孙 璐 辛宪涛 任皎龙

(1东南大学交通学院，南京 210096)

(2美国天主教大学土木工程系，华盛顿 20064)

近年来，我国公路交通事业迅速发展，为推动经济建设做出了巨大贡献.但随着交通量的增加、车辆轴载的增大以及渠化交通的形成，沥青路面的病害问题也越发突出，部分高等级公路甚至在开放交通几年内即出现车辙、泛油、开裂等损坏现象.车辙是这些病害中问题最尖锐、危害最严重的一种.通过沥青改性以提高沥青混合料路用性能(尤其是抗车辙性能)已成为道路工程领域的研究热点.聚合物改性沥青可增强沥青路面的抗病害能力，提高其服务水平，从而成为沥青改性的主流，然而，研究中仍存在一些难以解决的问题，如聚合物价格昂贵、加工难度大、与沥青相容性差等.因此，有必要开发一种高温性能优良、性价比高的新型改性沥青混合料.

沥青路面的宏观路用性能是由路面材料组成的微结构所决定的.将纳米材料应用于沥青路面，具有极大的潜在价值和收益前景.纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100 nm)内或以它们作为基本单元构成的材料，其按维数可以分为:① 零维纳米材料，如纳米粒子;②一维纳米材料，如碳纳米管;③二维纳米材料，如纳米层状硅酸盐;④三维纳米材料，如智能金属等纳米块体［1-2］.已有研究［3-8］表明:基质沥青经纳米材料(零维纳米SiO2与二维纳米材料膨润土共混)改性后，其综合路用性能(尤其是高温性能)得到明显提升.同时，伴随着纳米材料工业化生产的实现，这种材料较传统改性剂具有较大的价格优势，从而为其广泛应用奠定了良好基础［1-2］.

在前期研究的基础上，本文进一步探讨了纳米改性沥青应用于沥青混合料中的可行性与可靠性.试验采用6种沥青结合料制备沥青混合料，分别以车辙试验和SPT试验评价其高温性能，以低温弯曲破坏试验和低温劈裂试验评价其低温性能，以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价其水稳定性.

1 原材料与矿料级配

本文试验中采用了以下6种不同类型沥青结合料:70#基质沥青(记为基质)、SBS改性沥青(记为SBS)、70#基质沥青+1%纳米SiO2(记为改性A)、70#基质沥青+5%膨润土(记为改性 B)、70#基质沥青+1%纳米SiO2+5%膨润土(记为改性C)、70#基质沥青 +1%纳米 SiO2+5%膨润土+5%SBS(记为改性D)，其技术指标见表1.这6种沥青混合料均采用花岗岩制备，其矿料级配见表2［9］.马歇尔配合比设计的最佳油石比分别为4.8%，5.1%，5.4%，5.2%，5.5%，5.7%.

表1 各类型沥青技术指标

表2 矿料级配 %

2 路用性能

2.1 高温性能

2.1.1 车辙试验

不同类型沥青混合料的车辙试验结果见表3.

表3 车辙试验结果

由表3可以看出，改性A、改性B、改性C、改性 D 的动稳定度分别为基质的 1.60，1.56，1.77，3.56倍，说明纳米材料能明显提高基质沥青混合料的抗车辙性能，其中又以改性D的效果最为明显.另一方面，改性A、改性B、改性C的动稳定度与SBS相差不大，但改性D却优势明显，说明纳米材料还具有提升SBS改性沥青高温改性效果的功能.

2.1.2 SPT 试验

美国NCHRP 465报告［5］将SPT试验定义为:对于不同交通和气候条件，一种能够准确、可靠地测定沥青混合料所引起相关路面损坏(例如开裂或车辙)的响应特性或参数的试验方法.SPT试验主要包括动态模量E*、流变时间Ft和流变次数Fn三个指标，分别通过动态模量试验、静态蠕变试验和重复加载永久变形试验获得.

动态模量E*和动态模量指标 K(K=E*/sinΦ，Φ为相位角)主要受试验温度和加载频率的影响，与荷载大小无关.研究发现，加载频率为5，10 Hz时，E*和K能够有效区分沥青混合料抗车辙性能的优劣，且E*和K越大，混合料抗车辙性能越好［10-12］.同时，为了模拟沥青路面现场使用环境，动态模量试验采用的试验条件如下:加载频率为5，10 Hz，围压为138 kPa，温度为60 ℃.试验结果见表4.

表4 不同加载频率下的动态模量试验结果

流变时间Ft是指试件加载过程中轴向应变最小变化率所对应的时间.Ft越小，说明混合料越容易在短时间内发生车辙，即抗车辙性能越差.静态蠕变试验条件如下:轴向压力为0.7 MPa，围压为138 kPa，温度为60℃.试验结果见表5.

表5 静态蠕变试验和重复加载试验结果 s

流变次数Fn是指试件加载过程中永久轴向应变最小变化率所对应的加载次数.Fn越大，所对应的车辙深度越小，即抗车辙性能越优.重复加载永久变形试验所采用的试验条件与静态蠕变试验相同，试验结果见表5.

由表4和表5可以看出，不同类型沥青混合料的参数E*从大到小顺序为:改性D，SBS，改性C，改性 A，改性 B，基质.K，Ft，Fn也存在相同的规律.其中，改性A、改性B、改性C和SBS四者相差不大.由此表明，改性D的抗车辙性能最优;改性A、改性B、改性C的抗车辙性能和SBS之间相差不大，但均优于基质沥沥青混合料，这与2.1.1节分析结果相同.

2.2 低温性能

通过－10℃条件下的沥青混合料低温弯曲试验，评价不同类型沥青混合料的低温特性.试验结果见表6.

表6 低温弯曲试验结果

由表6可以看出，与基质沥青相比，改性D的破坏应变较大而劲度模量较小，改性A、改性B、改性C则相反.这说明改性D的低温性能优于基质沥青混合料.其他3种纳米改性沥青混合料的低温性能均有下降，但仍能满足沥青路面规范对低温抗裂性能的要求.

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价不同类型沥青混合料的水稳定性，试验结果分别见表7和表8.

表7 浸水残留稳定度

表8 冻融劈裂试验结果

由表7和表8可以看出，改性A、改性B、改性C、改性D四种纳米改性沥青混合料的残留稳定度分别为基质沥青混合料的 1.07，1.03，1.06，1.13倍，冻融劈裂强度比分别为基质沥青混合料的1.06，1.05，1.09，1.15 倍.这说明纳米材料明显提高了基质沥青混合料的抗水损害能力，其中又以改性D的效果最为明显.改性A、改性B、改性C的残留稳定度和劈裂强度比与SBS相差不大，但改性D却优势明显，说明纳米材料还可优化SBS沥青改性效果.

3 结论

1)6种不同类型沥青混合料的车辙、SPT试验、浸水残留稳定度试验和冻融劈裂试验结果表明，在高温稳定性和水稳定性方面，纳米SiO2改性沥青混合料、膨润土改性沥青混合料、纳米SiO2/膨润土复合改性沥青混合料较基质沥青明显提高，与SBS改性沥青相比则差别不大.纳米SiO2/膨润土/SBS复合改性沥青混合料较任一种混合料均有明显优势.由此表明，纳米材料不仅能显著提升基质沥青的高温性能和抗水损害能力，还可优化SBS改性沥青改性效果.

2)低温弯曲破坏和低温劈裂试验结果表明，纳米SiO2/膨润土/SBS复合改性沥青混合料的低温性能优于基质沥青混合料.纳米SiO2改性沥青混合料、膨润土改性沥青混合料和纳米SiO2/膨润土复合改性沥青混合料的低温性能略有降低，但仍能够满足够沥青路面规范对低温性能的要求.

3)纳米SiO2改性沥青混合料、膨润土改性沥青混合料、纳米SiO2/膨润土复合改性沥青混合料和纳米SiO2/膨润土/SB复合改性沥青混合料的路用性能与基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料的对比结果表明，纳米改性沥青混合料具有优良的综合路用性能，纳米材料适用于沥青改性技术中.

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