张全立

(河南省交通科研院，郑州 450000)

在我国现今的道路工程中，沥青路面因具有表面平整、能承担繁重的交通量、且施工简单等优点得到了广泛的应用。然而，在长期的服役过程中，由于复杂的环境变化与交通荷载的逐步增大，使得沥青路面出现各种病害[1]。在沥青中加入不同种类的改性剂来提高其高温性能，已成为道路工作者不可或缺的使命。

近年来，聚合物改性沥青是改性沥青中使用最为普遍的技术[2]，尤其是SBS(热塑性丁苯橡胶)改性沥青和SBR改性沥青。它们具有诸多优点，最为突出的为其具有优异的高低温性能[3-5]。但聚合物改性沥青仍存在许多不足，为能满足沥青路面更高的要求，无机纳米材料被广大学者青睐。纳米Fe3O4的加入能够对沥青的三大指标都有显著的提高效果[6]，纳米CaCO3掺入SBS改性沥青能够提高其流变性能[7]，经过表面修饰的纳米SiO2与丁苯橡胶均能够改善沥青的高温稳定性[8]。

通过试验分别对单一改性沥青和复合改性沥青的性能进行测试，分析并研究SBR改性沥青和纳米ZnO/SBR复合改性沥青的高温性能。

1 原材料与试验准备

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

试验所用沥青为郑州某公司提供的70#A级沥青，按照试验规程[9]对基质沥青进行性能指标试验，试验结果如表1所示。

表1 沥青基本性能指标

1.1.2 纳米氧化锌

试验所用的纳米氧化锌也是由郑州某公司提供，纳米氧化锌为白色粉末状，其技术指标如表2所示。

表2 纳米氧化锌技术指标

无机纳米材料与基质沥青相容性较差，选取偶联剂对纳米氧化锌进行表面活化，可促进纳米材料均匀分散于基质沥青中。通过研究优选出铝酸脂偶联剂和乙醇混合溶液对纳米ZnO进行处理，能够有效地改善无机纳米材料与基质沥青的结合，从而增加改性材料的稳定性。

1.1.3 丁苯橡胶(SBR)

丁苯橡胶是由天津某公司提供，外观为米白色粉状，其技术指标见表3。

表3 丁苯橡胶技术指标

1.2 改性沥青的制备

1.2.1 SBR改性沥青

将一定量的基质沥青放在高速剪切机的加热底座上加热至熔融状态，温度设定为135 ℃，在搅拌过程中加入所需剂量4%SBR，直至SBR与基质沥青充分融合，改用以4 500 r/min转速对其进行连续匀速剪切35 min，搅拌完成后，把转速设定为1 500 r/min，继续匀速剪切30 min达到溶胀状态后，即制备出SBR改性沥青。

1.2.2 纳米ZnO/SBR改性沥青

将一定量的基质沥青放置于高速剪切机的加热底座上加热至熔融状态，温度设定为135 ℃，在搅拌过程中加入表面修饰过的4%纳米ZnO，当修饰后的纳米ZnO融入沥青后，将高速剪切机稳定在4 000 r/min并高速搅拌35 min，接着向其加入4%SBR继续剪切搅拌35 min，搅拌完成后，继续以低速1 500 r/min匀速剪切45 min，即可制得复合改性沥青。

2 试验与结果分析

2.1 常规性能试验

按照试验规程[9]对三种沥青进行常规性能试验，试验结果如表4所示。

表4 改性沥青常规性能试验

由表4可知，加入纳米ZnO后，复合改性沥青针入度较SBR改性沥青降低约10.7%、较基质沥青降低约16.6%。复合改性沥青软化点与SBR改性沥青软化点相比提升约13.3%、与基质沥青软化点相比提升约23.3%。延度明显增加但仍满足要求。表明在基质沥青中添加纳米ZnO及SBR改性剂，能明显提高改性沥青的高温性能。纳米ZnO/SBR复合改性沥青的变化幅度则比SBR改性沥青更为显著，即在SBR改性沥青中添加纳米ZnO可以有效提高复合改性沥青的高温性能。

2.2 动态剪切试验

采用美国TA公司生产的动态剪切流变仪，按照试验规程[9]中的T 0628—2011对三种沥青实施温度扫描，测定出相位角、复数剪切模量、抗车辙因子随温度的升高而随之改变的规律，试验结果如表5所示。

表5 复合改性沥青复数剪切模量、相位角、车辙因子

由表5可以得出：

1)随着温度的升高，复数剪切模量值是逐渐减小，并且基质沥青和复合改性沥青的复数剪切模量值的变化趋势基本一致。SBR改性沥青的复数剪切模量在同一温度条件下都小于复合改性沥青的复数剪切模量值，这表明在同一高温条件下，复合改性沥青抵抗剪切的能力要比SBR改性沥青的强。

2)随着温度的提高，SBR改性沥青和复合改性沥青的相位角都呈现逐渐上升的趋势。同一温度条件下，两种改性沥青相比，复合改性沥青的相位角较小。说明纳米材料的加入使SBR改性沥青的粘性成分和弹性成分的占比发生了变化，基质沥青由粘弹性向弹性转化，这有利于路面变形的恢复。

3)三种沥青的抗车辙因子均随温度上升而呈现大幅度降低的趋势。如复合改性沥青在46 ℃的车辙因子为36.86 kPa，而82 ℃车辙因子为1.25 kPa，下降了97%。在相同温度条件下，两种改性沥青的抗车辙因子均大于基质沥青，且复合改性沥青抗车辙因子最大，表明在SBR改性沥青中加入纳米氧化锌可以提高沥青的抗车辙能力。抵抗车辙能力越强，沥青的高温性能越好，说明纳米氧化锌的加入提高了SBR改性沥青的高温性能。

3 结 论

a.与基质沥青相比，SBR改性沥青、纳米ZnO/SBR改性沥青都呈现出针入度下降、软化点和延度升高的趋势。在SBR改性沥青中添加纳米ZnO后，复合改性沥青针入度和软化点分别比原SBR改性沥青降低10.7%和增加13.3%。

b.三种沥青的复数剪切模量和相位角差别较明显，在同样的温度条件下复合改性沥青的复数模量最高，相位角最小，而基质沥青的复数模量最低，相位角最大。说明纳米材料的加入使SBR改性沥青的粘性和弹性的成分占比发生了变化，基质沥青由粘弹性向弹性转化，这有利于路面变形的恢复。

c.采用抗车辙因子G*/Sinδ来表征沥青的高温性能。在同样的温度条件下，复合改性沥青抗车辙因子最大，SBR改性沥青次之，基质沥青抗车辙因子最小，说明在SBR改性沥青中添加纳米氧化锌能够增强沥青的抗车辙能力，即纳米氧化锌的加入提高了SBR改性沥青的高温性能。