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纳米粒子/聚合物改性沥青的高低温性能

High and low temperature properties of nano-particles/polymer modified asphalt

张宏亮，苏曼曼，赵世锋，张勇平，张增平

教育部区域公路工程重点实验室，长安大学，西安，陕西710064，中国

长春市工程设计研究院，长春，吉林130033，中国

杭州公路管理局，杭州，浙江310004，中国

集锦：提出了三种不同的纳米粒子/聚合物体系，对SK-70沥青进行改性。通过TFOT、DSR和BBR测试，测试了纳米粒子/聚合物对SK-70沥青的性能的影响。用扫描电镜测量了改性沥青和SK-70沥青的形态。通过红外光谱分析了改性沥青和SK-70沥青的化学成分。

文章历史：

2015年12月8日收到

2016年3月15日收到修改后的表格

2016年3月21日采纳

摘要：目前，大多数沥青和改性沥青都不能同时满足高温稳定性和低温开裂的要求。因此，本文的目的是寻找一种新的改性系统来提高sk-70基础沥青的高低温性能。在本文中，我们选择纳米氧化锌（纳米ZnO）颗粒，纳米二氧化钛（纳米TiO2）颗粒，纳米碳酸钙颗粒（纳米碳酸钙）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）作为改性剂。制备了具有三种或两种改性剂的改性沥青样品，测量并比较了改性沥青样品的软化点，延展性和渗透性。最终，提出用于SK-70基础沥青的三种最佳纳米颗粒/聚合物改性体系包括3％纳米ZnO / 0.5％纳米TiO2 / 3.7％SBS，5％纳米ZnO / 4.2％SBS，5％纳米CaCO3 / 4％的SBR。为了研究这三种最佳改性配方对基础沥青的高低温性能的影响，进行了动态剪切流变仪（DSR），薄膜烘箱试验（TFOT）和束弯曲流变仪（BBR）试验SK -70基质沥青和纳米颗粒/聚合物改性沥青。利用扫描电子显微镜(SEM)对SK-70基质沥青和改性沥青的微观形态进行了研究，并采用红外光谱仪对改性剂和SK-70基质沥青的反应进行了研究。实验结果表明，纳米材料在基质沥青中分布良好，可提高聚合物在基质沥青中的分散性，提高了聚合物与基质沥青的相容性。此外，纳米材料还可以提高SK-70基质沥青的高低温性能。此外，研究结果还表明，聚合物改性沥青在改性过程中，聚合物和沥青之间的物理反应起着主导作用。而对于纳米粒子/聚合物改性沥青，物理和化学反应同时发生在改性过程中。

关键词：

改性沥青，纳米粒子，聚合物，性能，形态，改性机理

1、绪论

沥青混合料是沥青路面施工中重要的组成部分之一。在中国，超过90％的高速公路铺设沥青。夏季炎热冬季寒冷的地区对沥青性能有更高的要求。然而，要找到能同时满足高温稳定性和低温抗裂性能要求的基质沥青是不容易的。因此，有必要寻找一些方法来提高基质沥青的性能。

聚合物改性是最广泛使用的改进基质沥青性能的方法。目前，苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯（SBS），苯乙烯 - 丁二烯橡胶（SBR）和聚乙烯（PE）已经成为改善沥青路面弹性和延展性的常用改性剂。Khodaii和Khodaii,Lu和Khodaii的研究表明，SBS在高温下增加了粘合剂的弹性，而与为改性沥青相比，用SBS改性的沥青具有更好的永久变形能力。Li 等人通过动态剪切流变仪（DSR）测试评估了SBS改性沥青的低温流变性能（LTRP），结果表明，当温度范围为-10℃〜10 摄氏度时，SBS可以显著提高LTRP。 SBS改性沥青的良好性能是由于SBS可以吸收沥青中低分子量油分，并使沥青的结构更稳定。Wang等人测试了SBR聚合物对160＃基质沥青的影响，5 ℃的延展性与基础沥青相比增加了约28厘米。Becker等人报告SBR聚合物增加了沥青的延展性，这可以使路面更柔软，在低温下具有抗裂性。PE是最受欢迎的塑料之一，以其良好的抗疲劳性而闻名。Punith证明，添加PE可以降低沥青混合料在高温下的蠕变速率。Jun等人和Nuntilde;ez等人的研究表明PE还可以增加基质沥青的复合模量，并降低沥青对车辙的敏感性。从聚合物改性沥青的综述中可以得出，SBS可以在一定程度上改善高低温性能。然而，SBS改性沥青的性能不足以抵抗极高温和极低温。因此，在夏季非常炎热、冬季非常寒冷的地区，在SBS改性沥青路面上，常出现严重的车辙或龟裂。SBR虽然能够大幅提高基质沥青的抗车辙性能，但不能显著提高基质沥青的高温性能。对于PE聚合物，对基质沥青的改性效果与SBR的改性效果相反。

纳米材料改性是另一个重要改善沥青粘合剂的性能的方法。许多对纳米材料改性沥青的研究都取得了大量的的结论。Sarsam提出，纳米粒子可以大量地吸收沥青，并发生了一种特殊的物理化学反应，使得沥青的温度敏感性被改变。Ye报道了纳米二氧化钛（nano-TiO2）颗粒对AH-70基质沥青温度特性的影响，发现0.5％纳米TiO2改性沥青的软化点提高了5℃， 与基础沥青相比，5℃的延度降低约2.25厘米。Tanzadeh等人的研究表明纳米二氧化钛可以提高沥青混合料的抗车辙性能。Sun等人的研究表明纳米二氧化钛改性沥青具有比基质沥青更稳定的延展性和较小的软化点变化率，可以得出结论，纳米TiO2颗粒有效增强沥青和纳米TiO2改性沥青的光氧化性能，能够抵抗 光氧化老化。纳米二氧化钛粒子积极地提高了沥青和纳米二氧化钛改性沥青的光氧化性能，能够抵抗光氧化老化。Arabani等人通过实验研究了纳米氧化锌（nano-ZnO）对热拌沥青（HMA）机械性能的影响，结果表明，纳米ZnO颗粒可以减少HMA路面的永久变形。Liu等人表明改性纳米ZnO颗粒在沥青中具有良好的分散性，可以提高沥青的抗紫外线老化性能。各种对纳米碳酸钙改性沥青的研究表明，5％纳米CaCO3的改性沥青的软化点提高了1.7℃，基质沥青的抗车辙性能也获得提升。此外，与其他纳米材料相比，纳米碳酸钙相当便宜，天然丰富。许多研究人员还研究了纳米蒙脱石（nano-MMT）改性沥青的性能和流变特性。Yu等人研究表明，加入纳米MMT可以增加沥青的软化点和粘度。Zhang等人的研究结果表明纳米MMT作为添加剂可以提高沥青的延度保持率，提高沥青的耐老化性能。Zhang等人对纳米氧化铁（纳米Fe3O4）改性沥青进行了研究，改性沥青的软化点提高了2.5℃，5℃的延度比基质沥青提高了2厘米。尽管这些纳米添加剂有效地提高了沥青路面的抗开裂或抗车辙性能，但是，纯纳米材料的改性沥青仍然不能满足夏天非常热、冬天非常冷的地区的严格要求。

对大多数纯聚合物改性剂来说，沥青的热力学不相容性是主要的缺点之一，它导致了在热储存过程中复合材料的分层。然而，纳米材料可以改善聚合物和沥青之间的相容性，因此纳米材料/聚合物复合改性沥青也越来越受欢迎。几个研究人员使用纳米CaCO3，纳米ZnO和纳米MMT与SBS组合来修改基质沥青。Jerome讨论了纳米粘土对SBS改性沥青和基质沥青的流变性能的影响。Kebritchi等人介绍了一种将纳米CaCO3表面上的涂一层聚合物，并用这一纳米颗粒/聚合物作为改性剂对基质沥青进行改性，并研究了该改性沥青的流变性能。与纯纳米材料或纯聚合物改性剂相比，纳米颗粒/聚合物复合材料对沥青的力学性能有较好的作用。

本文旨在提出新的纳米颗粒/聚合物复合改性体系，可以满足夏季非常炎热、冬季非常寒冷的地区的要求。使用包括SBS，SBR和PE在内的聚合物以及包括纳米CaCO3，纳米ZnO，纳米TiO2，纳米Fe3O4和纳米MMT在内的纳米材料修饰SK-70基质沥青。制备了具有三种或两种改性剂的改性沥青样品，测量并比较了这些样品的针入度，软化点和延度。选择几种最优纳米粒子/聚合物改性剂来改性SK-70基质沥青。然后通过薄膜烘箱试验(TFOT)、DSR和梁弯曲流变仪(BBR)试验，研究了这些新型改性对SK-70基质沥青的高低温性能的影响。此外，利用扫描电子显微镜(SEM)和荧光显微镜技术，对纳米粒子/聚合物改性沥青的微观形态和改性机理进行了研究。

1. 实验设计

2.1. 物料

本研究使用韩国的SK-70基础沥青，其性能如表1所示。纳米材料改性剂的性能包括纳米CaCO3，纳米ZnO，纳米TiO2，纳米Fe3O4和纳米MMT等如表2所示，聚合物改性剂的性能如表3所示。

表1

SK-70基质沥青的性质。

表2

纳米材料改性剂的性质。

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