納米技術在瀝青路面中的應用研究

黃 方

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

近些年來，為了實現高質量的道路使用性能，道路相關工作人員已經嘗試納米改性瀝青的開發和研究。納米材料指的是結構單元的尺寸為 1-100納米，它具有大表面的效應，階梯狀的結構分布于超微粒子的表面，包含了很容易與外來原子吸附的高表面能的不安定原子。以維數來劃分有零維，一維，二維，三維納米材料，比如納米粒子，納米碳管，納米層狀硅酸鹽等。

1 納米材料改性瀝青

1.1 納米材料改性瀝青的制備

納米粒子的粒徑雖小但表面能較高，常自發團聚，這很大程度上降低了納米粒子的效果，應改善納米粒子在液相介質中的分散和穩定性。納米粒子在瀝青中的分散通常有物理法和化學法，分散劑可以減少納米粒子團聚；加熱瀝青降低其粘度；強力剪切攪拌克服納米粒子之間的團聚。目前，無機非金屬納米材料常用來制備納米改性瀝青，主要包括納米SiO2, TiO2, CaCO3, ZnO,Fe2O3,納米蒙脫土等氧化物或碳酸鹽。

1.2 納米材料對瀝青混合料性能的影響

瀝青路面的性能與瀝青混合料有著直接的關系，因而要通過瀝青混合料的路用性能試驗來驗證納米改性瀝青的可靠性。

馬峰等人對零維納米 CaCO3改性瀝青進行了研究表明其可以有效地改善瀝青各項基本路用性能，瀝青軟化點升高，但針入度降低，對于基質瀝青的針入度對數與溫度滿足直線關系是否對納米碳酸鈣改性瀝青同樣適用還需要進一步的研究來證明。張金升等通過對納米Fe3O4的試驗表明瀝青的針入度、延度、軟化點都有所提高。Tanzadeh J和Vahedi F[1]等人研究表明納米TiO2改性瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更好的車轍深度。

涂瓛等人在其研究中使用納米層狀硅酸鹽蒙脫土改性瀝青表明其能有效地阻止瀝青材料的老化、減少車轍流動變形和疲勞破壞的出現，對于延長瀝青路面的使用壽命具有明顯的作用。徐攀等人在研究納米有機膨潤土改性瀝青時提出感溫性、高低溫穩定性都有所提高，當摻量為 5%-7%時效果最佳。張恒龍[2]等人表明納米 SiO2改性瀝青表現出了優良的耐紫外老化性能，軟化點增量和黏度老化指數的顯著降低。Tanzadeh J和Nazari H等人在瀝青粘結劑中添加TiO2納米顆粒，四點彎曲疲勞試驗結果表明其可以提高瀝青的疲勞強度，改性瀝青粘結劑比原瀝青粘結劑更硬、更粘。Khattak M J等人研究表明CNF與AC的混合表現出更好的粘彈性響應和抗車轍性能，并且顯著提高了疲勞壽命。葉超等人表明當摻入適當的納米TiO2劑量后抗車轍因子增大，瀝青的高溫性能可以得到提高。

2 復合式聚合物納米改性瀝青及混合料

聚合物改性瀝青是在瀝青中摻加了如PE，SBS, SBR等包含高分子量的聚合物改性劑，聚合物和瀝青組分反應于微米和納米尺度下，提高了瀝青的綜合路用性能。

張曉航[3]使用碳納米管/橡膠復合體對瀝青進行改性得出針入度、軟化點和黏度提升效果明顯，抗車轍因子更高，相位角更小，對瀝青高溫性能的提升更為顯著。

韓麗麗[4]等人制備了濕法Terminal Blend膠粉-納米SiO2復合改性瀝青，試驗表明加納米 SiO2后，復合改性瀝青針入度減小，軟化點升高，高溫抗變形性能得到改善。

李增金[5]等人在SBR改性瀝青中通過摻入納米TiO2對瀝青進行復合改性，得出TiO2最佳摻量為4%。

李宇軒[6]等人分別使用星型和線型SBS改性劑，在不同的納米硫摻量下制備改性瀝青，表示納米硫SBS復合改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度較普通SBS改性瀝青提高5℃-10℃。蔣維翔等人研究認為納米CaCO3改性瀝青更適合在等級較低的公路上使用，這才能發揮其高性價比的特性，而在高低溫性能方面SBS具有優秀的改性效果。張榮輝等人研究認為采用橡膠瀝青和納米 CaCO3混合使用可以顯著提高其高溫性能和水穩性。周海生研究表明硫化橡膠粉對瀝青的高低溫性能都有一定的改善，可降低道路建設成本和提高環境保護。

3 納米改性瀝青的其他應用

隨著人們對生活環境的的密切關注，學者們發現 TiO2的光催化作用及自清潔的特性，并可以提高空氣質量。

孫式霜等人表示摻入納米TiO2后可以顯著改善瀝青的抗光老化性能。李文博[7]等人表明，TiO2摻量為60%（占礦粉比例）時的薄層式混合料和TiO2摻量為50%時的微表處式混合料具有較好的尾氣降解效果及良好的路用性能。錢春香等人對納米TiO2對汽車尾氣中氮氧化物的降解作用研究表明，納米TiO2在光催化反應時，表面反應容易對其產生影響。余亞超等人研制了改性納米光催化水泥基材料，展現出其優良的凈化前景。關強等人提出水泥混凝土納米TiO2具有良好凈化效果。

4 結語

過往研究表明基質瀝青經納米技術改性后，其綜合路用性能得到明顯提升，納米改性瀝青路面材料是道路工程材料未來發展的一個重要方向。

由于不同納米材料與基質瀝青的相容性差別較大，如果能挑選出與基質瀝青能最佳相容的材料，不同改性劑的最佳摻量以及相互影響機理，這將會很大地提高瀝青的各項路用性能。同時，還應繼續關注納米改性瀝青的其他應用。