沥青混凝土路面车辙病害与沥青混合的高温性能紧密相关，而传统的沥青很难满足对高温性能要求较高的地区。因此，对传统沥青进行改性，促使改性沥青成为筑路新材料的研究愈来愈多。目前，最为常见的改性沥青为聚合物改性沥青，尤其是SBS、SBR聚合物改性沥青中国沥青网sinoasphalt.com。SBS聚合物的掺加对沥青内部结构进行重构形成稳定结构，增加沥青与集料黏聚性，虽然能相对改善沥青的高、低温稳定性及水稳性能，但仍不能满足对高温性能要求较为苛刻的地区。另外，SBS改性沥青热储存性能较差，在使用过程中特别容易出现离析现象。这是因为SBS聚合物的密度和溶解度参数等与沥青的密度和溶解度参数相差较大，二者不能较好地共混在一起，诸多学者采用微观试验观测到SBS在基质沥青中分布并不均匀，常以较大颗粒形态共混于沥青中，二者的相容性较差。

近年来，纳米材料因其表面效应、体积效应、量子尺寸效应等特殊的性质成为改善传统材料性能的重要途径。道路学者也将目光转向了纳米材料，采用纳米材料对沥青进行改性，试图改善沥青的力学性能。研究了纳米蒙脱土对沥青性能的影响，均认为能提高沥青的软化点及黏度，提高沥青的抗老化性能。认为纳米颗粒能与沥青发生化学反应，降低沥青的温度敏感性，从而提升沥青的力学性能。叶超等研究了纳米TiO2颗粒对AH-70号沥青的影响，加入0.5%的纳米TiO2后，基质沥青的软化点提高了5℃。等研究结果表明纳米TiO2能提高沥青的抗车辙性能。对纳米TiO2改性沥青的抗老化性能进行了研究，发现纳米TiO2能增强沥青的光氧化能力，提高沥青的抗老化能力。通过室内试验研究证明了纳米ZnO颗粒能提高热拌沥青混合料的沥青力学性能，降低热拌沥青混合料的永久变形病害。认为纳米ZnO能提高沥青的抗紫外线老化能力，而且纳米ZnO在基质沥青中有较好的分散效果。虽然一些纳米材料对沥青的力学性能起到了一定的积极的改善效果，但研究人员期望能大幅度提升沥青性能的改性方案。分别采用纳米黏土、纳米CaCO3与SBS进行共混对沥青进行改性，相较于单纯的掺加聚合物或者纳米颗粒，共混的改善效果较优。

本文将纳米ZnO、纳米TiO2、SBS复掺对SK-70基质沥青进行改性，分别制备4%SBS改性沥青混合料、3%ZnO+0.5%TiO2改性沥青混合料、3.7%SBS+3%ZnO+0.5%TiO2改性沥青混合料。采用小型加速加载设备对不同混合料进行重复加载试验，并测试不同混合料的动稳定度，研究纳米改性沥青混合料、聚合物改性沥青混合料和纳米复合改性沥青混合料的高温稳定性。

原材料

基质沥青

采用韩国进口的SK-70作为基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》试验规程对SK-70进行基本性能测试。

改性剂

纳米改性剂。纳米ZnO材料购于陕西中科纳米材料股份有限公司，纳米TiO2购于广东奥纳化工新材料有限公司。

SBS聚合物改性剂。SBS聚合物改性剂由岳阳石油化工公司生产。

集料

试验集料采用石灰岩。

改性沥青混合料的设计与制备

改性沥青的制备

本文分别向SK-70基质沥青中添加4%SBS、3%ZnO+0.5%TiO2、3.7%SBS+3%ZnO+0.5%TiO2来制备改性沥青。在制备改性沥青之前需对纳米材料进行表面修饰，本文采用KH-560硅烷偶联剂对纳米ZnO和纳米TiO2进行表面修饰，提高纳米材料的分散性及与沥青的相容性。改性沥青的制备工艺如下：将基质沥青在约165℃温度下熔融；沥青完全熔融后加入适量改性剂并对其进行机械搅拌，搅拌时长为20min，搅拌温度控制在160℃左右，搅拌转速为2000r/min；完成搅拌后，将沥青置于高速剪切仪下进行约40min的剪切，控制温度约为120℃，剪切机转速约为4000r/min，最后得到3种改性沥青。对3种改性沥青进行三大指标基本性能测试。

改性沥青混合料的制备

通过试验确定混合料的最佳油石比，基质沥青、4%SBS改性沥青、3%ZnO+0.5%TiO2改性沥青、3.7%SBS+3%ZnO+0.5%TiO2改性沥青的最佳掺量分别为4.7%、4.９%、5.0%、5.0%。

加速加载试验

本文采用南非开发的小型加速加载设备MMLS3进行沥青混合料的加速加载试验。MMLS3设备体积小，仅为足尺加速加载设备大小的1/3；加载速度较快，有利于在相对短的时间内获取试验结果；可通过控制温度和湿度模拟不同路面条件下的荷载对路面的作用。采用加速加载试验研究沥青混合料的抗车辙性能可更准确地模拟路面在荷载作用下的变形，评价沥青混合料的长期路用性能。鉴于MMLS3的诸多优点，越来越多的学者选择此设备进行沥青混合料的高温稳定性的研究。

试件的制备

MMLS3设备试验槽直径为150mm，测试厚度最大为100mm。本文根据不同沥青在混合料中的最佳油石比，分别制备4种沥青混合料的大马歇尔试件，每种沥青混合料制备了3个试件。根据试验槽的尺寸对试件进行切割，切割完成后将试件安置于试验槽中。

试验条件

我国现行规范中沥青路面设计标准荷载为单轴双轮组0.7MPa，因此，试验时设备的轮胎气压选择0.7MPa。采用设备电机速率为40Hz，即加载速率6000次/h。为体现高温条件下沥青混合料的抗车辙性能，利用设备试验槽底部的加热系统对试件进行加热，加热温度控制在60℃。

试验过程中当加载次数分别为5万次、10万次、15万次、20万次和30万次时记录试件对应的车辙深度，分析试件车辙深度随轴载作用次数的变化，研究不同改性沥青混合料在60℃温度下的抗车辙能力。

试验结果

采用小型加速加载设备对不同改性沥青混合料试件进行加载试验，试件经过一定加载轮次的碾压后，其中间开始向下凹陷。随后随着加载次数的增加，凹陷深度逐渐增大，车辙逐渐形成。而且由于试件两边受试模的影响，随着加载次数的增加，轮迹两侧逐渐出现隆起。分别为试件加载5万次后和30万次后的变化图。显然加载5万次后试件表面出现一定深度的凹陷变形，加载30万次后试件出现破裂，试验停止。对加载后的试件沿着其横断面每隔1cm测量变形量，绘制不同加载次数下的变形量。

试件横断面车辙变形分析

分别为基质沥青、SBS改性沥青、ZnO/TiO2改性沥青、SBS/ZnO/TiO2改性沥青混合料试件在不同加载次数下横断面变形特征。可知：对试件加载后，各试件的横断面变形规律较为一致，不同混合料试件横断面均呈现出“Ｗ”型断面。且随着加载次数的增加，试件轮迹两侧隆起高度逐渐增大，车辙深度也逐渐变大直至试件出现破裂。对比不同沥青混合料试件的车辙深度可知，3种不同的改性沥青混合料试件车辙深度均比基质沥青混合料试件的车辙深度要小。且SBS/ZnO/TiO2改性沥青混合料试件的车辙深度最小，SBS改性沥青混合料试件次之，ZnO/TiO2改性沥青混合料试件的车辙深度最大。

车辙深度分析

为更直观地观察不同改性沥青混合料试件的车辙深度随加载作用次数的变化规律。可知，加载次数为5万次时，各沥青混合料的车辙深度变化较快。这是因为在初始加载阶段，沥青混合料在荷载作用下更加密实造成的，车辙变化表现为压密变形。随后，随着加载作用次数的增加，车辙深度逐渐变大，但增长速率均低于初始加载阶段。可以看出单纯掺加纳米ZnO/TiO2材料或者SBS后，沥青混合料的车辙深度明显比基质沥青混合料的车辙深度降低，但当SBS与纳米ZnO/TiO2材料共混加入沥青后，其混合料抗车辙特性明显提高。由此可见，聚合物与纳米材料复掺可显著提高基质沥青混合料的抗变形能力。

隆起变形分析

由试件横断面变形可知，随着加载作用次数的增加，试件轮迹外侧隆起高度逐渐增加，对不同改性沥青混合料试件在不同加载次数下的隆起高度进行测量。试件的隆起是因为在荷载作用下，沥青混合料内部产生剪切应力，当剪切应力高于混合料的抗剪强度时混合料会产生横向流动。而流动受到模具的限制，从而在轮迹两次产生了隆起变形。显然对比不同加载次数下的隆起变形可以发现，各沥青混合料试件的隆起高度排序大致为SBS/ZnO/TiO2沥青混合料<sbs< span="">沥青混合料<zno tio2<="" span="">沥青混合料<基质沥青混合料。显然，外加剂的加入可以降低试件的隆起高度，且SBS/ZnO/TiO2沥青混合掺加时，混合料的高温性能较优。

改性沥青混合料动稳定度分析

根据现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制备试件，并进行动稳定度试验。可知，改性沥青混合料的动稳定度均大于基质沥青混合料的动稳定度，且均满足试验规程中的要求。ZnO/TiO2沥青、SBS改性沥青和SBS/ZnO/TiO2改性沥青混合料的动稳定度分别是基质沥青混合料的2.39倍、2.82倍和3.32倍，3种改性沥青混合料的车辙深度分别是基质沥青混合料车辙深度89%、84%和84%。显然加入纳米材料后，基质沥青混合料的抗车辙性能提高了，但改善效果逊于SBS改性沥青混合料抗车辙性能。当聚合物SBS与纳米ZnO/TiO2共混时，沥青的动稳定度大幅度提升。3种不同改性沥青混合料的抗车辙性能优劣为SBS/ZnO/TiO2沥青混合料>SBS沥青混合料>ZnO/TiO2沥青混合料。

可见由动稳定度试验得到的结论与小型加速加载试验得到的结论是一致的，即SBS与纳米ZnO/TiO2共混后，对沥青混合料高温性能的改善效果优于单掺SBS或单掺纳米ZnO/TiO2材料的改善效果。

经济效益分析

目前SBS、纳米ZnO和纳米TiO2的市场价格分别为1.6万元/t、1.1万元/t和1.5万元/t。若改性1t的沥青，那么4%SBS改性方案需花费640元、3%ZnO+0.5%TiO2改性方案花费405元、3.7%SBS+3%ZnO+0.5%TiO2改性方案花费997元。虽然每改性1t基质沥青纳米复合改性沥青方案高于单纯地采用聚合物或者纳米材料的改性费用，但是考虑到聚合物改性剂与沥青相容性较差导致改性沥青的热存储性能差、单纯纳米材料在基质沥青中分散效果不佳的缺陷，而采用纳米材料与聚合物同时对沥青进行复合改性能减弱上述两种现象，且能在很大程度上提高沥青的高温性能。所以，综合考虑，本文提出的纳米复合改性方案适用于对高温性能要求较高的高速公路建设。

结语

本文对基质沥青采用不同的改性剂进行改性，制备了基质沥青混合料、ZnO/TiO2改性沥青、SBS改性沥青混合料和SBS/ZnO/TiO2改性沥青混合料。进而采用小型加速加载试验设备对上述四种混合料进行加速加载试验，同时测定了不同改性沥青混合料的动稳定度，以评价不同改性剂对沥青混合料的高温改善效果，得到如下结论。

（1）不同改性沥青混合料经加速加载试验后，其横断面均表现出“Ｗ”的变形特征，即轮迹外侧出现隆起，轮迹处出现凹陷。

（2）纳米ZnO/TiO2材料和聚合物SBS的加入均能提高基质沥青的高温性能，但SBS对混合料的高温性能改善效果比纳米材料明显。

（3）聚合物与纳米材料复掺时对基质沥青高温性能改善效果较为明显，不同沥青混合料高温效果优劣顺序为SBS/ZnO/TiO2沥青混合料>SBS沥青混合料>ZnO/TiO2沥青混合料。

（4）不同沥青混合料的动稳定度试验结论与加速加载试验结论一致，即SBS与纳米ZnO/TiO2材料复掺后比单掺SBS或者ZnO/TiO2材料时，沥青混合料的高温性能可大幅度提升。

（5）对改性方案经济效益分析后认为纳米材料与聚合物材料对沥青的共混改性在经济上虽然稍微高出单掺聚合物或纳米材料改性剂，但考虑到其高温性能的提高仍可以投入使用。综上所述，纳米材料与聚合物复掺对沥青进行改性效果更优，对基质沥青的高温性能有较大幅度的改善。因此，在沥青中同时添加纳米材料改性剂和聚合物改性剂是可行的。