零維納米材料對瀝青性能影響的研究綜述?

王輝，任冶，劉成虎

（長沙理工大學，湖南　長沙　410004）

零維納米材料對瀝青性能影響的研究綜述?

王輝，任冶，劉成虎

（長沙理工大學，湖南長沙410004）

隨著零維納米材料在道路工程中應用愈加廣泛，對其研究增多。文中就零維納米瀝青改性材料進行歸納，分別闡述了不同材料的特點及其改性瀝青的三大指標性能和抗紫外光老化性能，從性能、自清潔能力、尾氣降解等方面分析了零維納米材料對瀝青及環境的影響，闡述了納米改性瀝青的微觀機理，提出了零維納米材料改性瀝青應用中所遇到的問題和今后的研究方向。

公路；零維納米材料；改性瀝青；環境效益；微觀機理

由于一般瀝青不太能適應現代路面要求，需對瀝青進行改性。納米技術在交通材料領域的應用越來越受到關注，納米材料改性瀝青即是其中一個重要的研究方向。納米材料是指粒徑為1～100 nm的細粒晶體，因其特殊體積，比表面積增大，上面原子數的比例增大，從而產生高濃度晶界，使納米材料擁有其他材料所無法擁有的特性，如小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、特殊的光吸收特性等。納米材料按維數可分為零維、一維、二維三類，由于一維納米材料成本較高，且其中某些材料不適合改性瀝青，目前對零維和二維納米材料的研究較多。

零維納米材料即常說的納米粒子，因其表面有極強活性的原子，其很容易與其他原子結合，即納米微粒活化，這是納米粒子不穩定的根本原因。納米技術是把物質的尺寸逐漸減小達到納米級別，物質的物理特性將發生質的改變。因此，納米材料對瀝青的改性是其他材料無法比擬的。目前，納米改性瀝青不管在國內還是在國外都是研究的熱點和前沿，并在一定程度上推動經濟的發展。該文主要對零維納米材料對瀝青性能的影響、作用機理及研究方法進行介紹。

1　零維納米材料改性瀝青

目前，國內外有很多學者對于納米材料在道路交通中的運用有所研究，對材料的種類、改性性能、作用機理都有涉及。零維納米材料種類很多，在道路中應用較多的是納米CaCO3、納米SiO2、納米TiO2、納米Fe3O4和納米Zn O等。這些材料因其納米特性及材料本身屬性對基質瀝青有著不同程度的改性效果，有的是對瀝青的一種性能改性，有的是改善瀝青的幾種性能并附有材料本身特性，總體上都能提高基質瀝青的性能。

1.1零維納米CaCO3改性瀝青

零維納米CaCO3應用在塑料、油墨、橡膠等行業，生產成本及技術都較成熟，但在道路中的應用還處于研究狀態。

馬峰等對零維納米CaCO3改性瀝青技術性能進行了試驗研究，結果表明瀝青經零維納米CaCO3改性后，瀝青的各項基本性能都有所提高，其高溫穩定性、低溫抗裂性得到改善，但針入度指數略有降低，這對改性瀝青的溫度敏感性是不利的。文獻［7]的研究結果顯示零維納米CaCO3在低溫環境下能提高瀝青膠結料的抗變形能力和抗老化性能，但其有別于其他納米材料的一個特性是，當其摻量超過3％時，改性瀝青的性能與納米CaCO3呈非線性變化。這可能是由納米CaCO3的顆粒粒徑造成的，也可能是由納米材料本身特性造成的，需進一步從微觀角度去分析。

1.2零維納米SiO2改性瀝青

納米SiO2是一種白色無定形粉末，具有特殊的結構層次，其顆粒形態要在電子顯微鏡下才能觀察。納米SiO2因其微粒結構的特殊性，在高溫下仍具有高強、高韌、穩定性好等卓越特性。

孫璐等通過人工和機械加工方法進行對比，得出同摻量的零維納米SiO2與瀝青共混后，改性瀝青三大指標均得到改善，且隨著摻量的增加，改善能力增加。張興友等認為，SiO2摻量為瀝青質量的10％ 時，針入度指數升高，納米改性瀝青經薄膜烘箱老化后，其抗老化性能得到改善。在道路破壞中，因其老化后的不可逆性所造成的路面損壞很大，所以瀝青的老化破壞已成為越來越多學者的研究內容。

在降低能耗方面，納米SiO2改性瀝青也能起到一定作用，能降低壓實溫度，使消耗的能量更少，能耗降低。如果能在能耗較大的基礎設施建設中有所運用，那么環境和經濟都能獲益。此外，納米SiO2能提高瀝青的彈性恢復性能、抗老化性能，但會稍微降低改性瀝青的低溫性能。

1.3納米TiO2改性瀝青

隨著人們對環境問題的越來越重視，TiO2以其光催化作用及自清潔功能而慢慢進入人們的研究范圍。意大利、法國、日本等國家運用納米TiO2材料鋪設試驗路，結果發現對空氣質量有所改善；中國一些城市也進行了理論和實踐研究。

Marwa M.Hassan等的研究結果表明納米TiO2對基質瀝青的流變性能有所影響，但還不能達到提高流變性能等級的效果。納米TiO2還能改善瀝青的復數剪切模量。Marion Schmitt等的研究表明增加氮氧化物的流速和NO2在氮氧化物中所占比率會對光催化過程產生負面影響。國內的一些學者則針對納米TiO2改性瀝青作了一些研究，如納米TiO2在基質瀝青中的摻量、納米材料與瀝青共混的施工工藝、其他材料對納米改性瀝青的光催化作用影響及納米改性瀝青在實際路面模擬情況下對汽車尾氣降解的效率等，這些研究都是為了更進一步尋找納米TiO2與瀝青的共混機理、對基質瀝青的改善效果和對汽車尾氣降解的環境效益。

1.4納米ZnO

納米級Zn O的突出特點在于產品粒子為納米級，同時具有納米材料和傳統Zn O的雙重特性。與傳統ZnO相比，其比表面積大，化學活性高，粒子形狀可根據需要進行調整等，其紫外線遮蔽高達98％。將TiO2和ZnO噴涂在車轍板上來觀測其老化率，發現納米材料能改善瀝青路面的老化速率。有研究表明觀測納米Zn O在瀝青材料中分散情況的最好辦法是通過電子掃描顯微鏡圖像觀察。

國內對零維納米Zn O的研究集中在其與Zn O的共混物上，如肖鵬、李雪峰等對零維納米Zn O及零維Zn O與SBS共混物進行了較多研究，結果顯示：在基質瀝青中加入零維納米Zn O，瀝青的三大指標均有所改善，但不明顯，且離析程度低；零維納米Zn O加入基質瀝青中，不僅能提高改性瀝青的路用性能，還有利于納米Zn O/SBS復合改性瀝青中SBS的分散，使SBS改性瀝青能保持均勻分散體系。對于納米Zn O/SBS改性瀝青共混物的微觀結構與共混機理可通過電鏡、熒光顯微鏡進行研究。

1.5納米Fe3O4

目前對納米Fe3O4改性瀝青的研究并不多。張金升等通過濕化學沉淀法制備水基和柴油基Fe3O4納米膠體體系對納米Fe3O4進行研究，結果顯示瀝青的針入度、延度、軟化點都有所提高。納米Fe3O4因其催化性也常被用來與其他聚合物或納米材料共混，使其他材料的性能得到更大提高。

2　改性機理

零維納米材料以其特殊性質，加入基質瀝青中可大大改善其各項性能指標。不同零維納米材料有不同的改性方法，有物理的、化學的，還有物理化學相結合的。通過微觀機理分析能了解零維納米材料的改性機理，主要方法有掃描電鏡分析（SEM）、差熱分析（DSC）、紅外光譜分析（FTIR）和凝膠色譜分析（GPC）。

2.1納米級效應

（1）納米粒子表面含有大量原子，因粒子比表面積大，可形成無數短程環形擴散途徑，因而它具有高擴散性。這種高擴散性對機械性如超高塑性有非常重要的影響。這對材料在受熱和壓力變形下保持或恢復原樣是有益的。

（2）邊界處平均原子間距的增加，使其面界具有大的自由體積，導致納米材料的伸縮常數比體相材料減少30％或更少。當材料為納米量級時，納米材料的強度和硬度是普通材料的4～5倍。

（3）納米材料的小尺寸效應、表面與界面效應及表面原子的無序排列，使納米材料的原子與其他材料的原子被外力緊緊地聯系在一起。

（4）從改性效果來看，一方面，粒徑小的無機粒子表面積大，非配對原子多，粒子與基體所產生的粘結可承受更大的作用力；另一方面，粒子的表面存在孤獨電子，打開后使其成為反應的活性中心，粒子與高分子便能產生化學鍵，即發生化學作用。

（5）零維納米材料因其表面的多孔性，比表面積很大，有著強大的附著能力，能使集料表面更均勻地吸附瀝青，從而大幅度降低瀝青的流動性，增加流變阻力。

（6）納米材料的增韌作用是在復合材料受到沖擊時，若臨界基體厚度仍大于基體層厚度，基體層的塑性變形將大大加強，從而使材料韌性大幅度提高。由于無機剛性粒子的變形不會很大，在較大拉應力作用下，基體和填料會與納米微粒脫粘，使界面形成空穴，使之成為應力集中點。此外，其局部區域可產生能量屈服現象，應力集中和界面脫粘所消耗的能量使納米粒子需獲得更多的能量才能受到破壞，這也是無機材料剛性粒子的增韌作用。

2.2特殊納米材料特性

（1）TiO2是一種多功能的N形半導體，其電子結構由價電子帶和空軌道形成的傳導帶構成，受光照射時，比禁帶寬度能量大的光被吸收，價帶的電子激發至導帶，達到吸收紫外線的目的。

（2）納米TiO2的折射率很高，對光的反射、散射能力很強，對紫外線具有良好的屏蔽功能，一般粒徑為30～100 nm時，對紫外光的屏蔽效果最好。

3　結語與展望

零維納米材料因其特殊性能，不但能滿足瀝青及路面性能要求，還能吸收氮氧化物，凈化城市道路特別是擁堵路段空氣質量，有利于環境保護。意大利米蘭市鋪設納米TiO2瀝青砼路面，分析結果顯示廢氣污染降低60％～70％；日本運用納米TiO2光催化劑鋪筑高速公路，測試結果顯示該公路可降低汽車尾氣中至少1/4的氮氧化物；上海于2006年鋪筑了120 m可吸收汽車尾氣的功能性路面，其催化材料中含TiO2涂料。納米顆粒改性瀝青路面材料是未來道路發展的一個方向。

零維納米材料及其技術在瀝青路面工程上的研究和應用還不很完善，需在以下方面進行進一步研究：1）零維納米材料的比選及加工工藝；2）零維納米材料的理論、試驗研究與實際工程運用的銜接；3）納米材料微觀改性機理；4）不同零維納米材料間的相互作用；5）納米材料的相容性和分散性，這是改性瀝青能不能很好地發揮其作用的決定因素。

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U416.217

A

1671-2668（2016）01-0091-04

2015-06-25

國家自然科學基金資助項目（51478052）；廣東省交通運輸廳科技計劃項目（2013-01-002）