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标题

纳米二氧化硅含量对沥青混合料性能的影响

范文

祝雯霞

摘?????要：为了减少沥青混合料所产生的诸如永久性变形、疲劳和水损等破坏现象，进一步提高沥青混合料性能显得尤为重要。纳米材料因其在力学、热学和电学性能等方面的优势，在沥青改性中得到了广泛的应用。通过分别向PG64-22号沥青中加入0.5%～6.0%不同剂量的纳米二氧化硅，发现纳米二氧化硅添加剂会对沥青混合料性能产生一定的影响。采用差示扫描量热法、热重分析、傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜技术研究了纳米二氧化硅对沥青的改性效果，并进行了定量分析，同时依据动态剪切流变学、车辙试验和粘附性分析试验确定了最佳纳米二氧化硅改性剂含量。

关??键??词：纳米二氧化硅;沥青混合料性能;改性剂含量

中图分类号：TQ 027.3+6???????文献标识码：?A ?????文章编号：?1671-0460（2019）11-2553-04

Effect of Nano-silica Content on the Performance of Asphalt Mixture

ZHU Wen-xia

（Xi'an International University，?Shaanxi Xi'an 710077，?China）

Abstract： In order to reduce the damage of asphalt mixture， such as permanent deformation， fatigue and water damage?and so on，?it is especially important to further improve the performance of asphalt mixture.Nano-structured materials have been widely applied in the modification of asphalt mixture due to their good mechanical， thermal and electrical propertiess.In this paper， the effect of adding nano-silica into PG64-22 asphalt at various contents from 0.5% to 6.0% was evaluated. Morphological， rheological and thermal analysis techniques were used to quantify the effect of asphalt binder modification. The optimum nano-silica content was mainly determined by dynamic shear rheometry，asphalt fatigue and rutting tests and adhesion analysis.

Keyword：?Nano-silica; Performance of asphalt mixture; Optimum modifier content

由于交通量的日益加重、车辆载荷的不断增加，不得不通过沥青改性的方法来提高沥青混合料路面的路用性能。以前常用一些聚合物改性的方法，比如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-橡膠或橡胶改性。而现在通过纳米材料对沥青进行微观改性已经成为了一种趋势[1]。

用纳米材料对沥青进行改性与现有的沥青改性方法截然不同，较小的尺寸和较大的接触面积是导致性能改善的重要因素，最佳浓度和最佳剂量是次要因素。因此纳米材料改性剂能够在涂料中表现出优异的性能。纳米材料改性剂有纳米氧化锌，纳米氧化铝，纳米二氧化硅等。这些添加剂都有助于提高材料的耐蚀性、机械性能和防紫外线的性能[2]。

硅在自然界中常见于砂子和石英，以及硅藻的细胞壁中。纳米二氧化硅具有比表面积大、吸附能力强、分散性好、化学纯度高、稳定性好等特点。纳米二氧化硅通过增加防水性来改善涂料的性能，并作为传统有机添加剂的替代品，可以防止微生物、物理和化学恶化等，达到表面防护的作用。常被用作添加剂、催化剂载体、橡胶强度剂、石墨黏度剂等，近年来又被用作沥青改性剂[3]。

本文通过向沥青中加入不同含量的纳米二氧化硅改性剂，浓度分别为沥青含量的0.5%～6%，并通过差示扫描量热法、热重分析、傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜技术研究了改性剂对沥青化学成分和流变性能的影响。

1 ?实验部分

1.1 ?试验目的

本研究的主要目的是在评价纳米二氧化硅对沥青改性作用的基础上，确定改性剂的最佳掺量。本研究采用DSR疲劳试验、车辙试验以及BBS试验，分析了纳米材料改性剂对沥青混合料的改性效果。

1.2??试验材料

试验材料见表1。本研究中使用的二氧化硅是一种气相二氧化硅，也称热成因二氧化硅，因为它是在火焰中生成的，由微观无定型二氧化硅液滴熔融成分枝状、链状的三维二次颗粒后再凝聚成三级颗粒。所得粉末的容重极低，表面积大。其三维结构使其用作增稠剂或增强填料时具有增粘、触变性能。其表面积在175～225 m2/g之间，密度为2.2 g/cm2。

分别采用沥青含量0.5%、3%、6%的纳米二氧化硅对沥青进行改性。试验表明，由于纳米二氧化硅具有较高的弹性模量和较高的降解温度，从而提高了沥青在高温环境下的性能，并提高了沥青的中间临界温度。

2??材料特性

2.1??傅里叶变换红外光谱分析

该试验是基于红外光谱研究样品的分子结构，红外辐射通过样品时部分被吸收，部分通过透射散发。通过将添加改性剂前后样品的红外光谱进行对比分析，可以了解改性剂对沥青的改性效果[4]。试验结果如图1所示。由图可知，纳米二氧化硅有三个特征带，分别是：第一个是高强度带在1 050 cm-1波谷处，第二个是低强度带在850 cm-1波谷处，第三个是高强度带在450 cm-1波谷处。正和预期一致，这些基团的强度随着改性粘合剂中纳米二氧化硅含量的增加而增加，且不超过二氧化硅的自身强度，从而为改性剂的最佳掺量提供了证据。

2.2 ?原子力显微镜分析

采用AFM（原子力显微镜分析）法分析了改性剂在沥青中的分布。该试验可以看出样品的分布、三维结构及表面的粗糙程度，但不能看出改性剂在沥青混合料的分布和掺量，分析结果如图2所示。由图2可知，在基质沥青中加入改性剂会增加沥青表面粗糙度（峰值纹理值），这可能与颗粒联锁及改性剂刚度有关，同时也是纳米二氧化硅改性剂存在于沥青中的有利证据。

2.3??差示扫描量热分析

DSC（差示扫描量热分析）被广泛应用于一阶跃迁引起的热跃迁的测定，比如可结晶物体的融化与结晶[5]。Tg（玻璃化转变）被认为是发生在样品的非晶区域的二阶现象，但很大程度上取决于材料的性质及其可结晶组分的含量（DH?—热焓），也可由图3定义。在玻璃化转变温度以下，沥青表现为玻璃状脆性并直接影响其疲劳性能。

表2显示了不同种类沥青的计算参数。基质沥青的起始温度为-45.7 ℃，改性沥青的起始温度在-40～-50 ℃之间。基质沥青与改性沥青的玻璃化温度有显著差别，可以看出加入改性剂之后Tg明显降低，且对熔融温度Tm几乎没有影响，即加入纳米二氧化硅改性剂能够明显改善沥青的低温抗裂性能。

2.4??热重量分析

TGA（热重量分析）是一种热分析方法，在这种方法中，材料的物理和化学性质的变化被看做为温度循环增加或减少的函数（在恒定的升温速率下），或作为时间的函数（在恒定的温度或恒定的质量损失下）来测定的。TGA通过分析沥青由于分解、氧化或会发而产生的质量增减，进行定性分析。

图4是该试验TGA分析结果，其中质量开始损失时的温度为起始温度，质量损失变化率最高的点称为拐点（由质量损失曲线的一阶导数取得）。试验表明：所有沥青样品的分解温度为750 ℃，在此温度下纳米二氧化硅的质量损失仅为2.1%。因此，通过热稳定性良好的纳米二氧化硅改性沥青，应该可以改善沥青的高温性能。

为了还原实际的生产条件，表3对比了不同沥青样本在200 ℃高温下的质量损失，同时还显示了沥青质量损失过程中的分解温度、拐点温度及残余量。试验表明：掺量为6%的纳米二氧化硅改性沥青热稳定性最好，200 ℃时质量损失仅为0.18%。基质沥青的分解温度为255.3 ℃，但是隨着添加剂纳米二氧化硅含量的增加，改性沥青的分解温度逐渐降低，且拐点温度及残余量也逐渐提高。

3 ?纳米二氧化硅对沥青的改性效果

3.1 ?疲劳性能

本文采用DSR试验（动态剪切流变试验）来评价沥青的疲劳性能，试验温度为22 ℃，角频率为10 rad/s，试验结果如图5所示。试验表明：所有沥青试件在黏弹性范围内随着初始模量衰减出现一次损伤区，伴随损伤的进一步加剧随后出现了二次损伤区。将两次损伤区之间且“相角-时间”曲线斜率为零时的点称为拐点。

分别计算每一条疲劳曲线的时间拐点和G*值，并与沥青模量降低50%时所消耗的时间进行对比，结果如表4所示。可以看出：向沥青中掺加0.5%的纳米二氧化硅改性剂，改性沥青的疲劳性能降低;向沥青中分别掺加3%和6%的纳米二氧化硅改性剂，改性沥青的疲劳性能明显提升;当纳米二氧化硅改性剂的掺量为3%时，改性沥青的疲劳性能最好;当改性剂含量超过6%时，随着改性剂含量的

增加，改性沥青的疲劳性能反而明显降低，这可能是因为改性剂的硬度和结晶含量对沥青疲劳性能产生了负面影响。

3.2??抗车辙性能

本文采用重复蠕变试验来评价沥青的抗车辙性能。重复蠕变试验的试验条件是：64 ℃高温、剪切压力100 Pa、试件施加300个载荷循环。根据试验规范，蠕变时间为1.0 s。试验结果如图6所示。试验表明：加入纳米二氧化硅的改性沥青混合料的抗车辙性能均强于基质沥青混合料。这主要是因为改性剂的刚度和晶体含量有助于提升沥青混合料的抗车辙性能。

3.3 ?粘附性

為了将集料-沥青之间的机械联锁最小化，以确保粘附测量值与材料之间的热力学相互作用相对应，试验前应对集料表面进行抛光，然后放入超声波浴中去除表面的残留物。本文通过BBS试验得到的抗拉强度值来评价沥青混合料之间的粘附性。试验条件：加载速率为100 psi/s，试件在40 ℃水浴浸泡48 h且室温环境存放24 h，每种试件需做两个试样。试验表明：随着改性剂纳米二氧化硅含量的增加，混合料粘附性逐渐增强。然而，当改性剂含量达到一定剂量时（>3%），混合料粘附性有下降趋势。

本文采用BSR（干-湿情况下的粘结强度比）来进一步验证改性沥青混合料的粘附性。试验表明：改性沥青混合料的BSR值均高于基质沥青混合料的BSR值;当改性剂含量为3%时，改性沥青混合料的粘附性最好。试验结果如表5所示。

3.4 ?确定改性剂最佳掺量

将上述试验所得到的沥青混合料性能进行对比分析，结果如表5所示，总共分为1、2、3、4四个等级，1表示性能最好，4表示性能最差。从表中可以看出：改性剂含量为3%和6%的纳米二氧化硅混合料其热稳定性能较好，抗永久性车辙能力较高，有良好的低温稳定性和粘附性。

从经济条件考虑，改性剂掺量为3%更为适宜。

4??结?论

（1）采用纳米二氧化硅能够改善沥青混合料的物理性能和热稳定性，且能够提高沥青混合料颗粒间的互锁程度，从而改善混合料的粗糙度;

（2）随着纳米二氧化硅的加入，混合料中可结晶组分的含量增加导致混合料热稳性提高，从而改善了混合料抗永久性变形的能力;

（3）采用纳米二氧化硅改性沥青混合料会降低混合料的玻璃转变温度，从而在一定程度上提高沥青混合料的粘附性;

（4）参考试验结果并综合考虑沥青混合料的各项路用性能和经济指标，给出纳米二氧化硅改性剂的最佳掺量为沥清质量的3%。

参考文献：

[1]Aguiar-Moya JP. Evaluation of adhesion properties of Costa Rican asphalt mixtures using the bitumen bond strength （BBS） and contact angle measurement tests[C]. Proceedings of the Transportation Research Board Annual Meeting，（Washington， DC.） 2013

[2]Allen RG. Structural characterization of micromechanical properties in asphalt using atomic force microscopy[D] .College Station， TX，2010.

[3]Bahia HU. Hanson，（D I Zeng， M） Characterization of modified asphalt binders in Superpave Mix Design [R]. NCHRP Report No.459， 2001.

[4]Thermo Nicolet Corporation. Introduction to Fourier transform infrared spectroscopy [EB/OL]. 2013.

[5]Newman J K. Dynamic shear rheological properties of polymer-modified asphalt binders [J]. Journal of Elastomers and Plastics， 2015， 30（3）， 245-263.

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