纳米TiO2与SBS复合改性沥青混合料路用性能研究

目前我国高等级公路交通流量大、轴载重，这对当前主要道路类型的路面——沥青混合料路面提出了更高质量要求，目前提高沥青混合料高温稳定性的主要途径有两种：一是优化沥青混合料集料级配设计，通过选用高质量集料并改变各档集料比例增大集料间内摩阻角；二是改性沥青，提高其高温状态下黏度及粘附性，从而提高混合料抗高温变形能力。热塑性弹性体SBS是沥青改性剂中应用较广的高温稳定性改性剂，但其实际使用效果仍有可开发空间，本文以SBS改性沥青为背景，将纳米TiO2与SBS复合改性沥青，并研究纳米TiO2与SBS复合改性沥青混合料的路用性能。

目前国内学者已经对纳米TiO2及SBS改性沥青展开研究，陈华鑫分析了SBS改性剂类型及剂量对改性沥青的温度敏感性、高低温特性等方面的影响，得出了SBS改性沥青细致的评价指标；叶超等人分析了纳米TiO2改性沥青混合料的综合路用性能，得出了纳米TiO2可提高改性沥青混合料的高温稳定性；杨群等人研究了纳米TiO2改性沥青的分散性及抗老化性，并得出了提高抗老化性能条件下纳米TiO2的最佳掺量。

1  TiO2/SBS复合改性沥青制备及其性能

1.1  原材料

基质沥青为洛阳生产的70#道路石油沥青，纳米TiO2粉末由杭州万景新材料有限公司生产， SBS粉末（苯乙烯丁二烯嵌段共聚物）由中石化茂名石化公司生产。

1.2  TiO2/SBS复合改性沥青制备

本试验采用的是高速剪切法（高速剪切混合乳化机）制备改性沥青。将一定量熔融的流动态基质沥青加入高速剪切机附带器皿中，持续加热并开动转头以2400r/min的转速搅拌基质沥青约5min，同时保证温度到165℃。将混合好的改性剂缓慢加入基质沥青中进行改性，并调节剪切机转速到6000r/min，高速剪切60min，最后在125℃下充分溶胀，发育90min。

1.3  改性沥青性能分析

相关研究表明纳米TiO2质量分数为4%时，改性沥青基本性能变化较小，且可提高沥青的抗老化性能；SBS质量分数为5%时，改性沥青相比基质沥青体现出良好的感温性。按不同改性剂比例分为五组，改性沥青技术指标如表1所示。

表1  改性沥青技术指标

组别 改性沥青类型 针入度（25℃）(0.1mm) 软化点（℃） 延度（5℃)（cm）

一     4% TiO2                 72.5                     47.2              33.7

二     3% TiO2+5%SBS         44.2                     71.5              72.4

三     3% TiO2+4% SBS 49.3               63.6              59.8

四     4% TiO2+4% SBS 45.6                     66.9              56.3

五     5%SBS 42.3                     71.4      75.1

比对组 基质沥青 74.3                     46.6              45.2

相比较于基质沥青，加入纳米TiO2、SBS粉末沥青的改性沥青的针入度有所下降，且5%SBS改性沥青针入度降幅最大达43.06%，纳米TiO2对沥青的针入度影响较小，SBS 可提高沥青的稠度；加入纳米TiO2、SBS粉末沥青的改性沥青相对于基质沥青软化点有所提高，其中3% TiO2+5%SBS可提高沥青软化点约53.43%，说明SBS及纳米TiO2对提高沥青的热稳定性有积极影响，SBS及纳米TiO2粉末改性剂可在沥青中发生溶胀，使得沥青分子团质量变高，分子团之间吸引力变大，从而提高了各组团之间的黏聚力，从而提高了沥青的热稳定性；加入纳米TiO2大幅降低沥青的延度，而SBS粉末可提高沥青的延度。

2  TiO2/SBS复合改性沥青混合料配合比设计

沥青混合料的高温抗车辙能力60%依赖于其集料间的嵌锁作用，40%来源于沥青黏结作用。采用AC-16级配类型进行研究，集料级配如表2所示。采用基质沥青作为比对方案（A组）及三种改性剂掺配试验方案：B组（4% TiO2），C组（3% TiO2+4%SBS），D组（5%SBS）。

表2  集料级配

混合料类型 筛孔通过百分率（%）

AC-16 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

       100 98.6 87.4 68.7 44.9 31.7 20.5 16.5 12.4 9.6 6.2

3  TiO2/SBS复合改性沥青混合料路用性能

3.1  高温稳定性

采用高温车辙试验进行4组的高温稳定性评价，试验结果如图1所示。使用纳米TiO2及SBS改性后的沥青

混合料较基质沥青混合料均体现出了良好的高温稳定性，相比于5%SBS改性剂，3%TiO2+4%SBS改性剂对沥青软化点影响较小，对感温性的降幅较低，但却对沥青混合料的高温稳定性产生了较大的积极作用，相较于基质沥青混合料动稳定度提高了75.5%。

3.2  水稳定性

沥青混合料因水稳定性不足产生的沥青路面“水损害”不容忽视，采用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验进行4组的水稳定性评价，试验结果如图2及图3所示。使用纳米TiO2及SBS改性后的沥青混合料均体现出了良好的水稳定性，其中单独使用纳米TiO2改性沥青对沥青

混合料水稳定改善意义不大，使用纳米TiO2及SBS复合改性沥青混合料的浸水残留稳定度达92.5%，冻融劈裂抗拉强度比达93.8%。

从高温稳定性及水稳定性两方面来看，TiO2对其改性沥青混合料路用性能影响不大，但3%TiO2+4%SBS组合方式却有着良好的路用性能表现。纳米TiO2的加入与沥青及SBS改性剂产生了物化反应发生，改善了SBS与沥青之间的相容性，并且纳米TiO2具有吸收紫外线的作用，对沥青混合料的抗老化性能起着重要作用，可以弥补SBS改性沥青易产生老化的特性。                   

4  结语

（1）掺加SBS降低了沥青的针入度，提高了沥青的软化点，使改性沥青具有更高的稠度及更低的感温性，适量的TiO2对沥青影响较少，3% TiO2+5%SBS掺配比的改性沥青的基本性能最好。

（2）SBS及纳米TiO2改性剂均能提高沥青混合料的高温稳定性能及水稳定性，相比于4% TiO2改性沥青混合料、5%SBS改性沥青混合料及基质沥青混合料，3% TiO2+4%SBS改性沥青混合料的高温稳定性及水稳定性性能更好。

（3）纳米TiO2会与沥青及SBS改性剂发生物化反应发生，从而改善SBS与沥青之间的相容性，使得其改性沥青混合料表现出更为优秀的路用性能，并且纳米TiO2具有吸收紫外线的作用，可以弥补SBS改性沥青易产生老化的特性。