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纳米ZnO改性沥青及混合料路用性能研究

2023-07-18张二毛侯剑楠

西部交通科技 2023年4期
关键词:路用性能

张二毛 侯剑楠

摘要:为掌握纳米ZnO颗粒对基质沥青及混合料路用性能的影响,文章基于DSR、BBR、高温车辙等试验,对纳米材料改性效果进行验证。结果表明:纳米ZnO可增强沥青弹性特征,提高沥青抵抗剪切变形能力,抑制热氧老化过程;掺入纳米ZnO能提高沥青混合料高温抗车辙能力,增强基质沥青和矿料之间的附着力,提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能;建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

关键词:纳米ZnO;纳米改性沥青;PG分级;路用性能

中图分类号:U416.03A100324

0引言

沥青路面作为我国高等级公路的主要路面结构形式,具有施工便捷性、行车舒适性、噪音小等优点。沥青路面中的沥青结合料是一种组成复杂的粘弹塑性材料,其性能与作用荷载频率、温度等因素相关,如沥青在高温环境下变软呈黏性、低温环境下变硬易脆断,且在温度、氧气与紫外线的综合作用下发生老化现象[1]。研究人员为改善沥青材料自身的相关缺陷,延长沥青路面使用寿命,尝试在沥青中掺入人工合成或天然的无机、有机材料,以提高沥青的高温抗车辙、低温抗裂及抗老化等路用性能[2]。

纳米材料是一种介于原子、分子与宏观体系之间的新型材料,其具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应等特殊性质,能使传统材料产生独特的热学、力学与光、电、磁性能[3]。沥青性能取决于沥青材料中的微观结构组成,特别是微米与纳米尺度下发生的作用,因此使用纳米材料对沥青进行改性可从根本上大幅度提高沥青性能,具有良好的应用前景[4]。基于此,本文使用纳米ZnO颗粒对基质沥青进行改性,通过动态剪切流变试验、低温弯曲梁流变试验、高温车辙试验等沥青及沥青混合料试验,分析纳米ZnO颗粒的改性效果,以期为纳米ZnO改性沥青的应用提供参考。

1原材料

1.1沥青

本文采用的基质沥青为壳牌70#沥青,其技术指标如表1所示。

1.2纳米氧化锌

本文采用的纳米ZnO颗粒技术指标如表2所示。

1.3集料

本文所采用的玄武岩粗集料、石灰岩细集料技术指标如表3、表4所示。

1.4矿料级配

本文所采用的纳米ZnO改性沥青混合料油石比为4.8%,矿料级配为AC-13,如表5所示。

2纳米ZnO改性沥青的制备

首先称取沥青质量分数为2%、4%、6%、8%的纳米ZnO材料,将其与加热至熔融状态的壳牌70#基质沥青一同使用高速剪切乳化机进行初步搅拌(5 000 r/min,剪切30 min,160 ℃);然后将搅拌温度提高至170 ℃,将转速提高至7 500 r/min高速剪切45 min;最后在120 ℃的溫度下发育2 h,制备得到纳米ZnO改性沥青[5]。

3纳米ZnO改性沥青性能

3.1高温流变性

为分析纳米ZnO对基质沥青高温流变性能的影响,本文采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,简称DSR)对沥青样品的流变性能进行分析,测试条件为:应变控制模式,加载频率为10 rad·s-1,应变控制水平为12%,温度为64 ℃~82 ℃。结果如表6所示。

为评价不同纳米ZnO掺量对改性沥青性能的影响,根据表6中的试验结果,绘出各因素与试验指标的关系,如图1~2所示。

由表6与图1~2可知:

(1)随着试验温度的提高,纳米ZnO改性沥青相位角逐渐提高、车辙因子逐渐降低,表明沥青的弹性特征逐渐降低,黏性特征增强,沥青抵抗剪切变形能力降低。当纳米ZnO掺量为0~4%时,纳米ZnO改性沥青高温等级为PG76;当纳米ZnO掺量为6%~8%时,纳米ZnO改性沥青高温等级为PG82。

(2)随着纳米ZnO掺量的提高,沥青在相同试验温度下的相位角逐渐降低、车辙因子逐渐提高,结果表明纳米ZnO明显改善了沥青的弹性特征,提高了沥青抵抗剪切变形能力。这可能是由于纳米ZnO的表面存在较多不饱和的原子悬空键,能与基质沥青中的原子发生缔合作用,形成一种稳定的化学结构,宏观表现为纳米ZnO沥青的高温流变性能的显著提升。此外,当纳米ZnO掺量>6%时,纳米ZnO对沥青高温性能的改善效果逐渐减小,这可能是由于纳米ZnO掺量过大会导致纳米颗粒发生团聚现象,从而影响改性效果,建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

(3)纳米ZnO改性沥青经RTFOT老化后,相位角降低、车辙因子提高,这是由于经短期老化后,沥青中的轻质组分含量减小,沥青变硬变脆,黏性特征降低。当纳米ZnO掺量由0提高至8%时,沥青RTFOT老化后的车辙因子增幅由17%~39%降低至1%~5%,表明纳米ZnO能够在一定程度上抑制沥青的热氧老化过程,提高沥青抗老化性能,从而延长道路使用寿命。

3.2低温延展性

为分析纳米ZnO对基质沥青低温性能的影响,本文采用低温弯曲梁流变仪(Beam Bending Rheometer,以下简称BBR)评价纳米ZnO改性沥青低温性能,将沥青样品制备成小梁试件后测试其在蠕变荷载作用下的劲度,以蠕变速率m与蠕变劲度S作为沥青低温性能评价指标,试验结果如表7所示。

根据表7中的试验结果,绘出纳米ZnO掺量与蠕变速率、蠕变劲度的关系,如图3所示。

由表7和图3可知,随着纳米ZnO掺量的提高,沥青蠕变劲度逐渐降低、蠕变速率逐渐提高,表明纳米ZnO对沥青低温延展性能存在一定的改善效果。当纳米ZnO掺量为0~8%时,纳米ZnO改性沥青低温等级为PG-18,这可能是由于纳米颗粒的比表面积较大,使沥青在受拉力作用时产生较多的微裂缝,可吸收更多的能量,从而延缓沥青的低温开裂,宏观表现为纳米ZnO改性沥青具有较好的低温延展性能。

4纳米ZnO改性沥青混合料路用性能

为研究纳米ZnO改性剂对沥青混合料路用性能的影响,通过高温车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验,分析不同纳米ZnO掺量下改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性,结果如表8所示。

由表8可知:

(1)纳米ZnO改性沥青混合料的动稳定度均大于基质沥青混合料,且随着纳米ZnO掺量的提高,改性沥青混合料动稳定度不断提高,表明纳米ZnO能显著改善沥青混合料抵抗高温剪切变形能力,纳米ZnO掺量越大,改性效果越好。

(2)掺入纳米ZnO后,沥青混合料低温破坏应变增大,且掺量越大破坏应变越高,表明纳米ZnO可提高沥青混合料低温抗裂性,但改性效果不显著,当纳米ZnO掺量由0提高至8%时,破坏应变仅提高4%~11%,与BBR试验结果相符。

(3)掺入纳米ZnO后,沥青混合料冻融强度比提高,且掺量越大冻融强度比越大,说明纳米ZnO可提高沥青混合料抗水损害能力,这是由于纳米ZnO能改变沥青表面结构,提高沥青表面粗糙度,增强基质沥青和矿料之间的附着力,从而提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能。

5结语

本文基于沥青性能试验与沥青混合料路用性能试验,对纳米ZnO改性沥青及其混合料性能进行研究,得出以下结论:

(1)纳米ZnO可改善改性沥青高温流变性能、低温延展性与抗老化性能,提高沥青弹性特征,增强沥青抵抗剪切变形能力,抑制热氧老化过程,且掺量越大,改性效果越大。

(2)掺入纳米ZnO能提高沥青混合料高温抗车辙能力、低温抗裂性、抗水损害能力,增强基质沥青和矿料之间的附着力,从而提高基质沥青混合料的水稳定性与抗裂性能。

(3)在纳米ZnO高掺量水平下,纳米颗粒易产生团聚现象,导致改性效果不明顯,建议纳米ZnO最佳掺量为6%。

参考文献

[1]秦仁杰,欧书君,谢唐新.两种硅酸盐材料对纳米ZnO改性沥青热氧老化性能影响研究[J].公路,2022,67(4):292-298.

[2]包梦,谢祥兵,李广慧,等.紫外光辐照下的纳米氧化锌改性沥青相态分析[J].公路,2022,67(2):228-236.

[3]苏曼曼,司春棣,张洪亮.纳米ZnO改性沥青分子动力学模拟研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2021,40(11):118-127.

[4]王佳,蔡斌,马华宝.纳米材料改性沥青的制备及分散稳定机理[J].石油学报(石油加工),2020,36(4):848-856.

[5]王玲玲,赵永红,任真.改性纳米氧化锌对煤沥青延伸性能的影响[J].化工新型材料,2013,41(4):164-166.

作者简介:张二毛(1982—),高级工程师,主要从事工程项目管理工作。

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