納米改性瀝青材料在路面工程中的應用研究現狀

王 永

（中鐵四局集團第二工程有限公司，安徽阜陽 236000）

納米技術自20世紀90年代后發展迅速，利用納米顆粒開展材料改性的研究越來越多。在工程建設領域，國內外均已進行相應的實踐與研究工作，并取得了較多涉及高分子材料與納米涂料的研究成果。近些年來，納米技術逐漸被引入道路工程行業并得到初步應用，尤其是納米改性瀝青材料，成為瀝青路面研究領域的一大熱點。所謂納米改性瀝青材料，即借助剪切儀與攪拌器等在基質瀝青中均勻摻入納米粉末，混合而成。由于納米粉末的表面特性，生成的改性瀝青材料具備優良的高低溫穩定性、抗老化性等路用性能。

區別于常規方法制備的改性瀝青，納米改性瀝青具備優異路用性能的一大關鍵是納米材料與基質瀝青在微觀層面上的結合。作為一種介觀物質，納米材料的基本特性包括小尺寸、表面和宏觀量子隧道效應等，納米顆粒表面原子多、活躍度高，易與其他原子結合而趨于穩定。故而將其摻至基質瀝青時，能在微觀層面優化瀝青性能。當前，已有較多納米粒子具備工業化生產條件，且價格實惠，為納米改性瀝青的推廣應用奠定了物質基礎。為更好地促進納米改性瀝青的發展，本文總結了國內外納米材料改性瀝青的研究現狀，總結規律并提出發展方向，同時展望了納米改性瀝青的研究前景。

1 納米改性瀝青及瀝青混合料

1.1 納米改性瀝青的研究

目前，被用于制備納米改性瀝青的多為氧化物或碳酸鹽等無機非金屬材質，如納米SiO2、TiO2、CaCO3及納米蒙脫土。相比金屬材質而言，無機非金屬納米材料能為瀝青材料提供抗老化性、耐磨性等特性，因而成為納米改性瀝青領域的研究重點，并已有大量的研究工作。

馬峰[1]將納米CaCO3作為瀝青改性劑進行試驗研究，表明納米CaCO3的摻入能改善瀝青的高溫性能；張金升等[2]通過溶液反應法制備Fe3O4球形納米粒子并將其加入基質瀝青中，顯著改善了瀝青的三大指標；張春青等[3]將納米TiO2作為基質瀝青的改性劑進行試驗，結果表明納米TiO2能較好的屏蔽紫外線，提供抗老化性能；Khodary等[4]在研究中使用納米水泥窯粉塵顆粒，發現改性后的瀝青軟化點性能提升明顯；李玉霞等[5]則在煤瀝青中摻加納米氧化鋅棒進行改性，取得了較大的性能改善效果。

1.2 納米改性瀝青混合料的研究

性能優異的瀝青對混合料的性能具有積極的提升作用，而由瀝青和礦質集料組成的瀝青混合料則直接影響瀝青路面的性能。因此，需要對納米改性瀝青混合料的路用性能開展研究測試，以此來驗證納米改性瀝青的可靠性。鑒于此，已有較多學者進行了相關研究。

劉大梁等[6]為研究納米CaCO3改性瀝青的影響，開展了瀝青混合料的路用性能試驗，發現納米CaCO3改性瀝青大幅提升了相應瀝青混合料的高溫性能；葉超等[7]依托納米TiO2改性瀝青制備的瀝青混合料，以納米TiO2的顆粒粒徑為指標，分析其對納米TiO2摻量的影響；黃維蓉等[8]對納米層狀硅酸鹽改性瀝青制備的混合料進行了路用性能試驗，證明在摻加納米改性瀝青后，混合料的高溫和水穩定性提升明顯；姜海濤[9]以納米有機蒙脫土改性瀝青為對象，基于疲勞方程和拉伸試驗，對混合料的動態力學性能開展了研究。

2 納米復合改性瀝青及混合料

2.1 納米復合改性瀝青的研究

在用于瀝青改性的改性劑研究方面，聚合物改性劑的報道較早，研究成果較為豐富，并已有大量的工程實踐。作為一種混合體系，聚合物改性瀝青為聚合物溶脹于瀝青中而形成，兼具聚合物的相關特性，且其溶脹機理已得到廣泛認可。目前常見的聚合物主要為SBS、SBR、PE等。在基質瀝青中同時摻入納米材料與高分子聚合物，可制備得到納米/高分子聚合物復合改性瀝青。研究表明，相比基質瀝青，納米復合改性瀝青可顯著提升綜合性能。

李雪峰等[10]基于球形納米ZnO與聚合物SBS配制獲得ZnO/SBS改性瀝青，技術性能表明，復合改性方法既能發揮納米ZnO的特性，也能優化SBS的分散效果，顯著提升了改性瀝青及其混合料的路用性能。劉大梁等[11]對納米CaCO3/SBS改性瀝青進行性能分析，發現改性瀝青的軟化點等指標與納米CaCO3的摻量為正相關關系。孫璐等[12]基于納米SiO2、納米有機膨潤土與SBS，分別制備單一改性瀝青與復合改性瀝青，性能對比試驗顯示，在綜合性能方面，復合改性瀝青混合料更佳。葉超等[13]研究認為TiO2/SBS復合改性瀝青有利于改善高溫性能，瀝青材料的抗車轍因子增大，而疲勞性能基本不變。

2.2 納米復合改性瀝青混合料的研究

研究認為納米復合改性瀝青具有優良的綜合性能，為進一步驗證這一點，需配制獲得納米復合改性瀝青混合料，并在此基礎上開展混合料的路用性能試驗，具體分析納米復合改性瀝青的特性。鑒于此，有較多學者對此開展了相關研究。

常海洲等[14]以納米CaCO3/SBS復合式改性瀝青混合料為研究對象，試驗分析了納米CaCO3摻量與改性瀝青溫度敏感性、軟化點等指標的關系。孫璐等[15]將納米SiO2摻至SBS改性瀝青中制得納米復合改性瀝青，基于混合料的性能試驗，證明復合改性瀝青的高低溫性能得到了全面提升。孫培等[16]對納米ZnO/SiO2/SBS復合改性瀝青混合料的綜合性能開展研究分析，結果表明，相比基質瀝青混合料，納米復合改性瀝青混合料的耐久性、溫度穩定性以及抗拉性等均更優。

3 多維度的納米材料改性研究

目前，國內外學者雖已取得較多的納米改性瀝青研究成果，但大多針對單一粒徑或晶型的納米材料，而在瀝青中摻加不同粒徑或形貌納米材料的相關性能分析則少有涉及，且缺乏系統研究。因此，部分學者嘗試將不同粒徑或晶型的納米顆粒摻至瀝青中進行改性，并通過路用性能測試，分析納米材料粒徑或晶型對瀝青及混合料的性能影響。

不同反應環境下的納米材料會產生不同的形貌。已有研究報道指出，復合材料的彈性模量、拉伸強度及屈服應力等指標均與納米材料的粒徑有關，這點同樣適用于納米改性瀝青。納米顆粒粒徑越小，總體表面積越大，與瀝青接觸的概率就越高。因此，國內外較多學者在研究納米改性瀝青時已注意到納米顆粒粒徑的影響。Shen等[17]將不同粒徑大小的納米熟石灰顆粒以同樣的摻量摻至基質瀝青中，再通過開展凍融劈裂試驗、DSR試驗等，對不同粒徑納米熟石灰與改性瀝青及混合料路用性能之間的影響關系進行分析總結。值得注意的是，該試驗以球磨機轉速來衡量納米熟石灰粒徑，不同轉速對應不同的納米粒徑。Aboelkasim等[18-19]同樣以納米熟石灰為對象，研究不同摻量與粒徑對改性瀝青的性能影響。先通過動態剪切流變試驗，分析不同摻入條件下的瀝青高溫性能；再針對納米顆粒粒徑對瀝青與石料間的表面黏結力影響關系，采用SFE試驗開展了評價。已有研究表明，納米TiO2對紫外線具有較好的屏蔽作用，但大量研究報道均未注意到納米材料形貌的影響，因此，李欣[20]較為全面地對此進行了研究。通過分析瀝青在不同時長、強度紫外光照射后的性能狀況，總結納米TiO2的不同晶型及摻量對抗紫外線性能的影響。

總體來看，納米材料在道路工程行業的應用已得到關注[21-22]。隨著進一步發展，納米材料將會提供更多異于常規的特性，在路面工程中具備廣闊的發展前景。

4 結語和展望

將納米材料摻入至基質瀝青中形成納米改性瀝青，或與聚合物共摻形成納米復合改性瀝青，均可顯著優化瀝青混合料的路用性能。但目前研究中的納米材料種類繁多，缺乏系統性分類，尚無規律可循。同時，較常使用的納米材料與瀝青的相容性普遍偏差，對綜合性能影響較大，且納米顆粒存在團聚效應，在摻入至基質瀝青中后難以達到均勻分布的狀態。因此，筆者認為納米材料與瀝青的相容性問題亟待解決，需要探索出有效的方案；或尋求一種能使納米材料與高分子聚合物共混于瀝青的系統方法，從而大幅提升瀝青及其混合料的綜合性能。與此同時，應當在試驗研究中系統考慮納米材料粒徑與形貌的影響問題，探索獲得有利于瀝青綜合性能提升的最優納米顆粒粒徑或形貌。