纳米TiO2对沥青及沥青混合料性能影响研究*

高 运

（新乡市交通运输综合服务中心，河南新乡453000）

沥青路面是我国高速公路的主要结构形式，具有行车舒适、建养方便和可回收利用等优点。但沥青为有机高分子材料，运营过程中在太阳紫外线照射下容易发生紫外老化，致使沥青组分及分子结构改变，物理性能下降[1-4]，从而降低路面结构使用寿命，因而研究改善沥青抗紫外老化性能具有重要意义。

纳米TiO2具有无毒无害、经济环保等特点，在化妆品和涂料等行业已得到广泛利用[5-8]，近年来相关学者提出采用纳米TiO2改性沥青，以提高其抗紫外老化性能，目前已取得一定成果。梁慧等研究了纳米TiO2对沥青紫外老化前后三大指标的影响，发现紫外老化后掺有纳米TiO2的沥青针入度和延度明显较高，而软化点较低[9]；于江等基于傅里叶红外光谱分析法研究了纳米TiO2对紫外老化前后沥青中官能团的影响，发现掺入1.5%的TiO2能有效提高沥青抗紫外老化性能[10]；李欣研究了纳米TiO2类型对沥青抗老化性能的影响，发现三种类型纳米TiO2均能使抗老化性能得到改善，且改善效果由优到劣排序依次为金红石型、混晶型和锐钛型[11]。

现有关于纳米TiO2对沥青性能的影响研究多着眼于其抗紫外老化性能，较少涉及沥青混合料路用性能，故研究掌握纳米TiO2对沥青混合料路用性能的影响十分重要。为此，制备纳米TiO2改性沥青，就其紫外老化前后的高低温性能变化规律分别进行研究，进而制备相应沥青混合料分析纳米TiO2对其路用性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）沥青

采用SBS(I-C)改性沥青进行试验研究，主要技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，见表1。

表1 SBS(I-C)改性沥青主要技术指标Table 1 Main technical indicators of SBS (I-C) modif ied asphalt

（2）集料和级配

粗细集料均采用玄武岩，主要技术指标见表2，填料为石灰岩矿粉，级配采用SMA-13，其各筛孔通过率见表3。

表2 集料技术指标Table 2 Aggregate technical indicators

表3 SMA-13集料级配Table 3 SMA-13 aggregate gradation

1.2 纳米TiO2改性沥青制备

纳米TiO2粒径极小，容易因纳米粒子表面效应、范德华力和布朗运动等作用产生团聚[12-13]，影响其对沥青的改性效果。为保证制备的纳米TiO2改性沥青分散效果良好，将SBS改性沥青加热至165℃±5℃，用玻璃棒以60r/min速率搅拌5min，进而改用高速剪切机以8000r/min速率剪切30min，即可制得纳米TiO2改性沥青。

2 紫外老化前后纳米TiO2改性沥青高低温性能变化规律

分别制备纳米TiO2掺量为0%、1%、2%和3%（掺量为沥青质量分数）的改性沥青置于163℃条件RTFOT中保温85min模拟短期老化，进而移入紫外加速老化箱分别进行0h、2h、4h和6h紫外老化（紫外光波长365nm，辐射强度0.05W/cm2），而后进行DSR和BBR试验研究其老化前后高低温性能变化规律。

2.1 高温性能变化规律

DSR试验可获取沥青复数模量和相位角，其中复数模量表征沥青抗变形能力大小，值越大高温抗变形能力越好，相位角表征沥青中粘弹比例，值越小表征沥青越接近完全弹性体，高温变形恢复能力越好。为此，分别对各个纳米TiO2掺量和紫外老化时间条件下的沥青进行DSR试验，温度64℃，频率10rad/s，得出其复数模量和相位角试验结果分别如图1和图2所示。

图1 紫外老化时间和纳米TiO2掺量对沥青复数模量影响Fig. 1 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on complex modulus of asphalt

图2 紫外老化时间和纳米TiO2掺量对沥青相位角影响Fig. 2 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on asphalt phase angle

由图1和图2可知，随着紫外老化时间延长，沥青复数模量增加，表明沥青抗变形能力增强，而相位角降低，表明沥青高温下变形恢复能力提高，其中紫外老化时间由0h增加至6h时，0%、1%、2%和3%掺量的纳米TiO2改性沥青复数模量分别增加2.83倍、2.65倍、2.55倍和2.58倍，而相位角分别下降8.1%、5.3%、4.3%和3.9%；对未进行紫外老化的沥青，随着纳米TiO2掺量的提高，其复数模量逐渐增加，抗变形能力增强，而相位角则基本不变，分析原因可能为粉末状纳米TiO2的掺入使沥青粘度增加，故高温下更不容易产生变形，而其并未改变沥青中粘弹比例，因而相位角不变。

在沥青中掺入纳米TiO2能有效改善其抗紫外老化性能，且随掺量的提高改善效果逐渐变好，但掺量超过2%后改善效率降低，其中纳米TiO2掺量为0%、1%、2%和3%的沥青复数模量随紫外老化时间变化线平均斜率分别为1.98、1.79、1.64和1.59，而相位角随紫外老化时间变化线平均斜率分别为1.00、0.70、0.52和0.47，显然紫外老化对掺有纳米TiO2沥青的复数模量和相位角影响更小，其沥青性能更接近老化前的原样沥青，这是由于纳米TiO2对紫外线具有吸收、反射和散射作用，但纳米TiO2比表面积较大，掺量超出一定范围后其颗料在沥青表面重叠，对紫外线的作用面积增加不明显，故掺量超过2%后对沥青抗紫外老化性能的改善效率降低；随着紫外老化时间延长，各个纳米TiO2掺量的沥青复数模量和相位角均呈线性变化趋势，表明纳米TiO2对紫外线的屏蔽效应不随紫外老化时间的延长而衰减，耐久性较好。

2.2 低温性能变化规律

BBR试验可获取沥青低温劲度模量和蠕变速率，其中劲度模量表征沥青低温变形能力大小，值越大变形能力越差，低温下越容易开裂，蠕变速率表征沥青低温应力松弛能力，值越大沥青温度应力消散越快，低温性能越好。为此，分别对各个纳米TiO2掺量和紫外老化时间条件下的沥青进行BBR试验，温度-18℃，得出试验时间为60s时其劲度模量和蠕变速率试验结果分别如图3和图4所示。

图3 紫外老化时间和纳米TiO2掺量对沥青劲度模量影响Fig. 3 Effect of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on stiffness modulus of asphalt

图4 紫外老化时间和纳米TiO2掺量对沥青蠕变速率影响Fig. 4 Effects of ultraviolet aging time and nano-titanium dioxide content on creep rate of asphalt

由图3和图4可知，随着紫外老化时间延长，沥青劲度模量增加，蠕变速率降低，表明沥青低温变形能力和应力松弛能力变差，容易开裂，其中紫外老化时间由0h增加至6h时，0%、1%、2%和3%掺量的纳米TiO2改性沥青劲度模量分别增加17.7%、11.3%、8.2%和6.7%，而蠕变速率分别下降13.4%、7.1%、3.7%和1.7%；对未进行紫外老化的沥青，随着纳米TiO2掺量的提高，其劲度模量逐渐增加，蠕变速率逐渐下降，此时沥青低温性能降低。

在沥青中掺入纳米TiO2能有效改善其低温抗紫外老化性能，且随掺量的提高改善效果逐渐变好，但掺量超过2%后改善效率降低，其中紫外老化时间为0h时纳米TiO2掺量为1%、2%和3%的沥青劲度模量分别较未掺纳米TiO2的沥青高1.5%、2.4%和3.0%，蠕变速率分别较其低1.7%、3.1%和4.2%，而紫外老化时间为6h时，纳米TiO2掺量为1%、2%和3%的沥青劲度模量分别较未掺纳米TiO2的沥青低3.9%、5.8%和6.6%，蠕变速率则分别较其高5.4%、7.7%和8.7%，显然掺入纳米TiO2后紫外老化对沥青劲度模量造成的增加速率和对蠕变速率造成的降低速率均减小，低温抗紫外老化性能提高。

3 纳米TiO2对沥青混合料路用性能影响

3.1 高温稳定性

高温时沥青粘度下降，混合料抗剪强度降低，此时在汽车荷载作用下路面容易产生车辙、推移和拥包等病害，影响路面使用寿命和行车安全，因而要求沥青混合料高温稳定性良好。故为研究纳米TiO2对沥青混合料高温稳定性的影响，分别制备纳米TiO2掺量为0%、1%、2%和3%的沥青混合料进行车辙试验，温度60℃，轮压0.7MPa，结果如图5所示。

图5 纳米纳米TiO2掺量对沥青混合料高温稳定性的影响Fig. 5 Effect of nano-titanium dioxide content on high temperature stability of asphalt mixture

由图5可知，随着纳米TiO2掺量增加，沥青混合料动稳定度逐渐增加，表明沥青混合料高温稳定性逐渐提高，其中纳米TiO2掺量为1%、2%和3%的沥青混合料动稳定度分别为3898次/mm、3926次/mm和3969次/mm，较未掺入纳米TiO2的沥青混合料分别高1.5%、2.2%和3.3%，且各个纳米TiO2掺量的沥青混合料动稳定度仍明显大于3000次/mm，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对改性SMA沥青混合料高温稳定性的要求。

3.2 低温抗裂性

低温时沥青粘度提高，混合料变形能力降低，此时低温收缩在混合料内部造成的温度应力逐渐累积，当该应力超过沥青混合料断裂强度即产生开裂，破坏沥青路面结构整体性，且水会从裂缝下渗，因而要求沥青混合料低温抗裂性良好。故为研究纳米TiO2对沥青混合料低温抗裂性的影响，分别制备纳米TiO2掺量为0%、1%、2%和3%的沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，温度-10℃，结果如图6所示。

图6 纳米TiO2掺量对沥青混合料低温抗裂性的影响Fig. 6 Effect of nano-titanium dioxide content on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由图6可知，随着纳米TiO2掺量增加，沥青混合料低温破坏应变逐渐降低，表明沥青混合料低温抗裂性逐渐变差，其中纳米TiO2掺量为1%、2%和3%的沥青混合料低温破坏应变分别为3612με、3556με和3522με，较未掺入纳米TiO2的沥青混合料分别低1.2%、2.7%和3.6%，但各个纳米TiO2掺量的沥青混合料低温破坏应变仍明显大于3000με，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对冬严寒区改性沥青混合料低温抗裂性的要求。

3.3 水稳定性

集料为亲水憎油型材料，故在水和荷载综合作用下，水会逐渐侵蚀沥青-集料界面，使沥青从集料表面剥落，最终造成松散和坑槽等水损坏现象，因而要求沥青混合料水稳定性良好。故为研究纳米TiO2对沥青混合料水稳定性的影响，分别制备纳米TiO2掺量为0%、1%、2%和3%的沥青混合料进行冻融劈裂试验，结果如图7所示。

图7 纳米TiO2掺量对沥青混合料水稳定性的影响Fig.7 Effect of nano-titanium dioxide content on water stability of asphalt mixture

由图7可知，各个纳米TiO2掺量的沥青混合料冻融劈裂强度比在一定范围波动，纳米TiO2掺量为0%时值最大为88.9%，较纳米TiO2掺量为1%时的最小值87.6%高1.3%，相差较小，表明纳米TiO2对沥青混合料水稳定性基本无影响，其中各个纳米TiO2掺量的沥青混合料冻融劈裂强度比均明显大于80%，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对改性SMA沥青混合料水稳定性的要求。

4 结论

（1）在沥青中掺入纳米TiO2能提高其高温抗变形能力，对其粘弹性则基本无影响，但其低温变形能力和应力松弛能力降低，总体表现为高温性能提高，低温性能变差，且掺量越高两种现象表现越明显。

（2）纳米TiO2能有效改善沥青抗紫外老化性能，且掺量越高改善效果越好，但掺量超过2%后改善效率降低；纳米TiO2对沥青抗紫外老化性能的改善作用耐久性良好。

（3）纳米TiO2能使沥青混合料高温稳定性提高，低温抗裂性能降低，对水稳定性则基本无影响，但掺有纳米TiO2的沥青混合料各项路用性能均满足规范对高速公路用沥青混合料性能的相关要求。