疏水性纳米SiO2改性沥青性能研究

周宏斌 董伟智 徐 楠 张 贺 张哲铭

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 130118)

0 引言

在北方严寒地区，由于气温较低且温差较大，极易出现沥青路面开裂的情况[1]，因此对沥青的低温性能有很高的要求，而基质沥青的低温性能较差，无法满足严寒地区沥青路面的使用要求，因此需要寻找一种外加剂对基质沥青进行改性来提高其路用性能[2]。

纳米材料作为一种新兴材料，近年来被广泛运用于对沥青的改性[3]。叶中辰等[4]人使用纳米SiO2对基质沥青进行改性，发现纳米SiO2的加入改善了沥青的抗老化性能，但其低温性能反而有所降低；樊亮等[5]人研究了纳米TiO2对沥青性能的影响，发现TiO2改性提高了沥青的耐久性和抗老化性，但对沥青的低温性能有不利影响；张文刚等[6]人通过纳米ZnO 对沥青进行改性，发现纳米ZnO 可以提高沥青的高低温性能，但提升幅度很小，关阳等[7]人探究了纳米CaCO3对沥青性能的影响，发现纳米CaCO3的加入能提高沥青的高温性能，并能提高混合料的水稳定性，但其低温略有下降。

如今，大多数纳米材料对沥青低温性能的改善都不是十分理想，这里选用疏水性纳米SiO2对沥青进行改性，疏水性纳米SiO2是在纳米SiO2的基础上进行化学改性，减少了表面的羟基，使纳米SiO2由亲水性变为疏水性，大大降低了发生表面失水及水解反应的可能，对沥青的低温性能反而有积极作用[8]。

目前，对于往沥青中掺加疏水性纳米SiO2的研究较少，本文通过三大指标及黏度试验来研究不同掺量的疏水性纳米SiO2对改性沥青性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验沥青

选用90 号沥青作为基质沥青。

1.2 疏水性纳米SiO2

试验中所用的疏水性纳米SiO2选自江苏淮安某新材料加工厂，外观为白色粉末如图1.1 所示。具体参数如下表1.1。

图1.1 疏水性纳米SiO2

表1.1 疏水性纳米SiO2参数表

1.3 改性沥青的制备工艺

将基质沥青置于145℃烘箱中加热2h，将热好的沥青倒入烧杯并称重，后放入145℃的油浴中保温，称取沥青质量1%的疏水性纳米SiO2粉末，然后将粉末分批量多次加入沥青中，并且在加入过程中用玻璃棒不断搅拌，使其在基质沥青中分散均匀至肉眼看不见白色粉末为止，后用高速剪切机以3000r/min 的速率剪切60min[9]。其中每用高速剪切机搅拌4min 后要暂停4min使机器冷却。用相同的方法制备2-7%的改性沥青。

1.4 针入度试验方法

选择25℃、15℃和30℃三个温度作为试验温度，将试样置于恒温水浴中保温1.5h 后放入针入度试验仪进行试验，分别至少进行三次平行试验，对满足误差的三个针入度值取平均。

1.5 软化点试验方法

采用环球法进行软化点试验，制备试样时沥青需要略高于环面，后用热刮刀刮平，在低温水浴中保温15min 后放入软化点仪进行试验，进行两次平行试验取平均值。

1.6 延度试验方法

选择5℃作为试验温度，拉伸速度为1cm/min，制备试样时沥青需略高于模具表面，后用热刮刀刮平，在低温水浴中保温1.5h 后放入延度仪中进行试验，进行三次平行试验取平均值。

1.7 黏度试验方法

试验温度选择135℃，将沥青倒入试筒中后与转子一起放入135℃烘箱加热1.5h，采用布式黏度计进行试验，打开加热装置提前预热，将热好的试筒放入仪器中。降低仪器高度，使转子恰好完全浸入沥青中，保温15min 后进行黏度试验。转子的型号为RV（05），转速选择120RPM。

2 试验结果及分析

2.1 疏水性纳米SiO2 对基质沥青三大指标的影响

由图2.1 可见，疏水性纳米SiO2改性沥青的25℃针入度会随着疏水性纳米SiO2掺量的增加而逐渐减小，沥青的硬度变大。当掺量大于5%时，针入度明显减小；当掺量为4%时，针入度下降较为缓慢。

图2.1 25℃针入度

如图2.2 所示，改性沥青的软化点随着掺量的提高，大致呈上升趋势，但提升不大。当疏水性纳米SiO2掺量为1%-3%时，软化点上升较快，当掺量为4%-6%时，软化点几乎不再上涨，当掺量为7%时，软化点反而开始下降。由此可以看出，当疏水性纳米SiO2掺量为3%-6%时，改性沥青的高温性能比较好，当掺量达到7%时为过掺情况，反而对高温性能产生不利影响[10]。

图2.2 软化点

由图2.3 可以看出，开始时改性沥青的延度会随着疏水性纳米SiO2掺量的增加而提高，当掺量为4%时，改性沥青的延度最大，低温性能最好。随着掺量的继续提升，延度逐渐下降，这是由于掺量过大，沥青的比例降低，反而破坏了改性沥青的低温性能。

图2.3 5℃延度

针入度可反映沥青在常温状态下的抗变形能力，而软化点可以大致反映沥青的高温性能，软化点越高，沥青的高温性能越好；同时，沥青的低温性能也可大致通过延度来评价，延度越高，沥青的低温性能越好。综上所述，疏水性纳米SiO2的加入小幅提升了基质沥青的高温性能，但对于沥青的低温性能有极大的提升，当掺量为4%时，相较于不掺提升幅度达到77.6%。

2.2 疏水性纳米SiO2 对基质沥青黏度的影响

从图2.4 可以看出，改性沥青的135℃黏度会随着疏水性纳米SiO2掺量的提高而不断增大，这是由于随着掺量的增加，分散在沥青里的组分也在增加，增加了与沥青间的粘附性，从而增大了改性沥青的黏度。此外，当疏水性纳米SiO2掺量小于4%时，沥青黏度增长较为缓慢；当掺量大于4%时,沥青黏度明显增长，其中当掺量为4%时，黏度增长幅度最大，为15.3%，越有助于改性沥青黏度的提高。

图2.4 135℃黏度

3 结论与展望

（1）通过三大指标试验和黏度试验，发现疏水性纳米SiO2可以提高沥青在常温状态下的抗变形能力，小幅提升沥青的高温性能，但当掺量过大（7%）时会产生不利影响；另外，疏水性纳米SiO2的加入可提高沥青的低温性能和黏度，当掺量为4%时改性沥青的延度最高为32.5cm，黏度增长率也达到峰值15.3%。

（2）综合试验结果，可选择4%掺量的疏水性纳米SiO2作为较优的改性沥青，其黏度增长率达到15.3%，和基质沥青相比，高温性能提高了9.8%，低温性能提高了77.6%。

（3）通过试验证明了疏水性纳米SiO2确实能提高沥青的低温性能，且能小幅改善沥青的高温性能，接下来可通过制备沥青混合料来进一步确定疏水性纳米SiO2的最佳掺量；另外也可与能提高沥青高温性能的改性剂，如SBS等复合来综合提高沥青的路用性能。

（4）市场上大多数纳米材料对沥青的低温性能有不利影响，通过本文的研究，可知可以通过降低纳米材料发生表面失水及水解反应的可能来改善其改性效果，未来在纳米材料的应用过程中，可制备更多的疏水性纳米材料，进一步加强纳米材料改性沥青的路用性能。