基于交联扩散和复合网格化的高性能纳米碳改性沥青路面耐久性能提升技术研究

　　一、总体介绍

　　公路和市政道路基础设施建设对材料、能源消耗投入量大，对生态环境扰动范围广，是交通运输行业绿色低碳转型的重要领域。当前，我国交通基础设施建设总量跃居世界前列，同时碳排放强度高、与生态环境协调发展不足的问题日渐凸显。随着我国汽车保有量的快速增加，废旧轮胎的数量也随之增多，“黑色污染”引起了国家的高度重视。目前，采用热裂解技术可以实现废旧轮胎的100%回收再利用，热裂解再生炭黑是热裂解后的主要产物之一，其平均粒径在40—50nm之间，是典型的纳米碳。热裂解再生炭黑具有成本低廉、工业化生产成熟、物理性能优良等特点，其表面化学基团极性低，且憎水亲油，属于良好的沥青改性剂。废旧轮胎热裂解再生炭黑本身具有补强作用，不仅能对沥青起到加劲补强的效果，而且其稳定的性能有利于改善沥青的耐久性和温度敏感性。

　　二、合作模式

　　科技创新项目《基于交联扩散和复合网格化的高性能纳米碳改性沥青路面耐久性能提升技术研究》项目由山西诺信交通建设工程有限公司主要承担，联合山西大学合作研发，最终实现产业化应用。

　　三、主要做法

　　SBS改性沥青和废旧胶粉改性沥青由于良好的路用性能在世界范围内均得到了广泛的应用，但SBS改性剂价格较高，贮存稳定性较差。废旧胶粉改性沥青虽然价格相对较低，却存在易沉降、稳定性差的问题。我们将热裂解再生炭黑与SBS改性剂复合改性制备改性沥青，在原有良好高温性能的基础上，既能弥补普通废旧轮胎热裂解再生炭黑改性沥青低温抗裂性能的不足，又可以提升沥青的抗老化性能。基于此，开展了“基于交联扩散和复合网格化的高性能纳米碳改性沥青路面耐久性能提升技术研究”，研究结果表明热裂解再生炭黑的参加可以明显减少SBS的用量，且使得原SBS改性沥青路面的综合性能得到明显提升。

　　四、取得成效

　　(一)研究内容

　　主要研究内容包括高性能纳米碳技术性质分析、高性能纳米碳复合改性沥青制备参数及路用性能研究、高性能纳米碳复合改性沥青混合料配合比设计及路用性能研究、高性能纳米碳复合改性沥青路面施工工艺与质量控制等。

　　1.高性能纳米碳技术性质分析

　　与过往研究使用的传统工业炭黑不同，本研究使用高性能纳米碳。为了后续研究纳米碳、纳米碳+SBS、纳米碳+SBR 和纳米碳+胶粉四种改性措施对沥青的改性效果，选择市场上主流的纳米碳，测定其技术指标。

　　2.高性能纳米碳复合改性沥青复合网格化机理、制备参数及路用性能研究

　　依托微观测试设备与材料微观力学性能模拟软件，对比复合改性前后沥青微观结构与微观相态分布、微观力学与分子间相互作用力变化规律，探讨改性沥青中纳米碳对聚合物交联扩散和复合网格化的作用机理。

　　考虑高性能纳米碳掺量与种类、其它改性剂的掺量与种类、沥青改性温度与时间、是否添加改性助剂等不同因素，分别测试纯纳米碳、纳米碳+SBS、纳米碳+SBR 和纳米碳+胶粉四种改性措施下沥青的技术性质，确定每种改性沥青性能最优的制备参数。

　　3.高性能纳米碳复合改性沥青混合料配合比设计及路用性能研究

　　在前述研究的基础上，选择以上性能最优四种改性沥青成型沥青混合料，通过车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，通过低温小梁试验评价沥青混合料的低温抗裂性。通过浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，通过四点弯曲试验评价沥青混合料的疲劳特性。在测试水稳定性和疲劳特性的基础上，重点评价复合改性沥青混合料的抗老化性能，即通过室内气候耦合模拟系统对混合料进行老化进程，并对老化前后的路用性能进行对比分析。另外，对干法和湿法成型的沥青混合料分别进行路用性能试验，从而研究改性方式对沥青混合料性能的影响。

　　4.高性能纳米碳复合改性沥青路面施工工艺与质量控制

　　在③的研究工作基础上，选择两种路用性能最优的沥青混合料，依托实体工程铺筑试验路，提出高性能纳米碳改性沥青路面的施工工艺和质量控制要点，并对其经济性进行分析比较。

　　(二)采用现场检测和室内试验并举、理论分析和工程验证相结合，并以指导施工为主的技术路线。基于现有研究现状，通过广泛的理论研究和大量的室内实验，研究高性能纳米碳复合改性沥青的技术性质、施工工艺及质量控制方法。以理论研究成果作为技术指导，进行试验路的施工，观测试验路的使用情况，提交研究成果。

　　2023年7月至8月在太长高速长治方向K801+800—K803+000、K798+740—K800+500和太长高速太原方向K836+618—K838+000铺筑了4.3km的试验段。将干法SBS/PCB改性沥青混合料运用到实际工程中，通过试验路段的铺筑，提出了一套适合干法废轮胎热解炭黑改性沥青混合料路面的施工工艺，并对现场的实际施工质量进行了控制与分析。所得结论如下：

　　1.选定合适的试验路段位置，通过对其工程概况分析，确定本次试验路段路面结构采用4cm厚的AC13废轮胎热解炭黑改性沥青混合料作为上面层，制备工艺采用干投法，下面层及其他按照项目要求完成即可。

　　2.结合已有沥青路面施工技术规范和施工经验，通过对本试验路段施工前准备、沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压、施工接缝的处理及开放交通及其他等各施工工艺各施工工艺方案比对，提出了一套适合干法废轮胎热解炭黑改性沥青混合料路面的施工工艺。

　　3.套适合干法SBS/PCB改性沥青混合料路面的施工工艺。通过对实际现场质量控制及分析可知，当天干法废轮胎热解炭黑改性沥青混合料试验路段的油石比、矿料级配和马歇尔试验体积参数均符合施工规范技术要求，评定合格。

　　由于干法工艺制备废轮胎热解炭黑改性沥青混合料，其性能满足规范的技术要求，且高温稳定性有显著的提高，将废轮胎热解炭黑改性沥青混合料铺筑于路面上，施工质量良好，并能带来可观的经济效益和环境效益。目前山西省交通厅将该研究成果进行全面推广，为高速公路和国道、省道的养护带来工艺的提升和经济效益的提高。