納米TiO2對瀝青路用性能影響研究

李博+申亞洲+曾志偉

【摘 要】將納米TiO2摻入瀝青混合料以降解汽車尾氣近年來已有較多研究，但其是否會影響瀝青混合料的路用性能是值得關注的問題。為掌握摻入納米TiO2對瀝青路面性能的影響，本文對國內外相關研究成果進行了總結。發現摻入納米TiO2后對瀝青混合料的高低溫性能、水穩定性與疲勞性能均有一定程度改善。

【關鍵詞】瀝青路面；路用性能；納米TiO2；汽車尾氣

0 引言

近年來，隨著我國綜合實力的穩步發展，在經濟實力急速增長下，汽車市場潛在的巨大實力被逐步挖掘。機動車給人類帶來便捷舒適的同時，其排放的尾氣也引起了一系列的社會與環境問題。根據中國各大城市發布的大氣污染指標表明，主要大氣污染物中NOx的排放量已占30%以上，而汽車尾氣排放的NOx已經超過了90%。因此針對汽車尾氣中NO的去除是現階段亟須研究的重點。以往針對汽車尾氣的治理方法雖然均有一定的成效。但是想徹底的解決這個問題還需要從其他各方面領域入手。用以提高綜合處理效果。

納米TiO2光催化材料是一種具有良好的尾氣催化氧化能力、化學穩定性以及可循環利用性，常被作為凈化空氣的新材料而使用與道路工程相結合。由于汽車尾氣的空間分布規律為：主要集中在路面以上五米高的垂直區域與機動車怠速的橫向區域相并交的范圍，所以首先直接接觸汽車尾氣的建造物就是路面[1]。現階段國內外對納米TiO2材料在道路中的應用是通過將其直接添加到瀝青混合料中（摻入式）和摻入某種載體后再將混合材料涂覆在瀝青路面（涂覆式）兩種方式[2]。但是現階段研究結果發現采用涂覆式方法建造的路面因涂層直接受到汽車荷載作用，導致其耐久性會隨著時間推移有較大的衰弱，因此人們逐步著重于納米材料摻入式瀝青混合料的研究。

加入納米TiO2后是否會影響瀝青混合料的路用性能是值得關注的問題，為此本文總結了國內外相關研究成果，對推動其在公路工程中的應用具有積極意義。

1 納米TiO2對瀝青混合料路用性能影響

納米技術是目前一種新興科學技術，其能在分子水平上創造新的材料、器件以適用于各領域對材料性能的高要求。納米材料的原子與分子之間的相互作用可以直接影響到宏觀材料的特性。本文針對添加納米TiO2材料后，對瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性能、水穩定性、疲勞性能產生的影響進行探討。

1.1 高溫性能

隨著現代人們對交通運輸的需求日益增加，導致了公路運輸中輪胎壓力和軸載荷的增加。由于瀝青路面的粘彈性特性，當其在長時間高溫環境下經受行車反復碾壓，就會發生明顯地形變。人們認為車轍是柔性路面中容易產生的主要病害。現在關于瀝青混合料的永久變形性能的研究已成道路學者研究的焦點，旨在減輕或減少柔性路面的車轍。

Javad Tanzadeh等[3]對添加了不同用量的納米TiO2的瀝青進行了針入度、延度與軟化點的試驗，并對試樣表面進行了SEM掃描電鏡觀察，研究表明添加納米TiO2可以降低瀝青路面產生車轍的深度，添加量達到4%時對防治車轍病害效果最優，并且通過納米TiO2改性后的抗拉能力有明顯的提高。葉超等[4]將不同用量的TiO2加入基質瀝青中后對其進行了常規試驗，研究發現加入納米TiO2后，未老化的瀝青其復數剪切模量G*增大，相位角δ減小，即車轍因子G*/sinδ比未加時有明顯增大。并在60℃下對改性瀝青車轍板進行車轍試驗發現其動穩定度較普通瀝青要高出30%。并且納米材料摻量只需要很小，就能提高瀝青的高溫性能[5]。譚邦耀[6]將蛭石與納米TiO2復配改性劑摻入基質瀝青后，發現瀝青的針入度和相位角減小，軟化點、布氏旋轉粘度和復數剪切模量增大，表明復配改性劑在一定程度上改善了瀝青的高溫穩定性。陳希[7]對納米瀝青混凝土試件進行高溫車轍試驗表明，采用摻入法制備瀝青混合料試件動穩定度有顯著提高。綜上述研究表明摻入納米TiO2可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩定性能。

1.2 低溫性能

瀝青路面面層結構因為直接暴露在大氣環境下，所以極易受到氣候氣溫轉變的制約。一旦氣溫驟降，瀝青面成就容易發生收縮形變，但由于基層與面層之間的制約，此時將在結構內部出現拉應力。當拉應力超過材料的極限拉應力時會產生低溫開裂。

瀝青路面的抗拉強度主要是由瀝青膠漿所提供，而當納米材料加入到瀝青結合料后，混合料內部結構將更加密實，從而可以制約瀝青膠漿在受拉應力時所產生的位移變形。研究發現納米材料可以增強SBS改性瀝青的低溫抗裂性能[8]。Gh. Shafabakhsh等[9]對摻入納米TiO2瀝青混合料蠕變性能進行了研究，發現其拉伸應變、蠕變性能較普通瀝青混合料有明顯改善。王劉欣[10]對添加復合納米材料TiO2/CaCO3后的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗。發現添加納米TiO2/CaCO3能略微提高瀝青混合料的最大彎拉應變。

綜合上述文獻中各研究成果可知，將納米TiO2材料摻入瀝青路面將提高路面的低溫抗裂性能。

1.3 水穩定性

瀝青路面由于地下水和地表水的侵害，因瀝青混合料中集料具有親水性這一特點，導致瀝青路面在與水的接觸作用下，包覆在集料上的瀝青薄膜將從石料上剝落、瀝青混合料之間的作用降低，從而導致瀝青混合料整體力學強度降低，因此混合料的水穩定性通常體現用水分浸泡后混合料物理力學特性削弱水平上。

孫培等[8]通過研究摻入納米TiO2材料后對瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。發現納米改性瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比（TSR）都大于基質瀝青混合料。王劉欣[10]通過對添加復合納米材料TiO2/CaCO3后的瀝青混合料相同試驗發現，改性后的瀝青混合料的水穩定能力均有一定程度的增強。這是因為納米材料因其比表面積較大，與瀝青作用形成膠漿，瀝青中的自由瀝青含量將會減少、而結構瀝青數量隨即增多，從而可以改善瀝青路面的水穩定性。

1.4 抗疲勞性能

瀝青路面在其服役期內，在氣溫環境與交通運輸過程中將受到反復的溫度應力與荷載應力作用，使得路面的結構強度與路用性能逐步下降。當承受的應力次數達到一定次數時將導致瀝青路面產生疲勞破壞。

Hui Li[11]通過對四點彎曲測試方法對添加了納米TiO2的瀝青試樣進行疲勞試驗。研究表明通過納米TiO2改性后的瀝青混合料的抗彎曲疲勞壽命將有顯著的改善，并且確定了納米材料摻量為1%時，其抗疲勞性能達到最優。孫培等[8]同樣采用四點彎曲疲勞試驗來評價復合改性后瀝青混合料疲勞性能的優劣，發現與基質瀝青混合料相比，改性的瀝青混合料的疲勞敏感性有所降低。并且通過對比SBS改性瀝青混合料得出改性瀝青混合料的抗疲勞性能優劣順序如下：納米TiO2/SBS復合改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料>納米TiO2改性瀝青混合料>基質瀝青混合料。裴金榮[12]對摻入納米TiO2材料后的改性瀝青采用動態流變剪切儀進行時間掃描，發現改性后的瀝青加載循環次數曲線較基質瀝青有所增強，說明其能有效的增加瀝青的抗疲勞性能。

2 結語

采用光催化納米TiO2降解汽車尾氣具有無毒無害、高效和可循環利用等特點。且其比表面積較大，加入混合料后自由瀝青數量減少，結構瀝青數量增加，故在摻量較低時能使瀝青的高低溫性能、水穩定性和抗疲勞性能均在一定程度上得到改善，其在未來有良好的應用前景。

【參考文獻】

[1]呂萍，袁九毅，張文煜.城市湍流邊界層內汽車尾氣擴散規律數值模擬研究[J]. 高原氣象，2005（02）：167-172.

[2]譚憶秋，李洛克，魏鵬et al.可降解汽車尾氣材料在瀝青路面中的應用性能評價[J].中國公路學報，2010（06）：21-27.

[3]Javad Tanzadeh，Fariborz Vahedi，Pezhouhan T. Kheiry等.Laboratory Study on the Effect of Nano TiO2 on Rutting Performance of Asphalt Pavements[J].Advanced Materials Research，2012，622-623：990-994.

[4]葉超，陳華鑫.納米SiO_2和納米TiO_2改性瀝青路用性能研究[J].新型建筑材料，2009（06）：82-84.

[5]葉超，陳華鑫，王闖.納米二氧化鈦改性瀝青混合料路用性能研究[J].中外公路，2010，30（3）：315-318.

[責任編輯：朱麗娜]