2024年4月28日发(作者：闵韵梅)
内蒙古公路与运输
总第
170
期
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
39
文章编号
：
1005
-
0574
-
（
2019）
02
-
0039
-
04
DOI:10.19332/j.
cnki.
1005
-
0574.2019.02.009
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性与
SBS
改性沥青高温性能对比研究
张怡文
，
张壮
（
长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室
，
陕西西安
710064
）
摘要:通过沥青针入度
、
软化点
、
布氏旋转黏度
、
DSR
试验
，
评价两种类型的改性沥青
(SBS
改性沥青
、
纳米
SiO
’
-SBS
复
合改性沥青)在不同改性剂用量下
(3.5%
、
4%
,4.5%
、
5%)
的高温性能
。
结果表明:
SBS
改性剂和纳米
SiO
：
-SBS
复合改性剂均
能有效改善沥青的髙温性能
，
且改性沥青的高温性能随改性剂用量的增加而提高;纳米
SiO?-SBS
复合改性沥青的高温性能
较
SBS
改性沥青更好
;
改性剂用量较大时
,
采用纳米
SiO?-SBS
复合改性剂
,
能够降低生产成本
,
提高沥青路用性能
。
关键词:
SBS;
纳米
SiO
’
-SBS
复合改性剂
；
改性沥青
;
DSR
；
高温性能
中图分类号:
U416.21
文献标识码:
A
Abstract:
Through
the
cone
penetration
test,
softening
point
test,
viscosity
test
and
DSR
test,
the
high
temperature
perfor
mances
of
two
types
of
modified
asphalt
(SBS
modified
asphalt
,
nano-SiCh-SBS
compound
modified
asphalt
)
at
the
different
dosages
(3.5%,
4%,
4.5%,
5%)
were
evaluated.
The
results
show
that
both
SBS
modifier
and
nano
-
SiCh-SBS
composite
modifier
can
effec
tively
improve
the
high
temperature
performance
of
asphalt,
and the high
temperature
performance
of
modified
asphalt
improves
with
the
increase
of
modifier
dosage
;
the
high
temperature
performance
of
nano-Si0
2
-SBS
composite
modified
asphalt
is
better
than
SBS
modified
asphalt
;
when
the
amount
of
modifier
is
large
,
the
nano
—
SiCh
—
SBS
composite
modifier
can
reduce
the
production
cost
and
improve
the
asphalt
pavement
performance.
Key
words
:
SBS
,
nano
-
sis-SBS
composite
modifier
,
modified
asphalt
,
DSR
,
high
temperature
performance
1
引言
相对较低的生产成本
（
12000
元
/t
）
和好的改性效果
，
纳
随着公路交通事业的发展
，
交通量和轴载不断增
米
SiO?
作为改性剂逐渐应用于沥青材料中
。
孙璐
3
等
加
，
同时由于夏季持续高温的影响
，
导致路面易岀现车
研究表明
，
纳米
SiO2
作为改性剂
，
在确保沥青的低温性
辙
、
拥包
、
泛油等病害
，
严重影响道路质量
,
缩短道路使
能及水稳定性的前提下
，
能显著提高沥青的高温性
用周期
。
为延缓路面病害的出现,近年来
，
各种类型的
能
。叶中辰问等对纳米
S©
掺量
5%
的改性沥青老化性
改性剂被广泛应用其中以
SBS
聚合物应用最为普
能及黏温特性进行分析
,
研究结果表明纳米
SiCh
有效改
遍
W
SBS
能够与沥青质作用形成三维网状结构，
其对
善了沥青的抗老化性
，
改性沥青的黏度也优于普通沥
沥青的高温性能有显著改善作用
。
但在实际应用中
，
由
青
。
G.H.
Shafabakhsh
等问研究表明
，
纳米
TiO?
和纳米
于
SBS
成本较高
（
20000
元
/t
）
,
改性剂使用量过多时并不
SiO?
能有效改善沥青的高温性能和流变特性
。
经济
，
因此
，
寻找相对便宜且性能良好的新材料代替
SBS
综上考虑,认为采用纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂
，
能
改性剂用以改善沥青性能
，
将成为新的研究方向
。
够在降低经济成本的基础上
，
在相同改性剂用量下
，
表
纳米材料作为一种新型材料
，
具有比表面积大
、
活
现出较
SBS
改性沥青同等甚至更好的性能
。
故研究中
性高
、
粒径小等特点
。
研究表明
3",
纳米材料能显著提
选取
SBS
聚合物
、
纳米
Si02
作为改性剂
，
制备
SBS
改性
高沥青的高温性能
，
而且其特殊的表面与界面效应可
沥青和纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青
,
通过沥青针入度
使沥青的低温性能也得以改善
。
纳米二氧化硅
（
nano-
试验
、
软化点试验
、
布氏旋转黏度试验
、
DSR
试验对改
Si02
）
是一种无机化工材料
,
其微观结构呈现絮状和网
性沥青性能进行测试
，
对比分析
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
状的准颗粒
，
具有提高材料抗老化
、
强度等性能
。
由于
复合改性剂对沥青高温性能的影响
。
作者简介:张怡文
（
1994-
）
,
女,陕西咸阳人
，
硕士研究生
，
研究方向:道路工程材料
。
40
内蒙古公路与运输
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
2019
年第
2
期
2
原材料和试验准备
试验所用沥青为
SK90#
基质沥青
,
其技术指标如表
2.1
原材料
表
1
技术指标
1
所示
。
SK90#
基质沥青技术指标
单位
0.1
mm
cm
试验方法
T0604
规范要求范围
80-100
试验值
84
>100
针入度
延度
(
15
七)
T0605
T0606
M100
^42
软化点
°C
48.3
试验采用岳阳石化生产的道改
2
型
SBS
聚合物
，
其技术指标如表
2
所示
。
表
2
SBS
聚合物技术指标
SBS
型号
道改
2
结构
嵌段比
(S/B)
挥发分
(%)
300%
拉伸强度
(MPa)
扯断伸长率
(%)
硬度
(邵氏
A
值)
82
熔体流动速率
(g/10min)
定伸应力
2.5
星型
30/70
W0.5
12
M600
0-1.0
试验所用纳米
SiO
：
物理性质如表
3
所示
。
表
3
型号
SP30
纳米
SQ2
物理性质
含量
(％)
99.5
外观
粒径
(
mm
)
30
±5
比表面
(m/g)
220
±
30
PH
值
白色粉末
5-7
2.2
沥青样品设计
下
。
剪切完成后,将改性沥青在
180
弋烘箱中发育
lh,
并不定时搅拌防止离析
。
以基质沥青作为对照组,将实验组分为两组
。
第一组变化
SBS
的掺量
(
3.5%
、
4%
,4.5%
、
5%)
对基
3
3.1
试验及结果分析
针入度
、软化点试验
按照
《
公路工程沥青及沥青混合料试验规程
》
(JTG
质沥青进行改性;考虑到降低成本的需要,以纳米
SiO?
：
SBS
为
8
：
2
的比例制备纳米
SiCh-SBS
复合改性剂
，
变化
复合改性剂的掺量
(0.7%
SBS
+
2.8%
Si02
、
0.8%
SBS
+
E20-2011)
规定的方法
T0604-201
1
、
T0605-201
1
,
测试
各沥青样品的针入度
、
软化点
。
试验结果如图
1
所示
。
3.2%
SiC>2
、
0.9%
SBS
+3.6%
SiO?
、
l%
SBS
+4%
SiCh)
对
基质沥青进行改性
。
试验中共准备
9
份沥青试样
,
两组实验组改性沥青
改性剂的掺量保持一致
。
2.3
改性沥青的制备
试验采用德国弗鲁克
FLUKO
高速剪切机,在一定
转速下将改性材料剪切成极细的微粒,通过转子的高
速率长时间的转动
，
使已经微粒化的改性剂与沥青均
匀混溶
。
改性沥青改性工艺流程为
：
制备改性沥青时
，
先将沥青加热到
160T
并保持温
沥侍类型
图
1
沥青样品针入度
、
软化点测试值
度基本不变
，
然后将改性材料均匀加入沥青中
。
打开
搅拌设备
,
以
2500r/min
的速度持续搅拌
30min,
使其与
图
1
给出了各沥青样品针入度和软化点的试验结
果
。
由图可以看出
，
与基质沥青相比
，
两种类型的改性
沥青混合均匀
。
再使用高速剪切机以
4000r/min~
5000r/min
的速度剪切
30min,
剪切温度控制在
180T
以
沥青均表现岀针入度降低
、
软化点升高的变化趋势
。
总第
170
期
张怡文等:纳米
SiO2-SBS
复合改性与
SBS
改性沥青高温性能对比研究
41
针入度降低表明沥青温度敏感性减小
,
沥青变得更硬
，
从而提高沥青抵抗行车荷载的能力
。
软化点一定程度
上反映了高温条件下沥青的稳定性
，
软化点高的沥青
不易发生永久变形
，
高温稳定性好
。
此外
，
对两种改性
剂而言
，
改性效果均随改性剂掺量的增多而有所提
高
。
由于纳米
SiO?
比表面积大
、
密度小
、
吸附能力强
，
能够与基质沥青中的
e
键发生反应
,
使得沥青的流动性
降低
，
进一步影响沥青性能
。
故在相同的改性剂掺量
下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青针入度
、
软化点的变化
较
SBS
改性沥青更明显,即纳米
SiO2
-SBS
复合改性剂较
SBS
改善沥青高温性能更好
。
3.2
布氏旋转黏度试验
按照
《
公路工程沥青及沥青混合料试验规程
》
(JTG
E20-201
1
)T0625-201
1
规定的方法
,采用布氏旋转黏度
仪
，
选择
27
号转子
,
以
20r/min
转在
135
1
条件下测定沥
青样品的表观黏度进行测量
。
试验结果如图
2
所示
。
图
2
沥青样品布氏黏度试验结果
由黏度试验结果可知
，
两种改性沥青的黏度均较
基质沥青高
,
随改性剂掺量的增多而逐渐增加,并且都
小于规范要求的
3Pa
・
s,
说明改性沥青具有良好的施工
和易性
。
此外
，
在改性剂掺量相同的情况下
，
纳米
SiO
2
-
SBS
复合改性沥青较
SBS
改性沥青的黏度更大
。
一方
面由于纳米颗粒和
SBS
在沥青中均能形成的网络交联
结构,增加沥青的黏结力
；
另一方面由于纳米
Si02
颗粒
粒径更小
，
比表面积更大
,
更能有效吸收沥青中的轻质
组分
，
使得沥青质增多
，
沥青黏结力进一步增大
。基于
上述原因
，
在同等改性剂用量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改
性沥青较
SBS
改性沥青黏度更高
。
3.3
DSR
试验
为了表征沥青的基本流变性能
，
进行动态剪切试
验
。
试验仪器为动态流变剪切仪
(DSR),
其基本原理是
对沥青样品施加一个交变应力
/
应变
,
考察其应变
/
应力
随时间的变化
，
复数模量
(G*)
和相位角
(
6)
是试验中主
要的试验参数
。
试验中采用
DSR
对沥青样品进行动态
剪切流变试验
，
在
1.59Hz
作用频率
,58T
~76
七的温度
范围下
，
对直径
25mm
、
厚
1mm
的沥青试样进行测定
。
试验结果如图
3
所示
，
图
3
和图
4
分别为沥青试样复数
模量
G*
和相位角
6
随温度变化的曲线
。
20000
£
18000
o
3.5%SBS
*
O
□
4%SBS
O
16000
A
•
S
14000
a
4.5%SBS
聚
12000
A
2
o
5%SBS
10000
:°
♦
0.7%SBS+2.8%SiO2
Q
・
・
0.8%SBS+3.2%SiO2
8000
H
•
o
0
.
a
6000
x
0.9%SBS+3.6%SiO2
*
9
B
：
・
•
：
q
；
4000
x
g
•曽召
・
l%SBS+4%SiO2
2000
x
?
q
!
x
基质沥青
艮
9
0
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
温度(尤)
图
3
沥青胶结料的复数模量测试结果
由图
3
可以看岀
，
两种改性沥青的复数模量均较基
质沥青大
，
并且随改性剂掺量的增加而增大
，
随温度的
升高而减小
。
即当温度不变时
，
随着改性剂掺量的增
加
，
改性沥青在动态荷载下抗变形的能力增强;而当改
性剂掺量不变时
，
由于温度升高
，
沥青趋于流动
，
致使
改性沥青在动态加载下抗变形能力有所下降,但仍优
于基质沥青
。
此外,对比分析发现
，
在相同改性剂掺量
下
，
纳米
SO-SBS
复合改性沥青的复数模量较
SBS
改性
沥青更高
，
即表明纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青比
SBS
改
性沥青有更好的抗变形能力
。
沥青被认为是粘弹性材料
，
而相位角对改性沥青
的物理和化学结构非常敏感
，相位角为
90
。
和
0
。
的沥
青分别显示出纯粹的粘性行为和纯粹的弹性行为
。
由
图
4
可知,两种改性沥青的相位角均较基质沥青更小
;
随着温度的升高
,
改性沥青相位角逐渐增大
，
说明沥青
的流动性随温度的上升而增大;在温度不变的情况下
，
随着改性剂掺量的增多
，
改性沥青的相位角减小
，
说明
改性剂赋予了沥青弹性性质,
改性剂掺量越多
，
弹性性
能表现越明显
。
此外
，
在相同的改性剂掺量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青的相位角相对
SBS
沥青更小
,
表
明纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青表现出更好的弹性性
能
。
内蒙古公路与运输
42
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
2019
年第
2
期
84
o3.5%SBS
①
作为改性剂,
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
复合材料
,
均
80
x
□
4%SBS
能有效改善沥青的高温性能。
莊
x
o
a
4.5%SBS
圧
早
78
x
o
・
x
o
o
5%SBS
②
随着改性剂掺量的增加
，
改善效果更明显
。
76
x
。
:
K
：
：
•
；
。
：
6
♦
0.7%SBS+2.8%SiO2
•
□
•
A
・
0.8%SBS+3.2%SiO2
③
相同改性剂用量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂
72
o
D
：
；
°
°
・
0.9%SBS+3.6%SiO2
•
l%SBS+4%SiO2
的改性效果较
SBS
更好
。
68
70
«
;
・
•
x
基质沥育
④
纳米
SiO
：
部分替代
SBS
作为改性剂
，
能够更好地
66
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
改善沥青的路用性能
，
并降低生产成本。
温度代)
参考文献
图
4
沥青胶结料的相位角测试结果
[1]
Nazari
H
,
Naderi
K,
Nejad
F
M.
Improving
aging
resistance
and
fatigue
图
5
为沥青样品车辙因子
(G*/Sin8)
计算结果
。
由
performance
of
asphalt
binders
using
inorganic
nanoparticles[J].
Construe
图可知
，
改性沥青的车辙因子均较基质沥青大,且改性
tion
&
Building
Materials
,2018,170:591
-602.
[2]
Cai
L,
Shi
X
,
Xue
J.
Laboratory
evaluation
of
composed
modified
asphalt
沥青的车辙因子随改性剂掺量的增加而上升
，
表明改性
binder
and
mixture
containing
nano-
silica/rock
asphalt/SBS[JJ.
Construe
沥青的抗车辙能力由于改性剂掺量的增加而显著改
tion&
Building
Materials
,
2018
,
172:204-211.
善
。
由于纳米
Si02
比表面积大
，
在沥青中起到填充和增
[3]
Xu
0,
Rangaraju
P
R,
Wang
S,
et
al.
Comparison
of
rheological
properties
强作用
，
这种作用进一步提高沥青的黏度和黏结力
，
降
and
hot
storage
characteristics
of
asphalt
binders
modified
with
devulca
nized
ground
tire
rubber
and
other
modifiers[J].
Construction
&
Building
低沥青对车辙的敏感性
。
故在相同改性剂掺量下
，
纳米
Materials
,2017,154:841-84
&
SO-SBS
复合改性沥青较
SBS
改性沥青的车辙因子更大
。
[4]
Zani
L,
Giustozzi
F,
Harvey
J.
Effect
of
storage
stability
on
chemical
and
综合各沥青样品的复数模量
、
相位角和车辙因子
rheological
properties
of
polymer-
modified
asphalt
binders
for
road
pave
ment
construction^].
Construction
&
Building
Materials
,
2017
,
145
.
测试结果可以看出
,
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂的
[5]
Behnood
A
,
Olek
J.
Rheological
properties
of
asphalt
binders
modified
with
使用
,
均能显著改善高温条件下沥青的抗车辙
、
抗变形
styrene-
butadiene-styrene
(
SBS
)
,
ground
tire
rubber
(
GTR
)
,
or
polyphos
能力
，
使改性沥青具备更好的高温性能和流变特性
。
phoric
acid
(PPA)[J].
Construction
&
Building
Materials,
2017,151
：
464-
47
&
[6]
Yildirim
Y.
Polymer
modified
asphalt
binders[J].
Construction
&
Building
由于沥青样品在动态剪切过程中,
SBS
形成的网状结果
Materials
,
2007,21(1):66-
72.
有可能被破坏
，
而纳米
SiCh
的加入
，
可能在沥青内部与
[7]
梁皓•多聚磷酸与
SBS
复合改性沥青的工艺研究
[J]
•公路交通科技:应
SBS
和各组分之间发生了更为复杂的作用
，
因此
，
在相
用技术版
,2014,(12):149-
151.
同的试验条件及改性剂用量下
,
纳米
SiO
2
-SBS
复合改
[8]
Polacco
G,
Muscente
A,
Biondi
D,
et
al.
Effect
of
composition
on
the
prop
erties
of
SEBS
modified
asphaltsfj].
European
Polymer
Journal,
2006,42(5
)
：
性剂更具优势
。
1113-
1121.
22000
[9]
Khodary
F,
Ei-sadek
M
S
A,
Ei-sheshtawv
H
S,
et
al.
Mechanical
proper
20000
o3.5%SBS
ties
of
modified
asphalt
concrete
mixtures
using
Ca(0H)2
nano
material[J].
18000
a4%SBS
16000
a
4.5%SBS
International
Journal
of
Civil
Engineering
&
Technology,
2014,
5(5)
：
61-
6
&
14000
o
5%SBS
[10]
Arabani
M
,
Haghi
A
K,Tanzadeh
R.
Laboratory
study
on
the
effect
of
na
12000
•
0.7%SBS+2.8%SiO2
■
0.8%SBS+3.2%SiO2
no-SiC
)
2
on
improvement
fatigue
performance
of
aged
asphalt
pavementfC].
10000
8000
a
0.9%SBS+3.6%SiO2
Proceedings
of the
4th
International
Conference
on
Nanostructures.
Kish
6000
・
2%SBS+3%SiO2
Island,IR
Iran.
2012:12-14.
4000
x
基质沥青
[11]
叶超，
陈华鑫•纳米
Si02
和纳米
TiO?
改性沥青路用性能研究
[J].
新型
2000
0
建筑材料
,2009,36(6):82
-
84.
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
[12]
孙璐,辛宪涛
，
于鹏•纳米
SiO?
改性沥青混合料的路用性能
[J].
公路
图
5
沥青胶结料的车辙因子计算结果
交通科技
,2013,30(8):1
-5.
[13]
叶中辰
，
武星.纳米
Si02
改性沥青老化性能及黏温特性研究
[J].
中外
4
结语
公路
,2017,(06):271
-273.
工程实际应用中
,
通常采用
SBS
聚合物来改善沥青
[14]
Shafabakhsh
G
H
,
Ani
0
J.
Experimental
investigation
of
effect
of
Nano
的高温性能
。
考虑到材料成本问题以及对改性效果的
TiO,
/Si02,
modified
bitumen
on
the
rutting
and
fatigue
performance
of
asphalt
mixtures
containing
steel
slag
aggregates[J].
Construction
&
Build
优化
，
采用价格相对便宜的纳米
SiO?
部分替代
SBS,
对
ing
Materials
,2015,98:692-
702.
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青和
SBS
改性沥青的高温性
能进行对比研究
,
得出如下结论
：
收稿日期
:2018-09-02
2024年4月28日发(作者：闵韵梅)
内蒙古公路与运输
总第
170
期
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
39
文章编号
：
1005
-
0574
-
（
2019）
02
-
0039
-
04
DOI:10.19332/j.
cnki.
1005
-
0574.2019.02.009
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性与
SBS
改性沥青高温性能对比研究
张怡文
，
张壮
（
长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室
，
陕西西安
710064
）
摘要:通过沥青针入度
、
软化点
、
布氏旋转黏度
、
DSR
试验
，
评价两种类型的改性沥青
(SBS
改性沥青
、
纳米
SiO
’
-SBS
复
合改性沥青)在不同改性剂用量下
(3.5%
、
4%
,4.5%
、
5%)
的高温性能
。
结果表明:
SBS
改性剂和纳米
SiO
：
-SBS
复合改性剂均
能有效改善沥青的髙温性能
，
且改性沥青的高温性能随改性剂用量的增加而提高;纳米
SiO?-SBS
复合改性沥青的高温性能
较
SBS
改性沥青更好
;
改性剂用量较大时
,
采用纳米
SiO?-SBS
复合改性剂
,
能够降低生产成本
,
提高沥青路用性能
。
关键词:
SBS;
纳米
SiO
’
-SBS
复合改性剂
；
改性沥青
;
DSR
；
高温性能
中图分类号:
U416.21
文献标识码:
A
Abstract:
Through
the
cone
penetration
test,
softening
point
test,
viscosity
test
and
DSR
test,
the
high
temperature
perfor
mances
of
two
types
of
modified
asphalt
(SBS
modified
asphalt
,
nano-SiCh-SBS
compound
modified
asphalt
)
at
the
different
dosages
(3.5%,
4%,
4.5%,
5%)
were
evaluated.
The
results
show
that
both
SBS
modifier
and
nano
-
SiCh-SBS
composite
modifier
can
effec
tively
improve
the
high
temperature
performance
of
asphalt,
and the high
temperature
performance
of
modified
asphalt
improves
with
the
increase
of
modifier
dosage
;
the
high
temperature
performance
of
nano-Si0
2
-SBS
composite
modified
asphalt
is
better
than
SBS
modified
asphalt
;
when
the
amount
of
modifier
is
large
,
the
nano
—
SiCh
—
SBS
composite
modifier
can
reduce
the
production
cost
and
improve
the
asphalt
pavement
performance.
Key
words
:
SBS
,
nano
-
sis-SBS
composite
modifier
,
modified
asphalt
,
DSR
,
high
temperature
performance
1
引言
相对较低的生产成本
（
12000
元
/t
）
和好的改性效果
，
纳
随着公路交通事业的发展
，
交通量和轴载不断增
米
SiO?
作为改性剂逐渐应用于沥青材料中
。
孙璐
3
等
加
，
同时由于夏季持续高温的影响
，
导致路面易岀现车
研究表明
，
纳米
SiO2
作为改性剂
，
在确保沥青的低温性
辙
、
拥包
、
泛油等病害
，
严重影响道路质量
,
缩短道路使
能及水稳定性的前提下
，
能显著提高沥青的高温性
用周期
。
为延缓路面病害的出现,近年来
，
各种类型的
能
。叶中辰问等对纳米
S©
掺量
5%
的改性沥青老化性
改性剂被广泛应用其中以
SBS
聚合物应用最为普
能及黏温特性进行分析
,
研究结果表明纳米
SiCh
有效改
遍
W
SBS
能够与沥青质作用形成三维网状结构，
其对
善了沥青的抗老化性
，
改性沥青的黏度也优于普通沥
沥青的高温性能有显著改善作用
。
但在实际应用中
，
由
青
。
G.H.
Shafabakhsh
等问研究表明
，
纳米
TiO?
和纳米
于
SBS
成本较高
（
20000
元
/t
）
,
改性剂使用量过多时并不
SiO?
能有效改善沥青的高温性能和流变特性
。
经济
，
因此
，
寻找相对便宜且性能良好的新材料代替
SBS
综上考虑,认为采用纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂
，
能
改性剂用以改善沥青性能
，
将成为新的研究方向
。
够在降低经济成本的基础上
，
在相同改性剂用量下
，
表
纳米材料作为一种新型材料
，
具有比表面积大
、
活
现出较
SBS
改性沥青同等甚至更好的性能
。
故研究中
性高
、
粒径小等特点
。
研究表明
3",
纳米材料能显著提
选取
SBS
聚合物
、
纳米
Si02
作为改性剂
，
制备
SBS
改性
高沥青的高温性能
，
而且其特殊的表面与界面效应可
沥青和纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青
,
通过沥青针入度
使沥青的低温性能也得以改善
。
纳米二氧化硅
（
nano-
试验
、
软化点试验
、
布氏旋转黏度试验
、
DSR
试验对改
Si02
）
是一种无机化工材料
,
其微观结构呈现絮状和网
性沥青性能进行测试
，
对比分析
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
状的准颗粒
，
具有提高材料抗老化
、
强度等性能
。
由于
复合改性剂对沥青高温性能的影响
。
作者简介:张怡文
（
1994-
）
,
女,陕西咸阳人
，
硕士研究生
，
研究方向:道路工程材料
。
40
内蒙古公路与运输
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
2019
年第
2
期
2
原材料和试验准备
试验所用沥青为
SK90#
基质沥青
,
其技术指标如表
2.1
原材料
表
1
技术指标
1
所示
。
SK90#
基质沥青技术指标
单位
0.1
mm
cm
试验方法
T0604
规范要求范围
80-100
试验值
84
>100
针入度
延度
(
15
七)
T0605
T0606
M100
^42
软化点
°C
48.3
试验采用岳阳石化生产的道改
2
型
SBS
聚合物
，
其技术指标如表
2
所示
。
表
2
SBS
聚合物技术指标
SBS
型号
道改
2
结构
嵌段比
(S/B)
挥发分
(%)
300%
拉伸强度
(MPa)
扯断伸长率
(%)
硬度
(邵氏
A
值)
82
熔体流动速率
(g/10min)
定伸应力
2.5
星型
30/70
W0.5
12
M600
0-1.0
试验所用纳米
SiO
：
物理性质如表
3
所示
。
表
3
型号
SP30
纳米
SQ2
物理性质
含量
(％)
99.5
外观
粒径
(
mm
)
30
±5
比表面
(m/g)
220
±
30
PH
值
白色粉末
5-7
2.2
沥青样品设计
下
。
剪切完成后,将改性沥青在
180
弋烘箱中发育
lh,
并不定时搅拌防止离析
。
以基质沥青作为对照组,将实验组分为两组
。
第一组变化
SBS
的掺量
(
3.5%
、
4%
,4.5%
、
5%)
对基
3
3.1
试验及结果分析
针入度
、软化点试验
按照
《
公路工程沥青及沥青混合料试验规程
》
(JTG
质沥青进行改性;考虑到降低成本的需要,以纳米
SiO?
：
SBS
为
8
：
2
的比例制备纳米
SiCh-SBS
复合改性剂
，
变化
复合改性剂的掺量
(0.7%
SBS
+
2.8%
Si02
、
0.8%
SBS
+
E20-2011)
规定的方法
T0604-201
1
、
T0605-201
1
,
测试
各沥青样品的针入度
、
软化点
。
试验结果如图
1
所示
。
3.2%
SiC>2
、
0.9%
SBS
+3.6%
SiO?
、
l%
SBS
+4%
SiCh)
对
基质沥青进行改性
。
试验中共准备
9
份沥青试样
,
两组实验组改性沥青
改性剂的掺量保持一致
。
2.3
改性沥青的制备
试验采用德国弗鲁克
FLUKO
高速剪切机,在一定
转速下将改性材料剪切成极细的微粒,通过转子的高
速率长时间的转动
，
使已经微粒化的改性剂与沥青均
匀混溶
。
改性沥青改性工艺流程为
：
制备改性沥青时
，
先将沥青加热到
160T
并保持温
沥侍类型
图
1
沥青样品针入度
、
软化点测试值
度基本不变
，
然后将改性材料均匀加入沥青中
。
打开
搅拌设备
,
以
2500r/min
的速度持续搅拌
30min,
使其与
图
1
给出了各沥青样品针入度和软化点的试验结
果
。
由图可以看出
，
与基质沥青相比
，
两种类型的改性
沥青混合均匀
。
再使用高速剪切机以
4000r/min~
5000r/min
的速度剪切
30min,
剪切温度控制在
180T
以
沥青均表现岀针入度降低
、
软化点升高的变化趋势
。
总第
170
期
张怡文等:纳米
SiO2-SBS
复合改性与
SBS
改性沥青高温性能对比研究
41
针入度降低表明沥青温度敏感性减小
,
沥青变得更硬
，
从而提高沥青抵抗行车荷载的能力
。
软化点一定程度
上反映了高温条件下沥青的稳定性
，
软化点高的沥青
不易发生永久变形
，
高温稳定性好
。
此外
，
对两种改性
剂而言
，
改性效果均随改性剂掺量的增多而有所提
高
。
由于纳米
SiO?
比表面积大
、
密度小
、
吸附能力强
，
能够与基质沥青中的
e
键发生反应
,
使得沥青的流动性
降低
，
进一步影响沥青性能
。
故在相同的改性剂掺量
下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青针入度
、
软化点的变化
较
SBS
改性沥青更明显,即纳米
SiO2
-SBS
复合改性剂较
SBS
改善沥青高温性能更好
。
3.2
布氏旋转黏度试验
按照
《
公路工程沥青及沥青混合料试验规程
》
(JTG
E20-201
1
)T0625-201
1
规定的方法
,采用布氏旋转黏度
仪
，
选择
27
号转子
,
以
20r/min
转在
135
1
条件下测定沥
青样品的表观黏度进行测量
。
试验结果如图
2
所示
。
图
2
沥青样品布氏黏度试验结果
由黏度试验结果可知
，
两种改性沥青的黏度均较
基质沥青高
,
随改性剂掺量的增多而逐渐增加,并且都
小于规范要求的
3Pa
・
s,
说明改性沥青具有良好的施工
和易性
。
此外
，
在改性剂掺量相同的情况下
，
纳米
SiO
2
-
SBS
复合改性沥青较
SBS
改性沥青的黏度更大
。
一方
面由于纳米颗粒和
SBS
在沥青中均能形成的网络交联
结构,增加沥青的黏结力
；
另一方面由于纳米
Si02
颗粒
粒径更小
，
比表面积更大
,
更能有效吸收沥青中的轻质
组分
，
使得沥青质增多
，
沥青黏结力进一步增大
。基于
上述原因
，
在同等改性剂用量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改
性沥青较
SBS
改性沥青黏度更高
。
3.3
DSR
试验
为了表征沥青的基本流变性能
，
进行动态剪切试
验
。
试验仪器为动态流变剪切仪
(DSR),
其基本原理是
对沥青样品施加一个交变应力
/
应变
,
考察其应变
/
应力
随时间的变化
，
复数模量
(G*)
和相位角
(
6)
是试验中主
要的试验参数
。
试验中采用
DSR
对沥青样品进行动态
剪切流变试验
，
在
1.59Hz
作用频率
,58T
~76
七的温度
范围下
，
对直径
25mm
、
厚
1mm
的沥青试样进行测定
。
试验结果如图
3
所示
，
图
3
和图
4
分别为沥青试样复数
模量
G*
和相位角
6
随温度变化的曲线
。
20000
£
18000
o
3.5%SBS
*
O
□
4%SBS
O
16000
A
•
S
14000
a
4.5%SBS
聚
12000
A
2
o
5%SBS
10000
:°
♦
0.7%SBS+2.8%SiO2
Q
・
・
0.8%SBS+3.2%SiO2
8000
H
•
o
0
.
a
6000
x
0.9%SBS+3.6%SiO2
*
9
B
：
・
•
：
q
；
4000
x
g
•曽召
・
l%SBS+4%SiO2
2000
x
?
q
!
x
基质沥青
艮
9
0
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
温度(尤)
图
3
沥青胶结料的复数模量测试结果
由图
3
可以看岀
，
两种改性沥青的复数模量均较基
质沥青大
，
并且随改性剂掺量的增加而增大
，
随温度的
升高而减小
。
即当温度不变时
，
随着改性剂掺量的增
加
，
改性沥青在动态荷载下抗变形的能力增强;而当改
性剂掺量不变时
，
由于温度升高
，
沥青趋于流动
，
致使
改性沥青在动态加载下抗变形能力有所下降,但仍优
于基质沥青
。
此外,对比分析发现
，
在相同改性剂掺量
下
，
纳米
SO-SBS
复合改性沥青的复数模量较
SBS
改性
沥青更高
，
即表明纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青比
SBS
改
性沥青有更好的抗变形能力
。
沥青被认为是粘弹性材料
，
而相位角对改性沥青
的物理和化学结构非常敏感
，相位角为
90
。
和
0
。
的沥
青分别显示出纯粹的粘性行为和纯粹的弹性行为
。
由
图
4
可知,两种改性沥青的相位角均较基质沥青更小
;
随着温度的升高
,
改性沥青相位角逐渐增大
，
说明沥青
的流动性随温度的上升而增大;在温度不变的情况下
，
随着改性剂掺量的增多
，
改性沥青的相位角减小
，
说明
改性剂赋予了沥青弹性性质,
改性剂掺量越多
，
弹性性
能表现越明显
。
此外
，
在相同的改性剂掺量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青的相位角相对
SBS
沥青更小
,
表
明纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青表现出更好的弹性性
能
。
内蒙古公路与运输
42
Highways
&
Transportation
in
inner
Mongolia
2019
年第
2
期
84
o3.5%SBS
①
作为改性剂,
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
复合材料
,
均
80
x
□
4%SBS
能有效改善沥青的高温性能。
莊
x
o
a
4.5%SBS
圧
早
78
x
o
・
x
o
o
5%SBS
②
随着改性剂掺量的增加
，
改善效果更明显
。
76
x
。
:
K
：
：
•
；
。
：
6
♦
0.7%SBS+2.8%SiO2
•
□
•
A
・
0.8%SBS+3.2%SiO2
③
相同改性剂用量下
，
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂
72
o
D
：
；
°
°
・
0.9%SBS+3.6%SiO2
•
l%SBS+4%SiO2
的改性效果较
SBS
更好
。
68
70
«
;
・
•
x
基质沥育
④
纳米
SiO
：
部分替代
SBS
作为改性剂
，
能够更好地
66
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
改善沥青的路用性能
，
并降低生产成本。
温度代)
参考文献
图
4
沥青胶结料的相位角测试结果
[1]
Nazari
H
,
Naderi
K,
Nejad
F
M.
Improving
aging
resistance
and
fatigue
图
5
为沥青样品车辙因子
(G*/Sin8)
计算结果
。
由
performance
of
asphalt
binders
using
inorganic
nanoparticles[J].
Construe
图可知
，
改性沥青的车辙因子均较基质沥青大,且改性
tion
&
Building
Materials
,2018,170:591
-602.
[2]
Cai
L,
Shi
X
,
Xue
J.
Laboratory
evaluation
of
composed
modified
asphalt
沥青的车辙因子随改性剂掺量的增加而上升
，
表明改性
binder
and
mixture
containing
nano-
silica/rock
asphalt/SBS[JJ.
Construe
沥青的抗车辙能力由于改性剂掺量的增加而显著改
tion&
Building
Materials
,
2018
,
172:204-211.
善
。
由于纳米
Si02
比表面积大
，
在沥青中起到填充和增
[3]
Xu
0,
Rangaraju
P
R,
Wang
S,
et
al.
Comparison
of
rheological
properties
强作用
，
这种作用进一步提高沥青的黏度和黏结力
，
降
and
hot
storage
characteristics
of
asphalt
binders
modified
with
devulca
nized
ground
tire
rubber
and
other
modifiers[J].
Construction
&
Building
低沥青对车辙的敏感性
。
故在相同改性剂掺量下
，
纳米
Materials
,2017,154:841-84
&
SO-SBS
复合改性沥青较
SBS
改性沥青的车辙因子更大
。
[4]
Zani
L,
Giustozzi
F,
Harvey
J.
Effect
of
storage
stability
on
chemical
and
综合各沥青样品的复数模量
、
相位角和车辙因子
rheological
properties
of
polymer-
modified
asphalt
binders
for
road
pave
ment
construction^].
Construction
&
Building
Materials
,
2017
,
145
.
测试结果可以看出
,
SBS
和纳米
SiO
2
-SBS
复合改性剂的
[5]
Behnood
A
,
Olek
J.
Rheological
properties
of
asphalt
binders
modified
with
使用
,
均能显著改善高温条件下沥青的抗车辙
、
抗变形
styrene-
butadiene-styrene
(
SBS
)
,
ground
tire
rubber
(
GTR
)
,
or
polyphos
能力
，
使改性沥青具备更好的高温性能和流变特性
。
phoric
acid
(PPA)[J].
Construction
&
Building
Materials,
2017,151
：
464-
47
&
[6]
Yildirim
Y.
Polymer
modified
asphalt
binders[J].
Construction
&
Building
由于沥青样品在动态剪切过程中,
SBS
形成的网状结果
Materials
,
2007,21(1):66-
72.
有可能被破坏
，
而纳米
SiCh
的加入
，
可能在沥青内部与
[7]
梁皓•多聚磷酸与
SBS
复合改性沥青的工艺研究
[J]
•公路交通科技:应
SBS
和各组分之间发生了更为复杂的作用
，
因此
，
在相
用技术版
,2014,(12):149-
151.
同的试验条件及改性剂用量下
,
纳米
SiO
2
-SBS
复合改
[8]
Polacco
G,
Muscente
A,
Biondi
D,
et
al.
Effect
of
composition
on
the
prop
erties
of
SEBS
modified
asphaltsfj].
European
Polymer
Journal,
2006,42(5
)
：
性剂更具优势
。
1113-
1121.
22000
[9]
Khodary
F,
Ei-sadek
M
S
A,
Ei-sheshtawv
H
S,
et
al.
Mechanical
proper
20000
o3.5%SBS
ties
of
modified
asphalt
concrete
mixtures
using
Ca(0H)2
nano
material[J].
18000
a4%SBS
16000
a
4.5%SBS
International
Journal
of
Civil
Engineering
&
Technology,
2014,
5(5)
：
61-
6
&
14000
o
5%SBS
[10]
Arabani
M
,
Haghi
A
K,Tanzadeh
R.
Laboratory
study
on
the
effect
of
na
12000
•
0.7%SBS+2.8%SiO2
■
0.8%SBS+3.2%SiO2
no-SiC
)
2
on
improvement
fatigue
performance
of
aged
asphalt
pavementfC].
10000
8000
a
0.9%SBS+3.6%SiO2
Proceedings
of the
4th
International
Conference
on
Nanostructures.
Kish
6000
・
2%SBS+3%SiO2
Island,IR
Iran.
2012:12-14.
4000
x
基质沥青
[11]
叶超，
陈华鑫•纳米
Si02
和纳米
TiO?
改性沥青路用性能研究
[J].
新型
2000
0
建筑材料
,2009,36(6):82
-
84.
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
[12]
孙璐,辛宪涛
，
于鹏•纳米
SiO?
改性沥青混合料的路用性能
[J].
公路
图
5
沥青胶结料的车辙因子计算结果
交通科技
,2013,30(8):1
-5.
[13]
叶中辰
，
武星.纳米
Si02
改性沥青老化性能及黏温特性研究
[J].
中外
4
结语
公路
,2017,(06):271
-273.
工程实际应用中
,
通常采用
SBS
聚合物来改善沥青
[14]
Shafabakhsh
G
H
,
Ani
0
J.
Experimental
investigation
of
effect
of
Nano
的高温性能
。
考虑到材料成本问题以及对改性效果的
TiO,
/Si02,
modified
bitumen
on
the
rutting
and
fatigue
performance
of
asphalt
mixtures
containing
steel
slag
aggregates[J].
Construction
&
Build
优化
，
采用价格相对便宜的纳米
SiO?
部分替代
SBS,
对
ing
Materials
,2015,98:692-
702.
纳米
SiO
2
-SBS
复合改性沥青和
SBS
改性沥青的高温性
能进行对比研究
,
得出如下结论
：
收稿日期
:2018-09-02