納米改性瀝青及混合料路用性能探討

李二兵（濟源市公路管理局，河南 濟源 454650）

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺寸 （1-100nm）或由它們作為基本單位構成的材料。與其他材料不同，納米材料表面原子活性極強，在對聚合物進行改性時，納米粒子表面的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應綜合作用會使聚合物的性質發生明顯改變。近幾年來，國內外學者對納米材料改性瀝青進行了許多有益的探索。2011年，美國密西根理工大學Julian等人對納米蒙脫土改性瀝青的制備和性能展開研究；2012年，美國路易斯安那大學M.J.Khattak等人研究了納米碳纖維對瀝青混合料流變特性的影響；埃及石油研究院使用硫化鎘和PMMA納米復合材料對瀝青進行改性，并確定了最佳摻量。東南大學孫璐教授以納米有機膨潤土、納米SiO2及SBS為改性劑，研究了納米層狀硅酸鹽改性瀝青的路用性能。本文采用兩種納米改性瀝青進行試驗，研究納米材料對瀝青和混合料性能的影響，為納米改性瀝青的研究和應用提供一定的參考依據。

1 原材料和試驗方法

（1）原材料：所采用的原材料為中海油AH-70基質瀝青，納米材料C，納米材料S。

（2）制備方法：在135°C的恒溫烘箱中將基質瀝青加熱至流動狀態，按照不同的比例將納米材料分2～3次緩慢加入其中，手動攪拌均勻后，使用膠體磨混合3～4次，直至試樣表面均勻平整，類似鏡面狀，此時認為試樣均勻混合。

（3）試驗方法：測試基質瀝青及不同制備試樣的延度、針入度、軟化點等基本技術指標，選取幾種性能較好的納米材料摻量組合，通過馬歇爾試驗、車轍試驗來評價瀝青混合料的路用性能，試驗方法參照JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》。

2 納米改性瀝青技術性能研究

一般而言，在瀝青中加入改性材料后會使瀝青的針入度下降，延度提高，但是從表1可知，納米材料的加入使瀝青的部分性能出現了反常情況，瀝青針入度普遍提高，而延度則大幅下降，這說明了納米材料和瀝青界面之間不僅僅存在著物理吸附作用或是簡單的化學反應，而是產生了獨特的表面特性，改變了瀝青的界面效應，使得瀝青的性能產生了與其他改性瀝青不一致的變化。

表1 納米材料添加量對瀝青性能的影響試驗結果

3 納米改性瀝青路用性能研究

綜合表1中的瀝青基本性能的分析，選用AH-70+2%S和AH-70+3%C兩種瀝青來研究納米材料對瀝青混合料路用性能的影響。

3.1 納米材料對混合料馬歇爾技術指標的影響

試驗礦料采用石灰巖碎石，礦料級配為AC-16C，采用4.6%的最佳油石比。

在納米材料加入后，納米粉粒與瀝青之間的界面效應使得混合料的馬歇爾試驗各項指標都得到了一定程度的提高，從表2可以發現，兩種瀝青混合料的各項指標均滿足規范要求，且AH-70+2%S瀝青混合料的各項指標要總體優于AH-70+3%C。

表2 納米瀝青混合料馬歇爾試驗結果

3.2 納米改性瀝青混合料水穩定性研究

從表3中試驗結果來看，兩種混合料的殘留穩定度在原基質瀝青的基礎上得到了較大的改善，且均滿足規范中大于80%的規定，且AH-70+2%S瀝青混合料的水穩定性要優于AH-70+3%C。

表3 納米瀝青混合料水穩定性試驗結果

3.3 納米改性瀝青混合料高溫穩定性研究

納米材料的加入能夠極大地提高混合料的動穩定度，從表4的試驗結果來看，加入納米材料的瀝青混合料動穩定度相對基質瀝青提高了30%之多，說明了納米材料能夠較大地改善瀝青混合料的高溫穩定性，且AH-70+2%S瀝青混合料的高溫穩定性要優于AH-70+3%C。

表4 納米瀝青混合料高溫穩定性試驗結果

4 結論

（1）納米材料表面特性獨特，在對瀝青進行改性后，使瀝青性能變化產生了與其他改性瀝青不同之處，因此不能簡單地以現有的指標來評價納米改性瀝青的技術性能。

（2）從路用性能看，納米材料能使混合料的路用性能有著較大的提高，經綜合比選，AH-70+2%S改性瀝青混合料路用性能最優，有著良好的推廣應用前景。

（3）試驗中發現，由于納米分散體系存在著巨大的界面自由能，極易發生團聚，影響改性效果，因此，如何在施工中保證納米材料與瀝青之間良好的相容性和儲存穩定性是下一步研究的重點。

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