纳米技术在沥青路面中的应用研究

关键词：道路工程；沥青路面；纳米材料；聚合物改性沥青

0 引言

近些年来，为了实现高质量的道路使用性能，道路相关工作人员已经尝试纳米改性沥青的开发和研究。纳米材料指的是结构单元的尺寸为 1-100 纳米，它具有大表面的效应，阶梯状的结构分布于超微粒子的表面，包含了很容易与外来原子吸附的高表面能的不安定原子。以维数来划分有零维，一维，二维，三维纳米材料，比如纳米粒子，纳米碳管，纳米层状硅酸盐等。

1 纳米材料改性沥青

1.1 纳米材料改性沥青的制备

纳米粒子的粒径虽小但表面能较高，常自发团聚，这很大程度上降低了纳米粒子的效果，应改善纳米粒子在液相介质中的分散和稳定性。纳米粒子在沥青中的分散通常有物理法和化学法，分散剂可以减少纳米粒子团聚；加热沥青降低其粘度；强力剪切搅拌克服纳米粒子之间的团聚。目前，无机非金属纳米材料常用来制备纳米改性沥青，主要包括纳米 SiO2 , TiO2 , CaCO3 , ZnO,Fe2O3,纳米蒙脱土等氧化物或碳酸盐。

1.2 纳米材料对沥青混合料性能的影响

沥青路面的性能与沥青混合料有着直接的关系，因而要通过沥青混合料的路用性能试验来验证纳米改性沥青的可靠性。

马峰等人对零维纳米 CaCO3 改性沥青进行了研究表明其可以有效地改善沥青各项基本路用性能，沥青软化点升高，但针入度降低，对于基质沥青的针入度对数与温度满足直线关系是否对纳米碳酸钙改性沥青同样适用还需要进一步的研究来证明。张金升等通过对纳米 Fe3O4的试验表明沥青的针入度、延度、软化点都有所提高。Tanzadeh J 和 Vahedi F[1]等人研究表明纳米 TiO2改性沥青混合料比普通沥青混合料具有更好的车辙深度。

涂瓛等人在其研究中使用纳米层状硅酸盐蒙脱土改性沥青表明其能有效地阻止沥青材料的老化、减少车辙流动变形和疲劳破坏的出现，对于延长沥青路面的使用寿命具有明显的作用。徐攀等人在研究纳米有机膨润土改性沥青时提出感温性、高低温稳定性都有所提高，当掺量为 5%-7%时效果最佳。张恒龙[2]等人表明纳米 SiO2 改性沥青表现出了优良的耐紫外老化性能，软化点增量和黏度老化指数的显著降低。Tanzadeh J 和 Nazari H 等人在沥青粘结剂中添加 TiO2纳米颗粒，四点弯曲疲劳试验结果表明其可以提高沥青的疲劳强度，改性沥青粘结剂比原沥青粘结剂更硬、更粘。Khattak M J 等人研究表明 CNF 与 AC 的混合表现出更好的粘弹性响应和抗车辙性能，并且显著提高了疲劳寿命。叶超等人表明当掺入适当的纳米 TiO2剂量后抗车辙因子增大，沥青的高温性能可以得到提高。

2 复合式聚合物纳米改性沥青及混合料

聚合物改性沥青是在沥青中掺加了如 PE，SBS, SBR 等包含高分子量的聚合物改性剂，聚合物和沥青组分反应于微米和纳米尺度下，提高了沥青的综合路用性能。

张晓航[3]使用碳纳米管/橡胶复合体对沥青进行改性得出针入度、软化点和黏度提升效果明显，抗车辙因子更高，相位角更小，对沥青高温性能的提升更为显著。

韩丽丽[4]等人制备了湿法 Terminal Blend 胶粉-纳米 SiO2复合改性沥青，试验表明加纳米 SiO2 后，复合改性沥青针入度减小，软化点升高，高温抗变形性能得到改善。

李增金[5]等人在 SBR 改性沥青中通过掺入纳米 TiO2对沥青进行复合改性，得出 TiO2最佳掺量为 4%。

李宇轩[6]等人分别使用星型和线型 SBS 改性剂，在不同的纳米硫掺量下制备改性沥青，表示纳米硫 SBS 复合改性沥青的拌和温度和压实温度较普通 SBS 改性沥青提高 5℃-10℃。蒋维翔等人研究认为纳米 CaCO3改性沥青更适合在等级较低的公路上使用，这才能发挥其高性价比的特性，而在高低温性能方面 SBS 具有优秀的改性效果。张荣辉等人研究认为采用橡胶沥青和纳米 CaCO3 混合使用可以显著提高其高温性能和水稳性。周海生研究表明硫化橡胶粉对沥青的高低温性能都有一定的改善，可降低道路建设成本和提高环境保护。

3 纳米改性沥青的其他应用

随着人们对生活环境的的密切关注，学者们发现 TiO2的光催化作用及自清洁的特性，并可以提高空气质量。

孙式霜等人表示掺入纳米 TiO2后可以显著改善沥青的抗光老化性能。李文博[7]等人表明，TiO2掺量为 60%（占矿粉比例）时的薄层式混合料和 TiO2掺量为 50%时的微表处式混合料具有较好的尾气降解效果及良好的路用性能。钱春香等人对纳米 TiO2对汽车尾气中氮氧化物的降解作用研究表明，纳米 TiO2在光催化反应时，表面反应容易对其产生影响。余亚超等人研制了改性纳米光催化水泥基材料，展现出其优良的净化前景。关强等人提出水泥混凝土纳米 TiO2具有良好净化效果。

4 结语

过往研究表明基质沥青经纳米技术改性后，其综合路用性能得到明显提升，纳米改性沥青路面材料是道路工程材料未来发展的一个重要方向。

由于不同纳米材料与基质沥青的相容性差别较大，如果能挑选出与基质沥青能最佳相容的材料，不同改性剂的最佳掺量以及相互影响机理，这将会很大地提高沥青的各项路用性能。同时，还应继续关注纳米改性沥青的其他应用。

参考文献

[1]Tanzadeh J , Tanzadeh R , Nazari H , et al. Fatigue Evaluation of Hot Mix Asphalt (HMA) Mixtures Modified by Optimum Percent of TiO2 Nanoparticles[C]// Advanced Engineering Forum. 2017.

[2]张恒龙,朱崇政,张葆琳,余剑英.表面修饰纳米二氧化硅对沥青性能的影响[J].建筑材料学报,2014,17(01):172-176

[3]张晓航.碳纳米管/橡胶复合改性沥青常规性能研究[J].中国市政工程,2016(04):80-81+106-107.

[4]韩丽丽,韩红红,郑木莲.TerminalBlend 废胶粉-纳米 SiO_2 改性沥青粘温关系及低温韧性[J].材料科学与工程学报,2017,35(06):902-905+920

[5]李增金,张珊珊.纳米二氧化钛与 SBR 复合改性沥青及其混合料性能研究[J].山东交通科技,2018(04):65-67.

[6]李宇轩,赵红艳,李祖仲,关羽,刘开平,汤卓群.纳米硫 SBS 复合改性沥青试验研究[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(11):51-54.

[7]李文博,于江,李林萍.纳米 TiO_2 封层式光催化分解尾气型沥青路面研究纳米[J].中外公路,2017,37(05):36-40.