纳米改性沥青及其路用性能

纳米改性沥青及路用性能研究
摘要：
纳米材料由于其特殊的物理性质，在材料学中的应用越来越广泛，纳米改性沥青的研究成为路面材料研究的热点。

本文通过介绍纳米改性沥青及其研究现状，并结合实验数据，分析得出纳米改性沥青的路用性能，最后对纳米改性沥青的应用前景进行展望。

关键词：纳米材料，纳米改性沥青，路用性能；
正文：
1.纳米材料简介
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。

纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。

这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

2.纳米改性沥青介绍及其研究现状
纳米材料改性沥青的研究是道路交通材料研究中的热点和前沿课题，纳米粒子与沥青的相容性以及在沥青中的分散和稳定性是决定纳米材料改善沥青各项性能的关键。

具有改性性能的纳米颗粒在沥青的改性方面表现出优良的混融、增强和增韧性能，对改善沥青混合料路用性能具有良好的效果。

纳米改性沥青路用性能纳米粒子的比表面积很大，表面能高，处于非热力学稳定态，很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的尺寸较大团聚体，这种团聚的二次粒子难以发挥其纳米效应，使材料达不到理想的性能。

而且由于表面有大量硅羟基，使得纳米Ⅰ具有强亲水性，在有机基体中的分散性和浸润性很差。

因此要使纳米粒子对沥青产生改性作用，必须要对纳米粒子进行表面改性或进行分散处理，克服纳米粒子的团聚，同时使之由强亲水性转为一定程度的疏水性，从而与有机基体之间形成良好相容性。

近些年来，在交通材料的各个领域越来越多的使用纳米材料和纳米技术，其中一个较为重要的研究方向即纳米材料改性沥青，该项技术是通过各种手段将某种纳米材料融入到沥青材料中，通过纳米效应改善沥青的高温稳定性、抗疲劳性、摩擦性能( 防滑性能) 、抗老化性等性能。

美国材料研究学会于1994 年首次正式提出纳米材料工程的新概念，并促成了纳米材料与技术的基础研究和应用研究并行发展的新局面。

被改性材料掺入纳米粒子后，纳米粒子的表面效应、体积效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应会使原材料形成特殊的性能，这些效应既有物理作用也有化学作用。

就纳米改性沥青来说，究其与其他沥青产生性能悬殊的原因是因为纳米材料
从微观结构上改变了沥青的各种性能。

因此，纳米材料相对于其他沥青改性材料具有较大优势，因为它是从结构方面对沥青进行改善。

由于纳米改性沥青的各项优良性能，使其成为国内外沥青材料研究的热点和前沿，同时，在交通材料研究和应用的方面也成为新的经济增长点。

近几年，美国联邦公路局( FHWA) 在道路材料纳米层面上投入大量的研究，并与美国国家标准技术研究所( NIST) 、怀俄明州立大学美国西部研究院( WＲI) 对纳米技术改善机理进行了大量的研究工作，目前已取得丰富的前期研究成果。

2010 年6 月，欧洲沥青技术联合会( EATA) 举行了第四届EATA 大会，其中“沥青中的纳米技术”是该次大会的研讨主题之一。

国内学者对纳米材料的的研究首先表现在对于材料自身的复合改性、功能化、智能化的关注，并逐步将目光从宏观转入到微观进行研究，有些学者采用如光谱分析、扫描隧道、核磁共振等先进的材料分析手段进行分析研究道路材料。

可以说，纳米材料与技术已成在沥青路面中的应用研究趋势。

目前使用较多的纳米材料是层状纳米硅酸盐，并已积累了部分研究成果。

荷兰Ｄｅｌｆｔ大学将蒙脱土纳米粘土用于沥青改性［５］，对所得改性沥青及沥青混合料的路用性能做了较为全面的测试，发现其抗老化、抗车辙及力学性能都有所提高。

姜海涛等［６－９］也使用蒙脱土纳米层状硅酸盐改性沥青，发现沥青的老化性能、混合料的高温和水稳性能均显著提高。

纳米层状硅酸盐改性沥青的研究虽然取得了一定成果，但还是存在一些明显缺陷：①沥青为大分子复杂化合物，与层状硅酸盐二者之间形成良好插层型和剥离型的条件较苛刻；②层状硅酸盐即使完全溶胀或剥离，也只是二维（片状）纳米材料，几何尺寸较大，不易与沥青混合均匀；
③片状颗粒易带较多的表面电荷，增加了静电聚结力，不利于沥青－层状硅
酸盐纳米体系的形成和分散。

与二维层状结构的层状纳米硅酸盐相比，纳米ＺｎＯ和纳米ＣａＣＯ３等无机纳米粒子不存在这些缺陷，且正好与沥青（或高聚物材料）性能互补。

无机纳米粒子的加入还有利于改善沥青的摩擦性能和抗老化性能等［１０］。

ＲＩＬＥＭ国际材料与结构协会也于２００８年专门成立了纳米沥青技术协会（ＴＣｏｆＮＢＭ），并计划于２０１３年召开第一届国际纳米沥青会议，可见纳米技术已经为沥青改性带来了全新的视野，必将成为沥青改性的一个趋势。

本文采用纳米Ⅰ作为改性剂，研究纳米改性沥青的制备工艺，评价其路用性能，探索改性沥青的新技术，为纳米改性沥青的发展提供理论基础。

3.路用性能
通过实验，来研究纳米沥青的改性作用。

试验中采用３大指标２５℃针入度、软化点、１０℃延度作为改性效果的评价手段来评价改性沥青的综合路用性能，同时采用６０℃动力粘度作为评价改性沥青高温稳定性能的指标，其中针入度反映沥青硬度，软化点和６０℃动力粘度反映高温性能，１０℃延度反映低温性能。

高温等级由DSR试验确定，低温等级由BBR和DTT试验确定。

根据Ｓｕｐｅｒｐａｖｅ沥青结合料规范中有关路面性能的要求对沥青进行分级。

通过实验，得到如下实验结果：
由表１可以看出，添加纳米Ⅰ后基质沥青的针入度减小，软化点和粘度提高，延度降低，且添加量越大，改善效果越明显。

纳米Ⅰ具有巨大的比表面积，其表面能量可以显著改变沥青的性能，使沥青的高温性能得以提高，如质量分数为７％时，软化点可以提高１０℃，６０℃粘度提高了３倍以上；但纳米Ⅰ的掺入可能会造成低温性能的下降。

由表２可以看出，各种表面改性纳米Ⅰ的掺入，使得基质沥青性能均有不同程度的改变，如软化点与粘度有不同程度的提高，延度有所降低，针入度则没有明显的变化规律。

而与未改性的纳米Ⅰ相比，改性之后对基质沥青性能的改善效果不但没有提高，反而有所削弱。

(原因可能是，本文中所选用的几种方案，均为复合材料领域常用的方案，在改性沥青领域尚无前人尝试过；或者是由于市售产品的质量问题，未能实现纳米粒子的有效改性所致。

总之，试验结果表明，这些方案并不适合于沥青改性，同时也说明，纳米粒子的表面改性对沥青的性能有显著影响，不同的表面改性工艺导致不同的改性效果，应根据基体材料的特殊属性选择适宜的改性方案)改性材料的选择不同，会对其性能产生不同的影响。

由表５可以看出，以６４℃的车辙因子作为高温评价指标，不论是基质沥青还是ＳＢＳ改性沥青，纳米Ⅰ的加入都可以明显改善其高温性能。

如果不考虑老化的影响，以原样沥青Ｇ＊／ｓｉｎ（δ）＞１．０ｋＰａ作为高温分级标准，纳米Ⅰ改性沥青比基质沥青提高了２个温度等级，与ＳＢＳ改性沥青相当，而纳米Ⅰ与ＳＢＳ复合改性沥青在此基础上又提高了１个温度等级，表明纳米Ⅰ可以显著提高沥青的高温性能。

由图２和表７说明纳米Ⅰ的加入降低了基质沥青的低温抗断裂性能，这与低温延度指标的结果是一致的。

而对于ＳＢＳ改性沥青，纳米Ⅰ的加入则使ｍ值增大，提高了低温性能，这也与低温延度指标的规律一致。

然而ＳＢＳ改性沥青的ｍ值比基质沥青小很多，若据此推断ＳＢＳ改性沥青的低温性能差
是不科学的，因为大量试验数据和工程经验表明ＳＢＳ可改善沥青的低温性能［２４－２７］。

有研究指出［２８］，由于弹性体类（如ＳＢＳ）改性沥青的应力松弛模式同塑性体类及非改性沥青有显著的差异，导致ＰＧ分级往往会低估弹性体类（如ＳＢＳ）改性沥青的低温抗裂能力。

因此，纳米改性沥青的低温性能还有待进一步研究。

纳米材料改性沥青的路用特点：（１）添加适量的纳米Ⅰ可以使基质沥青的高温性能显著提高，但低温性能可能会有所下降。

在ＳＢＳ改性沥青的基础上制备的纳米Ⅰ与ＳＢＳ复合改性沥青，能使基质沥青的性能进一步提高，表现为高、低温路用性能指标的全面提高。

（２）纳米粒子的表面改性对改性沥青的性能有显著影响，有必要开发适用于改性沥青的纳米粒子表面改性方案，以充分发挥粒子的纳米改性效应。

（３）采用ＤＳＲ和ＢＢＲ试验，进一步评价沥青的改性效果，得到的结论与常规指标试验基本相同。

在进行频率扫描试验时发现，随着频率的增加，纳米Ⅰ加入的影响逐渐减弱，表明纳米Ⅰ在低频条件下的影响可能更为显著。

根据时温等效原则，纳米Ⅰ对沥青高温性能的改善可能更为有效。

结语:
纳米技术逐渐渗透到交通建筑材料领域，且已开始将纳米技术应用于沥青材料技术的研究和开发，以提高沥青混凝土路面的路用性能，满足交通发展的需要。

纳米材料对沥青有明显的改性作用，但没有规律可循，因此加强纳米改性沥青改性机理的研究仍是十分必要的。

纳米技术作为改善沥青性能的一种有效手段，其研究与应用将会逐渐得到重视与发展，为道路建设做出贡献！。