纳米CaCO_3_SBR复...青及混合料路用性能试验研究_周本涛.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期59纳米 CaCO3/SBR 复合改性沥青及混合料路用性能试验研究周本涛（河南交投商罗高速公路有限公司，河南郑州 450000）摘要：为研究纳米 CaCO3对 SBR 复合改性沥青及混合料性能的影响，首先通过室内试验评价了纳米 CaCO3用量对SBR 复合改性沥青性能的影响规律，然后探讨了不同纳米 CaCO3用量下 SBR 复合改性沥青混合料的高温性能、低温性能及水稳定性能。试验结果表明：纳米 CaCO3能够改善改性沥青的抗高温性能，但对抗低温韧性有所削弱；纳米 CaCO3能够明显提高改性沥青混合的高温抗车辙能力和抗水损害性能，但不利于其低温抗裂性能。综合建议纳米CaCO3用量不宜大于 5%。关键词：纳米 CaCO3；SBR；改性沥青；沥青混合料；路用性能中图分类号：U 414Experimental Study on Road Performance of Nano CaCO3/SBR Composite Modifi ed Asphalt and Its MixtureZHOU Ben-tao(Henan Transport Investment Shangluo Expressway Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to study the infl uence of nano CaCO3 on the performance of SBR composite modifi ed asphalt and its mixture,the infl uence of nano CaCO3 content on the performance of SBR composite modifi ed asphalt was evaluated through laboratory tests,and then the high-temperature performance,low-temperature performance and water stability of SBR composite modifi ed asphalt mixture under diff erent nano CaCO3 content were discussed.The test results show that nano CaCO3 can improve the high temperature resistance of modifi ed asphalt,but the low temperature toughness is weakened.Nano CaCO3 can signifi cantly improve the high-temperature rutting resistance and water damage resistance of modifi ed asphalt mixture,but it is not conducive to its low-temperature crack resistance.It is recommended that the amount of nano CaCO3 should not be greater than 5%.Key words:nano CaCO3;SBR;modifi ed asphalt;asphalt mixtures;road performanceSBR 以低温性能好、价格低廉等特点广泛应用于道路建设中，但在实际应用中逐渐发现其高温性能不是很好，这也成为其无法大量推广应用的弱点1-3。为了改善这一问题，专家学者尝试了大量试验研究，其中纳米材料以原材料成本低、比表面积大、表面原子活性强等特点，深受学者们的关注，而且目前已有研究表明，纳米材料与基质沥青结合具有良好的相容性，能够明显改善基质沥青的高温性能，而对低温性能效果不佳4-6。为了综合提高基质沥青的各项性能，研究学者开始将纳米材料与聚合物改性剂复合制备出综合性能良好的改性沥青，肖田等7将纳米膨润土与 SBR 复掺研究了复合改性沥青的基本性能，结果表明，其针入度降低、软化点升高，延度呈先升高后降低趋势。董天威8通过有机化纳米 ZnO与聚合物 SBS、SBR 复合制备并研究了纳米 ZnO/SBS/SBR 复合改性沥青在老化前后的常规性能和流变性能，并对其混合料的路用性能进行评价，结果发现复合改性沥青同时兼具了纳米 ZnO 的抗老化能力和 SBS 的高温稳定性，以及 SBR 的低温抗裂性，使三种改性剂的性能在改性沥青中发挥了最大作用，综合性能达到了最佳效果。陈正伟等9将有机化纳米 CaCO3和 TiO2掺入 SBR改性沥青中，研究了改性沥青的高低温和抗老化性能，发现相对于基质沥青而言，不仅具备较高的抗车辙能力，而且低温性能和抗老化性能也得到明显改善。为充分利用纳米 CaCO3和 SBR 在提高改性沥青性能的各自优势，通过室内试验研制一种综合性能较高的沥青产品，为工程实践应用提供理论基础。1 原材料与配合比设计1.1 原材料性能试验采用埃索 70 号基质沥青，其基本性能见表 1。选用山东某纳米科技公司生产的纳米 CaCO3粉末，其尺寸较小，粒径分布在 1540 nm 之间，比表面积不低于40m2/g，pH 值 9.0 左右，研究表明10，由于纳米 CaCO3表面活性强，加入沥青中很容易聚集，分散效果较差，因此在试验前先选用 KH-570 型硅烷偶联剂和无水乙醇作者简介：周本涛，本科，工程师，主要从事高速公路路基路面或桥梁建设研究。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.04160周本涛 纳米 CaCO3/SBR 复合改性沥青及混合料路用性能试验研究对纳米 CaCO3进行表面处理。SBR 由上海某化工厂生产，具有较好的拉伸强度和断裂伸长率。除沥青材料外，矿料性质及级配的好坏也是影响沥青混合料性能的重要因素，粗集料在混合料中起着重要的骨架支撑作用，而细集料和填料起到填充密实的功能。因此，应选用强度较高、表面粗糙、无杂质、与沥青粘附性能较好的矿料，本文在试验中选用玄武岩粗集料，粗集料分为三挡：9.513.2 mm、4.759.5 mm、2.364.75 mm，其物理力学性质见表 2。细集料选用石灰岩机制砂，填料采用石灰岩经碾碎、磨细的矿粉，其技术性质分别见表 3 和表 4。表 1 基质沥青技术性能Table 1 Technical performance of base asphalt评价指标指标要求试验结果针入度(25,5s,100g)/0.1cm608068.5软化点(环球法)/4549.6延度(10)/cm1524.5相对密度(25)实测1.032RTFOT 残留物质量变化/%-0.80.80.21残留针入度比(25)/%6163.8残留延度(10)/cm68.6表 2 粗集料物理力学性质Table 2 Physical and mechanical properties of coarse aggregate技术指标玄武岩粗集料测试结果9.513.2 mm4.759.5 mm2.364.75 mm毛体积相对密度2.8472.8412.852表观相对密度2.8192.8162.8132洛杉矶磨耗率/%14.213.813.6石料压碎值/%15.2吸水率/%0.420.530.66针片状含量/%4.375.24水洗法 0.3mm)/%4.112亚甲蓝值/(g/kg)1.11.5表 4 矿粉技术性质Table 4 Technical properties of mineral powder技术指标实测值技术要求表观相对密度2.7162.5含水率/%0.141加热安定性无变化实测外观无团粒结块无团粒结块亲水系数0.6311.2 配合比设计结合实际工程经验，改性沥青混合料一般用于高等级路面的上面层和中面层，上面层一般采用 AC-13 级配，因此本文试验中采用 AC-13 级配作为验证 CaCO3/SBR复合改性沥青混合料性能的矿料级配，其级配组成见表5。并由此级配结合室内马歇尔试验测试结果，得到试件的马歇尔稳定度、流值、空隙率、饱和度等一系列力学参数和体积参数与油石比的关系，在满足各参数指标要求的前提下最终分别得到 SBR 改性沥青、CaCO3/SBR复合改性沥青混合料的最佳油石比为 4.85%和 4.92%。表 5 矿料级配 AC-13 组成设计表Table 5 Composition design table of mineral aggregate grading AC-13AC-13 级配筛孔大小(mm)及通过率(%)1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配上限100100856850382820158级配下限100906828241510754合成级配10097.57856.534.327.5231411.66.52 复合改性沥青制备与性能 2.1 改性沥青制备首先将基质沥青放入 135 恒温烘箱中加热至热熔流淌状态，然后取出置于电炉上继续加热，并不停采用玻璃棒搅拌，搅拌 5min 后加入 4%（占沥青质量的百分比）的 SBR 改性剂，并采用高速剪切机以 3500r/min 转速剪切 30min，放入 140 恒温烘箱中溶胀发育 1h 制备得到 SBR 改性沥青。然后在制备的 SBR 改性沥青基础上缓缓加入提前按比例称取的纳米 CaCO3，在高速剪切机 5000r/min 转速下剪切 45min 后，得到 CaCO3/SBR 复合改性沥青，以上整个改性沥青制备过程中保证沥青内部温度控制在 1455 内11。2.2 沥青性能为评价复合改性沥青性能，分别对 4%SBR 改性沥青、4%SBR+1%CaCO3改性沥青、4%SBR+3%CaCO3改性沥青、4%SBR+5%CaCO3改性沥青、4%SBR+7%CaCO3改性沥青等 5 种改性沥青进行针入度、软化点和延度试验，试验结果如图 1 所示。-1012345678545658606264666825针入度/01mm 25针入度软化点 5延度CaCO3 掺量/%505560657075软化点/15202530354045505延度图 1 不同 CaCO3用量的沥青三大指标变化规律Fig.1 Variation law of three major indicators with different CaCO3 dosage从图 1 可以看出，随着 CaCO3掺量的加大，针入度呈现先降低后增加现象，在其掺量大于 5%后存在轻微上升趋势，而软化点整体上呈增长趋势，但大于 5%后开始下降，5 延度在 CaCO3掺量 5%之前缓慢降低，超过 5%之后下降较为明显。说明 CaCO3可以增加沥青的粘度，降低其温度敏感性，提高了沥青的高温性能，但 CaCO3的加入对于低温性能有一定负面影响，降低了改性沥青的低温柔韧性。3 沥青混合料路用性能3.1 高温稳定性车辙、拥包等病害是沥青混合料高温稳定性不足产生的结果，当车辙深度较大时会严重影响驾驶员的行车舒适度，甚至会危及行车安全。针对沥青混合料高温稳定性的评价方法较多，比如加速加载试验、单轴或三轴压缩试验及车辙试验等，但结合室内试验与现场实践对比发现，车辙试验更接近于实际，符合车轮实际运行状况，合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期61因此，本文选择车辙试验用于评价 CaCO3/SBR 复合改性沥青混合料的高温稳定性，试验温度为 60，轮载压力为 0.7MPa，评价指标为动稳定度，试验结果绘制于图 2。-10123456783400360038004000420044004600动稳定度/次mm-1CaCO3 掺量/%图 2 改性沥青混合料动稳定度变化曲线Fig.2 Dynamic stab