纳米二氧化钛对沥青老化性能的影响研究

2017-11-02于江李文博李林萍

重庆交通大学学报(自然科学版) 2017年10期

关键词：亚砜延度针入度

于江，李文博，李林萍

(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

纳米二氧化钛对沥青老化性能的影响研究

于江，李文博，李林萍

(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

道路工程；沥青老化；纳米TiO2；羰基指数；亚砜基指数

0引言

1试验原材料及试验方法

1.1试验原材料

本试验研究采用的是新疆克拉玛依90#沥青和经20%橡胶粉对克拉玛依90#沥青进行改性的橡胶沥青。通过试验对比考虑，选用重载轮胎橡胶粉，胶粉细度为40目。纳米二氧化钛选用上海江沪实业公司生产的锐钛矿型纳米TiO2，其具体参数如表1。

表1纳米TiO2技术指标Table 1Nano-TiO2 technical specifications

1.2纳米TiO2对两种沥青的改性方式

为了减少纳米TiO2在沥青中的沉淀和团聚现象，试验采用LHB-Ⅱ型剪切乳化搅拌机对沥青进行改性，首先取适量的沥青加入加热锅中，设定加热温度165 ℃，然后将拟定掺量的纳米TiO2倒入沥青中，手工搅动1 min后，按下操作面板上的启动按钮，搅拌至15 min，由于剪切乳化工作转头的独特结构，剧烈的高频机械效应，促使纳米TiO2和沥青从实验容器底部吸入转子区内进行强力混合，并通过离心力从定子孔中甩出相互撞击，定子可以间隙流量，防止大量的介质转动，且在一个很小的空间里发挥很高的效能，使实验物体承受了每分钟高达数万次的剪切、撞击和混合，搅拌效能比普通搅拌高约1 000倍，在达到相同的搅拌效果下极大缩短了搅拌时间，从而降低了纳米TiO2在改性沥青过程中的老化。对于用橡胶进行改性沥青的掺加方式亦用此试验方法。

1.3 老化试验研究方案

1) 热氧老化。为了探究纳米TiO2对克拉玛依90#基质沥青和橡胶沥青在温度及氧气作用下老化性能的影响，根据JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用TFOT标准试验。

2纳米TiO2对沥青老化试验结果宏观性能分析

我国道路石油沥青采用针入度划分等级，并以延度、软化点、针入度指标来评价沥青的宏观性能。本次试验研究采用针入度、软化点、延度作为评价基质沥青和橡胶沥青分别在TFOT及紫外线老化前后性能的指标。通过试验数据分析，得到两种沥青老化前后的性能指标变化见图1～图6。

图1基质沥青针入度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.1Variation curve of base asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

图2橡胶沥青针入度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.2Variation curve of rubber asphalt penetration changing with different nano-TiO2 contents

从图1和图2中可以看出，随着纳米TiO2掺量的增加，克拉玛依90#基质沥青的针入度呈现先降后增的波动，但影响不大，而对橡胶沥青而言，则影响较大，较小掺量的TiO2会使其针入度略微升高，随着掺量的增加，针入度会明显的降低。由图1可以看出，基质沥青在经过TFOT和紫外线老化后，针入度明显降低，TiO2掺量的增加并没有使TFOT老化后的针入度有明显的改变，反而过多的掺量会使老化后的针入度值更低。图2中，不同TiO2的掺量对两种老化后的橡胶沥青的针入度均有明显的影响，针入度均呈现先增后减的变化趋势，可以看出较小掺量的TiO2可明显使橡胶沥青的针入度增大。

图4橡胶沥青软化点随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.4Variation curve of rubber asphalt softening point changing with different nano-TiO2 contents

由图3和图4可以看出，随着纳米TiO2的掺量增加，两种沥青的软化点明显的呈增大变化趋势，图3中，在TFOT老化后，在不同TiO2掺量下改性的基质沥青，其软化点变化不大，但相较于未改性的基质沥青，TFOT老化后软化点增值ΔT(℃)则明显降低，同样的在紫外线老化后，软化点增值ΔT(℃)的降低更加明显。而图4中，纳米TiO2对橡胶沥青老化后软化点值的影响更加显著，随着TiO2掺量的递增，橡胶沥青在两种老化后的软化点呈现出先降低后增大的变化，并且在TFOT老化和紫外线老化中，这种变化又以在紫外线老化中更为明显，当TiO2掺量在1.5%左右时，橡胶沥青在两种老化后的软化点增值最小。

图5基质沥青延度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.5Variation curve of base asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

图6橡胶沥青延度随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.6Variation curve of rubber asphalt ductility changing with different nano-TiO2 contents

从图5和图6中可以看出，两种沥青在掺加纳米TiO2后，延度值略微降低，这是由于TiO2掺进沥青后，其颗粒表面的吸附作用会减少单位体积内沥青胶浆的含量，从而引起延度的变化。图5中可以看出，对于基质沥青在TFOT老化中，TiO2对老化后的延度值并没有多大影响，而对紫外线老化后的延度值影响虽然较为明显，但程度依然不是很大。图6中，TiO2对橡胶沥青老化后的延度影响要明显大于基质沥青，并且在紫外线老化后，随着TiO2掺量的增加，橡胶沥青的残留延度比逐渐增大，对TFOT老化后橡胶沥青的残留延度比基本没影响。

3基于FTIR的沥青老化定量分析

(1)

图7基质沥青羰基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.7Variation curve of base asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

图8基质沥青亚砜基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.8Variation curve of base asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

图9橡胶沥青羰基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.9Variation curve of rubber asphalt carbonyl index changing with different nano-TiO2 contents

图10橡胶沥青亚砜基指数随纳米TiO2的掺量变化曲线Fig.10Variation curve of rubber asphalt sulfoxide index changing with different nano-TiO2 contents

由图9和图10中可以看出，橡胶沥青老化后羰基指数会明显的增大，而亚砜基指数老化前后的波动却很小，尤其是经TFOT老化后，亚砜基的含量几乎没有变化，说明亚砜基指数可能并不适用于评价橡胶沥青在TFOT老化和紫外线老化过程中的老化行为[15]。从图9中可以看出，橡胶沥青在老化后，沥青中的羰基官能团会明显增多，因而羰基指数增大，随着纳米TiO2的掺量的增加，两种老化后橡胶沥青的羰基指数都会呈明显的下降趋势，而继续增加纳米TiO2的掺量羰基指数反而会增大，说明较小掺量的纳米TiO2会明显提高橡胶沥青的抗老化性能。

4结论

1) 在沥青TFOT老化和紫外线老化过程中，羰基指数的变化与沥青宏观物理性能之间存在相互对应的关系规律，羰基指数比亚砜基指数更适合作为表征沥青老化行为的指标。

2) 适当掺量的纳米TiO2能明显提高克拉玛依90#沥青和橡胶沥青的抗紫外线老化性能，但过多的掺量反而会产生不利影响，试验结果表明，质量分数为1.5%的TiO2掺量对橡胶沥青有较好的抗老化改性效果，而对克拉玛依90#基质沥青，推荐掺量为3%。

3) 在沥青抗短期热氧老化方面，纳米对克拉玛依90#基质沥青影响并不显著，而1.5%的TiO2掺量对橡胶沥青有一定的改善作用。

[1] 姚跃凯.新疆地区沥青路面使用性能衰变规律研究[D].西安：长安大学，2010.

YAO Yuekai.ResearchontheDecayLawofAsphaltPavementPerformanceinXinjiang[D].Xi’an：Chang’an University，2010.

[2] BAEK S H，KIM H H，DOH Y S，et al.Estimation of high-temperature properties of rubberized asphalt using chromat ograph[J].JournalofCivilEngineering，2009，13(3)：161-167.

[3] MOUILLET V，FARCAS F，BESSON S.Ageing by UV radiation of an elastomer modified bitumen[J].Fuel，2008， 87：2408-2419.

[4] 徐静，洪锦祥，刘加平.沥青老化机理综述[J].石油沥青，2011，25(4)：1-7.

XU Jing，HONG Jinxiang，LIU Jiaping.Literature review of asphalt mechanism[J].PetroleumAsphalt，2011，25(4)：1-7.

[5] 杨群，叶青，刘奕.TiO2改性沥青分散性与抗老化性能[J].同济大学学报(自然科学版)，2011，39(2)：263-265.

YANG Qun，YE Qing，LIU Yi.Dispersion and re-aging properties of asphalt modified with TiO2[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience)，2011，39(2)：263-265.

[6] 乌延玲.短期老化对沥青性能参数的影响[J].交通标准化，2010(11)：159-161.

WU Yanling.Effect of short-term aging on asphalt performance parameters[J].TransportStandardization，2010(11)：159-161.

[7] 黄维蓉.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2011：140-173.

HUANG Weirong.RoadBuildingMaterials[M].Beijing：China Communications Press，2011：140-173.

[8] 柳浩，王佳妮，谭忆秋.紫外老化对沥青性能影响的研究[J].科学技术与工程，2010，10(19)：4679-4686.

LIU Hao，WANG Jiani，TAN Yiqiu.Study on influence of asphalt performance for ultraviolet aging[J].ScienceTechnologyandEngineering，2010，10(19)：4679-4686.

[9] 秦利萍.基于红外光谱分析方法的沥青老化机理研究[J].交通标准化，2011(15)：75-78.

QIN Liping.Aging mechanism of asphalt based on infrared spectrum method[J].HighwayEngineering，2011(15)：75-78.

[10] 谭忆秋，王佳妮，冯中良，等.沥青结合料紫外老化机理[J].中国公路学报，2008，21(1)：19-24.

TAN Yiqiu，WANG Jiani，FENG Zhongliang，et al.Ultraviolet aging mechanism of asphalt binder[J].ChinaJournalofHighwayandTransport，2008，21(1)：19-24.

[11] 栗培龙，张争奇，王秉纲.沥青紫外光老化特性及机理探讨[J].郑州大学学报(工学版)，2008，29(4)：96-100.

LI Peilong，ZHANG Zhengqi，WANG Binggang.Discussion on UV-light aging characteristic and mechanism of asphalt[J].JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)，2008，29(4)：96-100.

[12] 王宝松，金峰，叶奋.橡胶浙青微观结构热老化机理研究及影响因素分析[J].公路交通技术，2013(6)：29-32.

WANG Baosong，JIN Feng，YE Fen.Research on thermal aging mechanism of microstructure of rubber asphalt and analysis for influence factors[J].RoadTrafficTechnology,2013(6)：29-32.

[13] 赵永利，顾凡，黄晓明.基于FTIR的SBS改性沥青老化特性分析[J].建筑材料学报，2011，14(5)：620-623.

ZHAO Yongli，GU Fan，HUANG Xiaoming.Analysis on SBS modified asphalt aging characterization based on fourier transform infrared spectroscopy[J].JournalofBuildingMaterials，2011，14(5)：620-623.

[14] 丰晓，叶奋，黄彭.基于浙青老化的红外光谱幾基吸光度分析[J].建筑材料学报，2008，11(3)：37-378.

FENG Xiao，YE Fen，HUANG Peng.Infrared spectrum analysis of Carbonyl absorbance on asphalt aging[J].JournalofBuildingMaterials，2008，11(3)：37-378.

[15] 张葆琳.基于红外光谱的沥青结构表征研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

ZHANG Baolin.CharacterizationofBitumenStructureBasedonFourierTransformInfrared[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2014.

(责任编辑：朱汉容)

Effects of Nano-titanium Dioxide on Asphalt Aging Performances

YU Jiang，LI Wenbo，LI Linping

(School of Architecture Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047， Xinjiang，P.R. China)