摘要: 为增强重交沥青路面寿命，确保其在服役周期内保持良好的高低温性能，向基质沥青中添加纳米SiO
2和橡胶粉两种外掺剂。首先，基于针入度试验、延度试验、软化点试验分析改性沥青的基本性能；其次，通过动态剪切流变试验(DSR)，评价不同温度和不同频率等因素对复合改性沥青高温性能的影响；最后，应用弯曲梁流变试验(BBR)，分析纳米SiO
2/橡胶粉复合改性沥青的低温流变性能；研究结果表明：纳米SiO
2的加入，使得橡胶粉改性沥青的针入度降低，软化点、延度升高；同时，橡胶粉改性沥青的车辙因子有所提高，可知纳米SiO
2提高了橡胶粉改性沥青的高温抗车辙性能；劲度模量S值降低、蠕变速率m值升高可以发现，纳米SiO
2和橡胶粉复合掺加后提高了沥青的低温抗裂性能。
Abstract: To enhance the lifespan of heavy-duty asphalt pavements and ensure good performance under both high and low temperatures throughout their service life, Nano-SiO2 and rubber powder were added as external additives to the base asphalt. First, the basic properties of the modified asphalt were analyzed through penetration tests, ductility tests, and softening point tests. Next, the high-temperature performance of the composite modified asphalt was evaluated using Dynamic Shear Rheometer (DSR) tests, considering various temperatures and frequencies. Finally, the low-temperature rheological properties of the Nano-SiO2/rubber powder composite modified asphalt were analyzed using the Bending Beam Rheometer (BBR) test. The results indicate that the addition of Nano-SiO2 reduces the penetration index and increases the softening point and ductility of the rubber powder modified asphalt. Additionally, the rutting factor of the rubber powder modified asphalt improved, suggesting that Nano-SiO2 enhances the high-temperature rutting resistance of the rubber powder modified asphalt. The reduction in stiffness modulus (S value) and the increase in creep rate (m value) demonstrate that the combined addition of Nano-SiO2 and rubber powder improves the low-temperature crack resistance of the asphalt.
1. 引言
随着国家汽车保有量迅猛发展，沥青道路面对的超载现象日益严重，基质沥青难以解决路面长时间的疲劳寿命问题，目前国内已有改性沥青中应用最广泛的是SBS改性沥青，而橡胶粉改性沥青相较SBS改性沥青拥有较好的高低温及抗疲劳性能[1]。李波[2]等根据橡胶沥青的布氏旋转粘度指标，评价了制备改性沥青时橡胶粉原材特性对沥青粘度指标影响程度的关系，并通过凝胶色谱试验分析了改性沥青的粘度微观机理，试验结果表明选择适用的胶粉参数可有效制备路用性能较好的橡胶沥青。王尉[3]等研究发现与沥青发生溶胀反应的胶粉掺量越多，目数越大以及基质沥青的标号越高，其对橡胶粉沥青的低温性能更优。许明娟[4]对废塑料–橡胶粉复合改性沥青进行正交试验设计，并进行SMA-13级和AC-13级配不同配比的路用性能对比，发现SMA-13级配有较好的高温性能和水稳定性，AC-13级配有较好的低温性能和疲劳性能。如今，由于我国汽车市场保有量大幅度递增，产生的废旧轮胎日益增多，废轮胎属于危险固体废弃物，常温下不能进行降解，势必形成一个黑色污染，危害地球生态经济环境。橡胶粉作为沥青摊铺的添加剂，提供了一种有效的处理废旧轮胎的方法，不仅大大缓解了我国当前处理废旧轮胎的压力，还减少了黑色污染，改善了生态经济环境。橡胶沥青路用性能的优越性非常突出，其改性性能甚至优于目前广泛使用的SBS改性沥青。但是，也存在着生产施工工艺要求严格，气味严重，不适合长期储存，极易出现离析等局限性。Maccarrone [5]研究认为，聚合物与沥青应分布均匀充分相溶才能达到较好的改性效果，若橡胶粉与基质沥青没有较好的相容性，会橡胶粉改性沥青出现离析分层。Goliaszewski [6]等在沥青中加入马来酸亚胺后，可有效提高橡胶粉改性沥青的分散均匀性，并显著提高其储存稳定性。因此，增强橡胶粉改性沥青的相容性和稳定性具有重要意义。
纳米材料被认为是21世纪最有前途的材料，由于纳米颗粒的独特性，纳米改性沥青成为重要研究领域之一。沥青道路的路用性能由路面材料的微观组成结构决定，纳米SiO2比表面积较大，有优异的界面效应，是一种高新技术、应用广泛的纳米材料，且其优异的性能广泛用于多个领域，作为一种道路沥青改性的应用也已受到广泛关注。纳米微粒在聚合物基体中可以产生一系列新的现象，使得它能显著地提高沥青的路用性能，并对路面起到良好的补强效果[7]。在此基础上形成了多种新型功能材料，包括纳米材料改性沥青及其他相关产品。目前在沥青中加入一定量的纳米材料进行复合处理，可以大大提高沥青的低温抗裂性，同时又提高其高温稳定性[8]。纳米材料还可以通过影响沥青的性质来实现提高使用性能或降低其老化程度的目的[9]。纳米SiO2比表面积较大，是一种高新技术、应用广泛的纳米材料，有优异的界面效应，作为一种道路沥青改性的应用也已受到广泛关注。张恒龙[10]将经过表面修饰的纳米SiO2，通过高温储存稳定性试验，探讨了纳米材料与沥青的相容性。结果表明：通过对纳米SiO2进行表面修饰，其与沥青的相容性得到了显著提升。现有结果证明，纳米SiO2可以增强沥青粘结力，使得沥青混合料试件的强度有所提高，在某些情况下断裂能有所增加[11]。本文选用橡胶粉和纳米SiO2复合，使其扬长补短，以期实现低成本、高品质、长寿命的复合改性沥青。
2. 原材料与试验准备
2.1. 原材料
2.1.1. 基质沥青
本研究选用70#基质沥青作为研究对象，根据试验规程[12]对其进行常规性能指标测试，技术指标如表1所示。
Table 1. Technical indexes of matrix asphalt
表1. 基质沥青技术指标
| 技术指标 |
试验结果 |
规范要求 |
试验方法 |
| 针入度(25℃, 100 g, 5 s)/(0.1 mm) |
63.8 |
60~80 |
T0604 |
| 延度(5 cm/min, 10℃)/cm |
28.5 |
≥ 20 |
T0605 |
| 软化点/℃ |
47.8 |
≥ 45 |
T0606 |
2.1.2. 橡胶粉
本试验采用细度为40目，试验检测其密度为1.16 g/cm3，满足1.10~1.30 g/cm3的技术要求，且其含水率为0.59%的橡胶粉。
2.1.3. 纳米SiO2
本试验采用的纳米SiO2呈白色粉状，具体物理性质见表2。
Table 2. Physical properties of Nano-SiO2
表2. 纳米SiO2物理性能
| 一次粒径(nm) |
SiO2含量(%) |
密度(g/cm3) |
比表面积(m2/g) |
pH值 |
| 20 |
≥ 99 |
2.4 |
190 |
5.5~7.0 |
2.2. 纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青制备
纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青的制备过程如下：
1) 通过调节电热鼓风干燥箱，使其温度达到175℃，然后放入300 g基质沥青使其脱水备用，与此同时将纳米SiO2放入温度为100℃的电热鼓风干燥箱10 min后拿出备用，与此同时将橡胶粉改性剂放入温度为100℃的电热鼓风干燥箱1小时，使其烘干后称取所需量的纳米SiO2和橡胶粉，以备接下来试验所用。
2) 将基质沥青温度升高到试验要求的温度，首先将纳米SiO2加入恒温基质沥青中，利用高速剪切机剪切10 min，待分散均匀后加入橡胶粉，边掺加改性剂边进行人工搅拌，搅拌均匀后，利用正交试验中不同的剪切时间和温度等工艺条件，在高速剪切机上进行不同组改性沥青的制备，试验过程中需运用温度传感器严格控温。
3) 将剪切好的纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青放在175℃的环境中溶胀30 min。再利用玻璃棒轻轻搅拌复合改性沥青以充分排出气泡，即复合改性沥青制备完成。
4) 将制备好的几组纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青进行宏观性能试验研究。
3. 试验与结果分析
3.1. 常规性能试验
复合改性沥青的基本性能指标测试结果如表3所示，可以看出，将纳米SiO2加入到橡胶粉改性沥青中，复合改性沥青的三大指标具体变化为：针入度较其他两种沥青下降，其下降幅度分别为5.2%、11.6%，说明纳米材料的加入进一步增大了沥青的稠度；软化点、延度其数值均变大，软化点上升幅度分别为7.5%、20.7%，表明纳米SiO2的掺加可以提升基质沥青、橡胶粉改性沥青的高温性能；延度上升幅度分别为7.4%、25.6%，加入纳米SiO2的沥青延度变大，说明低温性得到改善。可见，通过向橡胶粉改性沥青中掺加纳米SiO2，可以有效改善沥青的整体性能。
Table 3. Basic performance indexes of modified asphalt
表3. 改性沥青基本性能指标
| 沥青类型 |
针入度(25℃, 100 g, 5 s)/(0.1 mm) |
软化点/℃ |
延度(5 cm/min, 10℃)/cm |
| 基质沥青 |
63.8 |
46.8 |
28.5 |
| 橡胶粉改性沥青 |
60.5 |
50.3 |
30.6 |
| 纳米SiO2/橡胶粉改性沥青 |
56.4 |
56.5 |
35.8 |
3.2. 流变性能
3.2.1. 动态剪切流变性能
采用DSR试验中的温度扫描试验，对3种不同沥青进行试验，不同沥青相位角、车辙因子分别如图1、图2所示。
Figure 1. Phase angle-temperature relationship of different asphalts
图1. 不同沥青的相位角–温度关系图
Figure 2. Rutting factor-temperature relationship of different asphalts
图2. 不同沥青的车辙因子–温度关系图
图1相位角试验数据中显示，伴随着温度的升高，3种原样沥青的δ值也越来越高。反应温度越高，沥青越接近粘性体，从而使得变形越不容易恢复，但纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青不同温度下的相位角均小于基质沥青和橡胶粉改性沥青，具有较好的高温稳定性。
由图2可见，3种原样沥青的G*/sinδ指标均呈现随温度的升高而开始逐渐减小的趋势，且减小的速度逐渐缓慢，在温度范围46℃~82℃内3种不同原样沥青的复数模量大小关系始终一致，纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青 > 橡胶粉改性沥青 > 基质沥青。结果表明在高温条件下纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青的抗变形劲度模量较基质沥青和橡胶粉改性沥青有显著优势。
3.2.2. 弯曲梁流变性能
采用BBR试验，不同温度下(−12℃、−18℃和−24℃)对3种不同沥青进行低温性测试。试验结果分别如图3、图4所示。
Figure 3. Creep stiffness S of different asphalts
图3. 不同沥青的蠕变劲度S
Figure 4. Creep rate m of different asphalts
图4. 不同沥青的蠕变速率m
由图3可以看出，同一种沥青随着温度的降低，蠕变劲度均呈现增大的趋势，其中增幅最为显著的是基质沥青，反映出基质沥青具有较差的低温性能。而纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青在不同的温度条件下S值均小于橡胶粉改性沥青和基质沥青，且在−24℃温度条件下依然满足S值小于300的技术要求。三种沥青在蠕变劲度S值的对比试验中表现出纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青拥有良好的低温性能。
蠕变速率m值，反映低温条件下劲度模量S值变化的快慢，进一步可理解为m值是在劲度模量S与时间t的双对数坐标轴中，劲度模量S变化曲线中的斜率。m值越大，劲度模量S值变化的越快，表明应力松弛能力越好。因此，在相同劲度模量S值的条件下，具有较大m值的改性沥青其低温性能更优。试验结果如图4所示。明显看出，同一种沥青均随着温度的降低，m值也表现缓慢的降低，不同沥青相同温度条件下，蠕变速率变化较小。纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青在相同温度条件下的蠕变速率均高于基质沥青和橡胶粉改性沥青，且其60 s时的蠕变速率m值，在−12℃和−18℃温度条件下m ≥ 0.3，又一次反映了纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青良好的低温性能。
4. 结语
本文通过对纳米SiO2和橡胶粉复合改性沥青的研究，得出以下主要结论：
1) 为探究纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青的动态力学特性，通过DSR温度扫描试验，对三种沥青高温性能进行评价，结果表明三种沥青温度稳定性大小为纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青 > 橡胶粉改性沥青 > 基质沥青。在同样的中高温下，复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ是最高的，这表明纳米SiO2的加入使其高温性能得到提高。
2) 通过DSR试验分析，相同温度下，纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青的相位角δ最小，表明随着纳米SiO2的掺入，弹性恢复能力增强。在相同的中高温条件下，复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ最高，表明纳米SiO2的加入改善了其高温性能。
3) 由BBR试验指标得到，在三种不同低温条件下，纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青的S值均低于基质沥青和橡胶粉改性沥青，其m值均高于基质沥青和橡胶粉改性沥青，说明纳米SiO2/橡胶粉复合改性沥青具有更好的低温流变性能。
NOTES
*通讯作者。