢，導(dǎo)致路面產(chǎn)生各種各樣的水損害。本研究采用凍融劈裂試驗(yàn)，以試件的TSR為檢測指標(biāo)，研究不同添加劑量TiO2、ZnO 和SiO2納米材料對70號A級基質(zhì)瀝青混合料的改性效果。試件的TSR如圖2和表8所示。

由表8和圖2可知，3個(gè)組瀝青混合料的TSR，均滿足大于等于75%的技術(shù)要求。隨著納米材料添加劑量的增加，瀝青混合料試件的TSR均有不同程度的提高。添加TiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在TiO2納米材料添加劑量為6%時(shí)，其試件的TSR達(dá)到最大值88.6%，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了10.2%。添加ZnO納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在ZnO納米材料添加劑量為6%時(shí)，其試件的TSR達(dá)到最大值91.8%，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了13.4%。添加SiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在SiO2納米材料添加劑量為6%時(shí)，其試件的TSR達(dá)到最大值94.3%，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了15.9%。在納米材料最佳添加劑量條件下，3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能大小依次為：SiO2瀝青混合料、ZnO瀝青混合料、TiO2瀝青混合料。在納米材料添加劑量逐漸增加的條件下，其試件的TSR逐漸升高后降低，這是因?yàn)榧{米材料很大的表面積和很高的表面結(jié)合能，適量的納米材料能夠提高其試件的水穩(wěn)定性能；但當(dāng)納米材料添加過多，在瀝青中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，其納米材料的改性效果開始出現(xiàn)下降。因此其瀝青混合料的TSR出現(xiàn)下降趨勢。

2.3 低溫抗裂性試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過低溫彎曲試驗(yàn)研究TiO2、ZnO 和SiO2納米材料在不同添加劑量的條件下，對70號A級基質(zhì)瀝青混合料的性能作用效果，試驗(yàn)溫度采用5 ℃。試件的抗彎拉強(qiáng)度如表9和圖3所示。

由表9和圖3可知，抗彎拉強(qiáng)度隨著納米材料添加劑量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在摻量6%～7%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，說明本研究所采用的3種納米材料能夠有效提高70號A級基質(zhì)瀝青混合料的低溫抗裂性能。添加TiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在TiO2納米材料添加劑量為6%時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值14.01 MPa，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了88.1%。添加ZnO納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在ZnO納米材料添加劑量為7%時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值13.04 MPa，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了75.0%。添加SiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，在SiO2納米材料添加劑量為7%時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值11.45 MPa，相比基質(zhì)瀝青混合料增長了53.7%。在納米材料最佳添加劑量條件下，3種瀝青混合料的低溫抗裂性能依次為：TiO2瀝青混合料優(yōu)于ZnO瀝青混合料，優(yōu)于SiO2瀝青混合料。

在納米材料添加劑量逐漸增加的條件下，其試件的抗彎拉強(qiáng)度逐漸升高，但達(dá)到一定劑量時(shí)，開始出現(xiàn)下降趨勢。這是由于當(dāng)納米材料添加過多時(shí)，部分納米材料與瀝青未能充分發(fā)生反應(yīng)，殘留在瀝青混合料中，由于納米材料的密度較小，使得整體瀝青混合料試件的密度開始減小，導(dǎo)致試件的低溫抗裂性能開始下降，所以抗彎拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

3 結(jié)語

（1）瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、TSR和抗彎拉強(qiáng)度隨著TiO2、ZnO和SiO2此3種納米材料摻量的增加而增加，可見能夠有效提高70號A級基質(zhì)瀝青混合料的路用性能；

（2）納米材料具有的很大的表面積和很高的表面結(jié)合能，適量的納米材料能夠在瀝青中攪拌均勻，提高其試件的性能。相反，納米材料添加過多，試件的性能反而會(huì)降低；

（3）TiO2納米改性瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度和TSR在摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值;

（4）添加ZnO納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度在摻量為7%時(shí)達(dá)到峰值，TSR在摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值;

（5）添加SiO2納米材料的基質(zhì)瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度在摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值，抗彎拉強(qiáng)度、TSR在摻量為7%時(shí)達(dá)到峰值;

（6）在夏季高溫地區(qū)，建議采用ZnO納米材料作為70號A級道路石油瀝青改性劑，摻量為7%；在夏季多雨地區(qū)，建議采用SiO2納米材料，添加劑量為6%；在冬季結(jié)冰地區(qū)，建議采用TiO2納米材料，添加劑量為6%。

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收稿日期：2022-10-21；修回日期：2023-04-26

作者簡介：龔貴林（1982-），男，碩士，講師，主要從事公路工程、市政工程的教學(xué)與研究;E-mail：1348652347@qq.com。

引文格式：龔貴林，劉宗斌.納米材料改性瀝青混合料路用性能對比研究[J].粘接，2023，50（6）：56-59.