纳米Al2O3/SBR复合改性沥青高温性能研究

2023-03-13敬尚伟

信息记录材料 2023年1期

敬尚伟

（华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州 450000）

0 引言

随着交通的迅速发展，在高等级、重交通路段中使用沥青的地方越来越多，这是由于隶属于柔性路面的沥青路面，有着施工容易、稳定性好、行驶舒适、易修复、适用范围广等优点。但是随着近几年路面使用情况的复杂，交通量增加，交通荷载随之增加，气候恶劣变化使得沥青路面在使用过程中，极易在高温、紫外线、水、荷载作用下出现车辙破坏[1]，从而对沥青路面的高温性能提出了挑战，向沥青中掺入改性剂[2]来提高高温性能，对满足目前的交通要求有着重要意义。

目前，我国有SBR、PE、EVA、SBS等类型聚合物改性沥青[3]的研究，张江斌[4]制备SBS改性沥青并投入运用到高速公路，发现SBS改性沥青路面的抗离析能力强且平整度高，刘淑娟[5]制备不同掺量的SBR改性沥青测定其基本技术指标，得到其最佳掺量为4%，改性沥青的低温性能得到大幅度改善，高温性能有一定的改善。畅润田[6]将SBS、SBR复掺制备乳化改性沥青，通过测定复合改性沥青储存稳定性与蒸发残留物常规指标，得到在2%SBS、3%SBR复合改性下，显著提高了乳化沥青蒸馏残余的高低温性能和弹性性能。随着聚合物掺入，沥青的高低温性能得到了一定程度的提高，但聚合物改性沥青仍然存在很多不足，比如聚合物与沥青相容性不好、对改性沥青的性能提升不明显等。

为使沥青有着更优越的性能，专家学者考虑向沥青中掺入无机纳米材料，叶超等[7]通过向改性沥青中掺入纳米TiO2，利用动态剪切流变仪（DSR）试验分析，得出随纳米TiO2的加入，改性沥青的车辙因子增大，高温性能得到提升。张金升等[8]制备了纳米Fe3O4改性沥青，通过三大指标试验，发现随着纳米Fe3O4的掺入，改性沥青的三大指标都得到提升。周宏斌等[9]通过制备1%～7%掺量的疏水性纳米SiO2改性沥青并测定其三大指标和黏度，得到随着纳米SiO2掺量的增加，改性沥青针入度、黏度升高，针入度和延度呈现先升后减的趋势，且在掺量4%时达到最优性能，高温性能提升了9.8%，低温性能提升77.6%。由此可以看出纳米材料的掺入不同程度地提高了改性沥青的高低温性能及流变性能。

本文分别对SBR改性沥青与纳米Al2O3/SBR复合改性沥青进行三大指标基本指标试验与动态剪切流变（DSR）试验，分析其高温性能。

1 原材料与试验准备

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

试验采用的是郑州某公司生产的70号A级道路石油沥青，依据试验规程[10]的要求进行常规试验，技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 纳米Al2O3

试验采用的是湖北某公司生产的ALUNA80型号的Al2O3，技术指标如表2所示。

表2 Al2O3技术指标

考虑到无机纳米材料与有机沥青之间的相容性不好，先选择偶联剂对纳米Al2O3进行活化，从而使得纳米Al2O3更好地融入沥青中并充分分散，经过研究选择使用铝酸酯对纳米Al2O3进行活化，改变了纳米Al2O3的表面官能团，显著提高了改性沥青的稳定性。

1.1.3 丁苯橡胶

丁苯橡胶是由天津某公司提供，米白色粉状外观，技术指标见表3所示。

表3 丁苯橡胶技术指标

1.2 改性沥青的制备

1.2.1 SBR改性沥青制备方法

首先置基质沥青于85 ℃的烘箱，待完全融化时称取一定质量的基质沥青放置于高速剪切机下的加热炉上，在温度140 ℃加热20 min，加热过程中不断进行搅拌，搅拌过程中将4%掺量的SBR加入，待SBR与基质沥青基本融合，打开高速剪切机并以转速5 000 r/min进行剪切40 min，后将高速剪切机转速降至2 000 r/min进行剪切20 min，完成后将SBR改性沥青进行溶胀发育，即制成SBR改性沥青。

1.2.2 纳米Al2O3/SBR复合改性沥青制备方法

首先置基质沥青于85 ℃的烘箱，待完全融化时称取一定质量的基质沥青放置于高速剪切机下的加热炉上，在温度140 ℃加热20 min，加热过程中不断进行搅拌，搅拌过程中加入5%掺量的纳米Al2O3，待纳米Al2O3与基质沥青基本融合，打开高速剪切机并以转速5 000 r/min进行剪切40 min，接着向沥青中掺入4%掺量的SBR，保持转速5 000 r/min继续剪切40 min，后将高速剪切机转速降至2 000 r/min进行剪切20 min，完成后将复合改性沥青进行溶胀发育，即制成纳米Al2O3/SBR复合改性沥青。

2 试验结果分析

2.1 常规性能试验

按照试验规程[10]进行常规性能的试验，试验结果如表4所示。

表4 基质沥青和复合改性沥青的基本性能指标

由表4看出，在向SBR改性沥青中掺入纳米Al2O3，复合改性沥青的针入度较SBR单一改性沥青与基质沥青有着显著的下降趋势，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青、SBR改性沥青、基质沥青的针入度分别为51.9（0.1 mm）、57.0（0.1 mm）、63.1（0.1 mm），复合改性沥青的针入度较SBR改性沥青减小了8.95%，较基质沥青降低了17.62%。针入度表示的是沥青稠度，由此可知向基质沥青中掺入SBR，改性沥青的稠度增大，向SBR改性沥青中掺入纳米Al2O3，复合改性沥青的稠度得到进一步增大。

随着纳米Al2O3的掺入，使得复合改性沥青的软化点增高，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青、SBR改性沥青、基质沥青的软化点分别为57.2 ℃、48.6 ℃、46.2 ℃，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的软化点较SBR单一改性沥青提高了17.70%，较基质沥青提高了23.81%，说明纳米Al2O3对增高沥青软化点的作用显著。软化点表示的是沥青高温稳定性、耐高温性能，由试验结果可知，SBR的掺入可以改善沥青的高温稳定性但作用不是特别明显，随着纳米Al2O3的掺入，改性沥青的高温性能得到显著提高。复合改性沥青的延度增高，但也满足要求。

综上所述，向基质沥青掺入SBR，可以改善沥青的高温性能，随后在SBR改性沥青中掺入纳米Al2O3，能够显著提高改性沥青的高温性能。

2.2 动态剪切流变试验

试验使用美国TA公司厂家，型号为DHR-1的动态剪切流变仪，主要对基质沥青、SBR单一改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青三种沥青进行高温性能研究，按照试验规程进行DSR试验。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的试验数据得出：

（1）基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的复数剪切模量G*随着温度的不断升高而减小，三种沥青的变化趋势基本相同，在同样的中高温下，复合改性沥青的复数剪切模量明显大于SBR改性沥青和基质沥青，SBR改性沥青的复数剪切模量大于基质沥青，比如在58 ℃时，基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的复数剪切模量分别为3.82 kPa、5.04 kPa、6.03 kPa，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的复数剪切模量比SBR改性沥青的大19.64%，比基质沥青的大57.85%。这表明在同一中高温度下，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的抗剪切能力最好，运用在沥青路面中，能够更好地抵抗住所受到的车辆反复荷载。

（2）基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的相位角δ随着温度的不断升高而增加，在同样的温度下，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的相位角相比较最小，其次是SBR改性沥青，基质沥青的相位角最大，在70 ℃时，基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的相位角分别为88.77°、86.95°、83.37°，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的相位角比SBR改性沥青的小1.82°，比基质沥青的小5.4°。表明随着纳米Al2O3的掺入改变了沥青的黏弹性，使沥青中弹性物质与黏性物质的比例升高，在路面受到变形时，有着更好的恢复能力而不至于造成破坏。

（3）基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ随温度的上升而降低，在同样的中高温下，复合改性沥青的车辙因子是最高的，基质沥青的车辙因子是最小的，在70 ℃时，基质沥青、SBR改性沥青、纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的车辙因子分别为0.74 kPa、1.12 kPa、1.98 kPa，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的车辙因子较SBR改性沥青增大了0.86 kPa，较基质沥青增大了1.24 kPa。这表明随着纳米Al2O3掺入，能够很好地抵抗车辙变形，纳米Al2O3/SBR复合改性沥青的抗车辙能力最强，纳米Al2O3的加入使SBR改性沥青高温性能得到显著提高。