納米技術(shù)在瀝青路面中的應(yīng)用研究

黃 方

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

0 引言

近些年來，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的道路使用性能，道路相關(guān)工作人員已經(jīng)嘗試納米改性瀝青的開發(fā)和研究。納米材料指的是結(jié)構(gòu)單元的尺寸為 1-100納米，它具有大表面的效應(yīng)，階梯狀的結(jié)構(gòu)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(shù)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(fā)團(tuán)聚，這很大程度上降低了納米粒子的效果，應(yīng)改善納米粒子在液相介質(zhì)中的分散和穩(wěn)定性。納米粒子在瀝青中的分散通常有物理法和化學(xué)法，分散劑可以減少納米粒子團(tuán)聚；加熱瀝青降低其粘度；強(qiáng)力剪切攪拌克服納米粒子之間的團(tuán)聚。目前，無機(jī)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(guān)系，因而要通過瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)來驗(yàn)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(jìn)行了研究表明其可以有效地改善瀝青各項(xiàng)基本路用性能，瀝青軟化點(diǎn)升高，但針入度降低，對于基質(zhì)瀝青的針入度對數(shù)與溫度滿足直線關(guān)系是否對納米碳酸鈣改性瀝青同樣適用還需要進(jìn)一步的研究來證明。張金升等通過對納米Fe3O4的試驗(yàn)表明瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)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(xiàn)，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(jī)膨潤土改性瀝青時(shí)提出感溫性、高低溫穩(wěn)定性都有所提高，當(dāng)摻量為 5%-7%時(shí)效果最佳。張恒龍[2]等人表明納米 SiO2改性瀝青表現(xiàn)出了優(yōu)良的耐紫外老化性能，軟化點(diǎn)增量和黏度老化指數(shù)的顯著降低。Tanzadeh J和Nazari H等人在瀝青粘結(jié)劑中添加TiO2納米顆粒，四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明其可以提高瀝青的疲勞強(qiáng)度，改性瀝青粘結(jié)劑比原瀝青粘結(jié)劑更硬、更粘。Khattak M J等人研究表明CNF與AC的混合表現(xiàn)出更好的粘彈性響應(yīng)和抗車轍性能，并且顯著提高了疲勞壽命。葉超等人表明當(dāng)摻入適當(dāng)?shù)募{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(fù)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(yīng)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(fù)合體對瀝青進(jìn)行改性得出針入度、軟化點(diǎn)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(fù)合改性瀝青，試驗(yàn)表明加納米 SiO2后，復(fù)合改性瀝青針入度減小，軟化點(diǎn)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(jìn)行復(fù)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(fù)合改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度較普通SBS改性瀝青提高5℃-10℃。蔣維翔等人研究認(rèn)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(fā)揮其高性價(jià)比的特性，而在高低溫性能方面SBS具有優(yōu)秀的改性效果。張榮輝等人研究認(rèn)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(wěn)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(shè)成本和提高環(huán)境保護(hù)。

3 納米改性瀝青的其他應(yīng)用

隨著人們對生活環(huán)境的的密切關(guān)注，學(xué)者們發(fā)現(xiàn) TiO2的光催化作用及自清潔的特性，并可以提高空氣質(zhì)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(shí)的薄層式混合料和TiO2摻量為50%時(shí)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(yīng)時(shí)，表面反應(yīng)容易對其產(chǎn)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(xiàn)出其優(yōu)良的凈化前景。關(guān)強(qiáng)等人提出水泥混凝土納米TiO2具有良好凈化效果。

4 結(jié)語

過往研究表明基質(zhì)瀝青經(jīng)納米技術(shù)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(fā)展的一個(gè)重要方向。

由于不同納米材料與基質(zhì)瀝青的相容性差別較大，如果能挑選出與基質(zhì)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(jī)理，這將會很大地提高瀝青的各項(xiàng)路用性能。同時(shí)，還應(yīng)繼續(xù)關(guān)注納米改性瀝青的其他應(yīng)用。