基于納米技術的改性瀝青
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為了消除制備過程中加熱對改性效果的影響（主要是瀝青老化），對基質瀝青也進行同樣的加工處理，以使改性效果評價更為準確。添加不同質量分數（相對于基質瀝青）的未表面改性納米Ⅰ，并經第1．2節工藝①制備的改性瀝青，其基本路用性能如表1所示。由表1可以看出，添加納米Ⅰ后基質瀝青的針入度減小，軟化點和粘度提高，延度降低，且添加量越大，改善效果越明顯。納米Ⅰ具有巨大的比表面積，其表面能量可以顯著改變瀝青的性能，使瀝青的高溫性能得以提高，如質量分數為7％時，軟化點可以提高10℃，60℃粘度提高了3倍以上；但納米Ⅰ的摻入可能會造成低溫性能的下降。
表面改性工藝對瀝青性能的影響
采用直接從市場上購買的3種常用成品表面改性納米Ⅰ粒子制備改性瀝青，制備工藝按第1．2節中工藝①，納米粒子質量分數均為基質瀝青的5％。試驗結果與基質瀝青性能相比，評價其改性效果；并與未改性的納米Ⅰ粒子相比，評價表面改性的影響。試驗結果如表2所示。由表2可以看出，各種表面改性納米Ⅰ的摻入，使得基質瀝青性能均有不同程度的改變，如軟化點與粘度有不同程度的提高，延度有所降低，針入度則沒有明顯的變化規律。而與未改性的納米Ⅰ相比，改性之后對基質瀝青性能的改善效果不但沒有提高，反而有所削弱。原因可能是，本文中所選用的幾種方案，均為復合材料領域常用的方案，在改性瀝青領域尚無前人嘗試過；或者是由于市售產品的質量問題，未能實現納米粒子的有效改性所致。總之，試驗結果表明，這些方案并不適合于瀝青改性，同時也說明，納米粒子的表面改性對瀝青的性能有顯著影響，不同的表面改性工藝導致不同的改性效果，應根據基體材料的特殊屬性選擇適宜的改性方案。為此，本文中提出了如第1．2節中所述的改性瀝青制備工藝②，以獲得性能較好且能夠穩定相容的改性瀝青，具體試驗結果述于下文。
改性瀝青性能
采用第1．2節中工藝②所述的方案制備改性瀝青，試驗結果如表3所示，其中分散劑的用量為占納米Ⅰ粒子的質量分數。由表3可以看出，采用不同的分散劑以及不同的用量，所得改性瀝青的性能差異很大。盡管分散劑的用量非常少，只是納米Ⅰ用量的百分之幾，與基質瀝青相比更是微乎其微，但對最終性能的影響卻有顯著差異。在所有的方案中，針入度最大相差1．5mm，軟化點最大相差3．6℃，延度最大相差10cm，粘度相差3倍。在制備過程中，分散劑的用量應適宜，太少不能形成分散效果，過多又會在粒子表面形成多分子吸附層，造成分散劑與基體的接觸，不能充分發揮納米粒子自身的功能特性，同時表面過量的自由高分子鏈也容易發生橋連，顆粒變大沉降，使相容體系失穩［19］。根據試驗結果，主要考慮軟化點與粘度等高溫指標，綜合考慮其他性能，可以發現：采用A作為分散劑，在摻量（質量分數，后文同）為7％時效果最好；使用B作為分散劑，在摻量為1．5％時效果最好；使用C作為分散劑，在摻量為2％時效果最好。其中又以添加2％C的方案為最優，與添加未改性納米Ⅰ的瀝青相比，軟化點和粘度均有顯著的提高，因此該方案是目前的最佳改性方案，性能評價中也采用此方案。需要說明的是，現有試驗方法反映的是改性瀝青的宏觀性能，對于納米粒子在基質瀝青中的微觀分布，筆者計劃采用微觀觀測的手段進一步研究，限于篇幅，相關成果將于另文給出。
納米Ⅰ與SBS復合改性瀝青
為了評價納米Ⅰ對聚合物改性瀝青性能的影響，本文中采用第1．2節中工藝③的方案制備納米Ⅰ與SBS復合改性瀝青，試驗結果如表4所示。由表4可以看出，納米Ⅰ與SBS復合改性瀝青在SBS改性瀝青的基礎上高、低溫性能均有所提高，具體表現為軟化點和粘度等高溫指標的提高，且低溫延度并沒有降低反而有所增加。同時隨著納米Ⅰ摻量的增加，改變效果更為顯著。因此納米Ⅰ與SBS復合改性的方案在實際生產中，只需要有用于制作SBS改性瀝青的高速剪切設備即可，無需增加額外設備。2．5DSR試驗DSR試驗選用BohlinInstrument生產的CVO100型自動流變儀，根據Superpave瀝青結合料規范，以10rad•s－1的固定角速率（頻率為1．59Hz）進行動態剪切。試驗按照AASHTOT315規范操作，選擇車轍因子作為評價指標，結果如表5所示。由表5可以看出，以64℃的車轍因子作為高溫評價指標，不論是基質瀝青還是SBS改性瀝青，納米Ⅰ的加入都可以明顯改善其高溫性能。如果不考慮老化的影響，以原樣瀝青G＊／sin（δ）＞1．0kPa作為高溫分級標準，納米Ⅰ改性瀝青比基質瀝青提高了2個溫度等級，與SBS改性瀝青相當，而納米Ⅰ與SBS復合改性瀝青在此基礎上又提高了1個溫度等級，表明納米Ⅰ可以顯著提高瀝青的高溫性能。
零剪切粘度指標
隨著路面膠結料新材料的出現和相關研究工作的不斷深入，尤其是改性瀝青在公路施工中的大量使用，人們發現車轍因子與改性瀝青混合料的抗車轍性能關聯性較差，即用車轍因子很難正確地預測改性瀝青混合料的抗車轍性能［20］。近年來，研究發現瀝青膠結料的零剪切粘度（ZSV）與瀝青混合料的抗車轍性能有較好的關聯性，其不僅適用于重交瀝青，而且也適用于改性瀝青［21－23］。該指標的提出在以歐洲為首的許多國家和地區引起了廣泛的關注。由表6可以看出，根據頻率掃描試驗結果計算所得的ZSV與試驗所得的布氏粘度在數值上有一定出入，但某規律是一致的，即粘度由大到小依次為5％SBS＋5％Ⅰ，5％SBS，5％Ⅰ＋2％C，AH－70。由圖1可以看出，4種瀝青的復合粘度均隨著頻率的增加而降低，明顯表現出非牛頓流體的特性，即剪切觸變性。同時可以看出，隨著頻率的增加，納米Ⅰ加入的影響逐漸減弱，如頻率大于1Hz時，基質瀝青AH－70與5％Ⅰ＋2％C改性瀝青試驗結果基本吻合；頻率大于3Hz時，SBS改性瀝青與5％SBS＋5％Ⅰ復合改性瀝青的試驗結果趨于一致，表明納米Ⅰ在低頻條件下對瀝青性能的影響可能更為顯著。根據時溫等效原則，低頻對應高溫，因此納米Ⅰ對于改善瀝青在高溫條件下的性能將更為顯著。
BBR試驗
BBR試驗采用CannonInstrument生產的TE－BBR設備，采用氣動加載方式，可實現精確預加載、卸荷和試驗過程中的恒荷控制，試驗溫度設定為－12℃，按AASHTOT313規范的試驗方法進行。試驗得到4種瀝青的蠕變勁度隨時間變化規律如圖2所示，30s時的蠕變勁度S和蠕變速率m如表7所示。SHRP研究認為，若瀝青材料的S太大，則呈現脆性，路面容易開裂破壞，而表征瀝青勁度隨時間的變化率m值越大，則意味著當溫度下降使路面產生收縮時，結合料的響應如同降低了材料的勁度，從而導致材料中的拉應力減小，低溫開裂的可能性也隨之減小。由圖2和表7可以看出，4種瀝青均能夠滿足在30s時的S＜300MPa，m＞0．3的要求，因此均滿足－22的低溫等級。5％Ⅰ＋2％C的蠕變速率m值小于基質瀝青AH－70，說明納米Ⅰ的加入降低了基質瀝青的低溫抗斷裂性能，這與低溫延度指標的結果是一致的。而對于SBS改性瀝青，納米Ⅰ的加入則使m值增大，提高了低溫性能，這也與低溫延度指標的規律一致。然而SBS改性瀝青的m值比基質瀝青小很多，若據此推斷SBS改性瀝青的低溫性能差是不科學的，因為大量試驗數據和工程經驗表明SBS可改善瀝青的低溫性能［24－27］。有研究指出［28］，由于彈性體類（如SBS）改性瀝青的應力松弛模式同塑性體類及非改性瀝青有顯著的差異，導致PG分級往往會低估彈性體類（如SBS）改性瀝青的低溫抗裂能力。因此，納米改性瀝青的低溫性能還有待進一步研究。
本文作者：孫璐1，2朱浩然1辛憲濤1王鴻遙3顧文鈞2作者單位：1東南大學2美國天主教大學3煙臺市公路管理局
