納米材料在瀝青路面中的應(yīng)用綜述

徐衍青，李瑞明，鄭傳峰

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

對于傳統(tǒng)的瀝青路面材料，通常添加聚合物改性劑以改善瀝青材料的性能，如廢橡膠粉、SBS、SBR等。雖然它們可以有效地提高瀝青材料的性能，但相反也造成混合物的耐老化性能下降和儲存穩(wěn)定性差，這些缺點(diǎn)限制了瀝青材料的改性程度。隨著近年來人們對納米材料認(rèn)知的不斷深入，越來越多的研究人員開始關(guān)注納米材料在路面中的應(yīng)用。

納米材料被描述為結(jié)構(gòu)單元在1～100 nm范圍內(nèi)至少具有一個(gè)尺寸的材料。此外，根據(jù)納米材料的不同尺寸，納米材料可分為零維，一維和二維納米材料。由于納米材料的尺寸效應(yīng)，納米材料具有許多傳統(tǒng)材料中未發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異性能，如宏觀量子的隧道效應(yīng)，大比表面積，高表面自由能，良好的分散性等。更重要的是，納米材料具有很強(qiáng)的抗老化能力、自潔性、凈化廢氣能力。正是這些效果使其更有效地改性瀝青以滿足運(yùn)輸發(fā)展的要求。因此，研究人員將納米材料作為瀝青改性劑加入瀝青中，以提高高溫性能、低溫性能、水敏感性和抗老化性能。

隨著納米改性劑的廣泛應(yīng)用，人們對納米改性瀝青進(jìn)行了許多研究，并取得了相當(dāng)多的成果。已有研究證明，納米材料作為改性劑可以大大提高瀝青的高溫和低溫性能，更能提高其抗老化和抗疲勞性能。因此，納米材料在新的改性劑中發(fā)揮著十分重要的作用。常用作為改性劑的納米材料一般有納米黏土、碳納米管、納米二氧化硅、納米Zno、納米TiO2。而且由于不同納米改性劑的微觀形態(tài)不同，改性效果和改性機(jī)理也各不相同。一些納米材料可能與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以改善瀝青的性能，而其他納米材料只是發(fā)生物理變化。

該文首先總結(jié)常用納米改性劑的類型，然后介紹納米改性瀝青的性能測試方法及納米改性瀝青各種性能的提高原理，并對其改性機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 納米改性劑和測試方法

1.1 納米改性劑

表1為常用的納米改性材料。圖1為各種納米改性劑的微觀結(jié)構(gòu)。

表1 常用的納米改性材料

1.1.1 納米黏土

納米黏土以納米蒙脫石為代表，納米蒙脫土是一種廣泛使用的納米材料。納米蒙脫石是屬于硅酸鹽族的2對一層蒙脫石礦物。納米材料具有層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，厚度僅為1 nm，具有高縱橫比。它由夾在兩層四面體硅膠片之間的八面體氧化鋁片組成，由納米黏土層疊層。此外，層狀結(jié)構(gòu)具有高膨脹壓力，并且容易使晶體以微?；?qū)拥男问絼冸x。同時(shí)，納米黏土具有良好的阻隔性能、撕裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。納米黏土具有低生產(chǎn)成本和良好的性能，因此已廣泛用于瀝青改性。

圖1 各種納米改性劑的微觀結(jié)構(gòu)

1.1.2 納米SiO2

納米二氧化硅是一種儲量豐富的礦物材料。目前用于許多領(lǐng)域，如硅膠的生產(chǎn)、藥物運(yùn)輸、彈性體工業(yè)和水泥混凝土混合物。納米二氧化硅通常以石英和立方多晶型的形式存在于自然界中，并且通常以四面體硅原子為中心，被四個(gè)氧原子包圍并與其他硅原子共享從而形成其晶體結(jié)構(gòu)。此外，納米二氧化硅不僅具有較大的比表面積，良好的分散性，而且還具有良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附能力。更重要的是，其化學(xué)純度高，易于生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.1.3 碳納米管

碳納米管由石墨片制備并卷成直徑約1 nm的圓柱形無縫壁結(jié)構(gòu)。每個(gè)壁為由sp2雜化碳原子組成的六面體網(wǎng)絡(luò)平面的圓柱形表面。通常，碳納米管分為兩種類型：單壁碳納米管和多壁碳納米管。制備納米材料有3種主要方法：電弧放電，激光燒蝕和化學(xué)氣相沉積。此外，碳納米管的性能優(yōu)異，彈性模量值可以達(dá)到1 TPa，并且可以在沒有損壞的情況下以大角度彎曲。而且，碳納米管具有極高的縱橫比，甚至可以達(dá)到數(shù)千。它的強(qiáng)度、耐化學(xué)性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性也非常優(yōu)異，是一種優(yōu)良的瀝青改性劑。

1.1.4 納米ZnO

納米ZnO是一種重要的半導(dǎo)體材料，作為金屬氧化物廣泛用于各種領(lǐng)域。最常見的用途是將材料改性為添加劑，通常添加到橡膠、塑料、陶瓷、玻璃、水泥和潤滑劑等材料中。納米氧化鋅不溶于水、無毒、無味，是一種白色粉末。其制備主要有以下方法：溶膠-凝膠法，均相沉淀法，微乳液法，燃燒合成法和水熱法。另外，其紫外線吸收和屏蔽效果良好，可用作抗老化劑。因此，它是一種性能良好的添加劑，受到研究人員的廣泛關(guān)注。

1.1.5 納米TiO2

納米二氧化鈦是一種無機(jī)化合物，白色粉末，不溶于水，是一種很好的光催化材料。它主要以3種形式存在于自然界中：銳鈦礦、金紅石和板鈦礦。目前，中國使用的納米二氧化鈦主要來自金紅石，因?yàn)槠鋬α控S富。納米TiO2具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，可以有效地捕獲和分解空氣中的有機(jī)和無機(jī)顆粒，同時(shí)在紫外線存在下可去除有害的空氣污染物。此外，納米TiO2還能夠在下雨的情況下進(jìn)行自清潔。而且，它還具有紫外線屏蔽效果，可用作紫外線吸收劑。總之，納米二氧化鈦是一種潛在的瀝青改性劑。

1.2 測試方法

對于瀝青黏合劑和瀝青混合料，其常用的試驗(yàn)方法一般包括動態(tài)剪切流變儀、彎曲梁流變儀、旋轉(zhuǎn)黏度、瀝青路面分析儀車轍儀、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)、動態(tài)模量、表面自由能、水分敏感性試驗(yàn)、儲存穩(wěn)定性、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜和原子力顯微鏡。表2為測試方法、目標(biāo)和用途。

表2 測試方法和目的

2 納米改性劑對瀝青的影響

2.1 納米黏土

納米黏土通常分為兩類：① 未改性的納米黏土；② 聚合物改性的納米黏土。而蒙脫土是一種廣泛使用的納米黏土，作為提高瀝青性能的改性劑。已經(jīng)證明，納米黏土改性瀝青可以增加防潮性，增強(qiáng)物理性能并降低應(yīng)變失效率。

Abdelrahman等通過動態(tài)力學(xué)分析，彎曲剛度蠕變和彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：添加納米黏土可以有效提高瀝青的高溫性能，不僅可以提高復(fù)數(shù)模量，還可以降低剪切角。姚等發(fā)現(xiàn)聚合物改性納米黏土能夠提高短期老化和長期老化瀝青的高溫性能和恢復(fù)能力，而未改性納米黏土對這種高溫性能沒有明顯影響。從高性能瀝青路面等級的觀點(diǎn)來看，無論是聚合物改性的納米黏土還是未改性的納米黏土制作改性瀝青，改性瀝青都沒有在應(yīng)力松弛和低溫性能方面有很大改性；Golestani等通過比較納米黏土改性瀝青(NMA)、聚合物改性瀝青(PMA)和納米復(fù)合材料改性瀝青(NCMA)，分析了改性瀝青的流變性能、力學(xué)性能和物理性能，并研究了儲存穩(wěn)定性。此外，一些研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米黏土完全分散在瀝青中時(shí)，納米黏土有助于瀝青的抗老化性能，這一結(jié)論與Yao的研究結(jié)果相同。Yao和Jahromi發(fā)現(xiàn)了納米黏土改性瀝青的剛度和彈性高于對照瀝青的現(xiàn)象。

總之，使用納米黏土作為改性劑不僅可以改善其流變性能和力學(xué)性能，而且還可以提高抗老化性和儲存穩(wěn)定性。

2.2 納米二氧化硅

納米二氧化硅作為一種無機(jī)納米材料，廣泛應(yīng)用于工程和醫(yī)藥領(lǐng)域，具有成本低、性能好的特點(diǎn)。納米二氧化硅還具有許多優(yōu)異的性能，如高吸收性、高純度百分比、高穩(wěn)定性和精細(xì)分布。由于這些顯著的特性，納米二氧化硅被選作瀝青的改性劑。大量研究表明：納米二氧化硅可以對瀝青的恢復(fù)能力，抗車轍性和抗剝落性做出顯著貢獻(xiàn)。

Fini和Yao證明，添加納米二氧化硅可以增強(qiáng)瀝青的抗老化性能，提高瀝青的抗車轍性能和抗流變性能。文獻(xiàn)[21]采用動態(tài)剪切流變儀測試和彎曲梁流變儀測試來評估改性瀝青在低溫下的抗老化性和抗裂性，結(jié)果顯示：其滲透損失率、延性和軟化點(diǎn)分別下降21.3%、34.3%和6.8%，表明添加納米二氧化硅可以提高瀝青的抗老化性能。同時(shí)，隨著蠕變速率的降低和剛度的增加，其低溫開裂和疲勞性能也得到了很大的改善。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，納米二氧化硅的最佳添加量是4%，可以提高混合料濕度敏感性、疲勞壽命、車轍性能和老化敏感性。姚等和You等也得到了類似的結(jié)論，加入2%～4%的納米二氧化硅，可以使車轍深度比瀝青路面分析儀(APA)測得的車轍深度減小將近一半。此外，納米二氧化硅改性瀝青混合料的車轍深度小于對照混合物的車轍深度，當(dāng)瀝青混合料中使用4%的納米二氧化硅時(shí)，車轍深度很小。而且，通過多重蠕變恢復(fù)試驗(yàn)分析，Hasaninia等得出結(jié)論，納米二氧化硅不僅可以提高改性瀝青的抗車轍性，還可以降低其應(yīng)力敏感性。

通過以上分析，納米二氧化硅有利于抗車轍和低溫開裂，還可以延緩老化的發(fā)生，提高疲勞壽命。因此，納米二氧化硅是一種潛在的納米改性劑。

2.3 碳納米管

碳納米管(CNT)是無縫納米管結(jié)構(gòu)，包括單層或多層石墨片，其圍繞同一軸以特定的螺旋角旋轉(zhuǎn)。它廣泛作為瀝青改性劑應(yīng)用于瀝青材料中，許多研究人員對此進(jìn)行了研究，如Amin等、Shu等和Ziari等分別研究了碳納米管改性的瀝青流變和物理性能，高溫和低溫性能，并觀察到碳納米管改性瀝青在高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能、抗疲勞和抗老化性能方面有顯著提高。

Goli等研究了碳納米管改性瀝青結(jié)合料的儲存穩(wěn)定性。通過研究分離指數(shù)、分離率、降解速率和軟化點(diǎn)差異，發(fā)現(xiàn)添加碳納米管可以提高其分離指數(shù)和降解速率，降低分離率和軟化點(diǎn)差值，從而提高碳納米管改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能；Ameri研究了碳納米管改性瀝青的疲勞和開裂性能，證明瀝青混合料在較高的碳納米管含量下，其抗裂性和疲勞性能可以大大提高。

Shu等發(fā)現(xiàn)碳納米管的最佳用量為1%，此時(shí)的高溫性能通過布魯克菲爾德黏度，彎曲梁流變儀，動態(tài)剪切流變儀和常規(guī)試驗(yàn)測定。Amirkhanian等也發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)論，即當(dāng)碳納米管加入1%時(shí)，碳納米管可以有效地改善瀝青黏合劑和瀝青混合料中的抗車轍性和抗疲勞性。此外，添加足夠的碳納米管還可以顯著改善瀝青混合料的流變特性、永久變形性能和抗疲勞性能，表現(xiàn)為復(fù)數(shù)模量的增加，相位角的減小和熱敏性的降低，其中，永久變形可以減少一半，而且重要的是疲勞壽命最多可以增加6倍。

因此，碳納米管作為改性劑可以極大地促進(jìn)高溫和低溫性能及流變性能，特別是永久變形和疲勞壽命。

2.4 納米ZnO

納米ZnO是一種無機(jī)納米材料，穩(wěn)定性好，無毒無害。納米ZnO作為零維納米材料，對紫外光具有良好的吸收性，最高吸光度值接近1.4，因此納米ZnO改性瀝青可以很好地抵抗紫外線輻射和避免自然暴露中的老化現(xiàn)象。所以，一些學(xué)者將其作為抗老化劑和改性劑應(yīng)用于瀝青和瀝青混合物中。研究表明：納米ZnO不僅可以提高瀝青的表面自由能，而且可以使聚合物和瀝青更好地相容。更重要的是，它還可以很大程度改善瀝青和瀝青混合料的性能。

Zhang等和Dongmei等研究了表面改性納米ZnO對瀝青結(jié)合料物理和紫外老化性能的影響，結(jié)果表明：納米ZnO可有效提高瀝青的抗紫外老化性能。Li等通過降低軟化點(diǎn)差和瀝青黏度老化指數(shù)也得到了相同的結(jié)論，即表面改性納米ZnO改性瀝青具有良好的抗老化性能；Hamedi等通過表面自由能評估了熱拌瀝青的水分損傷性能，研究表明添加納米ZnO可以增加瀝青黏合劑的總表面自由能，從而實(shí)現(xiàn)其更好地包裹骨料表面，而且納米ZnO可以降低瀝青結(jié)合料中SFE的酸堿比，進(jìn)而提高瀝青結(jié)合料與易受水分損害的酸性骨料之間的附著力。

此外，研究人員還使用了納米ZnO與有機(jī)膨脹蛭石結(jié)合的改性劑，通過薄膜爐試驗(yàn)、壓力老化容器和紫外線輻射、復(fù)合改性劑對瀝青物理和流變性能的一系列試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合納米ZnO改性劑具有良好的抗熱氧化性和紫外線氧化老化性能，特別是當(dāng)有機(jī)膨脹蛭石為1%且納米ZnO為2%或3%時(shí)，抗老化效果更為突出。

可以得出結(jié)論：納米ZnO在瀝青抗老化性能方面的作用尤為顯著，可以大大延緩瀝青的老化，可以作為一種有效的抗老化劑。

2.5 納米TiO2

TiO2具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，可吸收或分解汽車尾氣。因此，它可以應(yīng)用于路面，這對環(huán)境保護(hù)具有重要意義。它的環(huán)保功能不僅吸引了研究人員，其優(yōu)異的抗老化性能也促使學(xué)者將其用作瀝青改性劑。納米TiO2可以吸收紫外線，因此可以用作紫外線吸收劑來延緩瀝青老化。此外，納米TiO2還對瀝青和瀝青混合物的力學(xué)性能和耐濕性有很大改性。

Shafabakhsh等研究了納米TiO2添加對瀝青混合料車轍和疲勞性能的影響，滲透率、軟化點(diǎn)、延性、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、重復(fù)載荷軸向試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：5%的納米TiO2含量在瀝青混合料中最佳。此外，通過添加納米TiO2并防止其擴(kuò)散，可以有效地控制由水平拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的拉伸裂縫和垂直裂縫?；趦嵩囼?yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)和DSR試驗(yàn)，Zou等研究了納米TiO2改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)儲存時(shí)間超過48 h時(shí)，儲存時(shí)間對黏合劑的儲存穩(wěn)定性有顯著影響，低溫下的黏合劑儲存穩(wěn)定性優(yōu)于其在高溫下的儲存穩(wěn)定性。此外，Tanzadel研究了納米TiO2對瀝青混合料車轍性能的影響，表明添加納米TiO2可以降低車轍深度。Azarhoosh等用表面自由能評價(jià)了納米TiO2對疲勞壽命的影響以及對瀝青結(jié)合料和熱拌瀝青混合料黏結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：納米TiO2可以提高瀝青黏結(jié)劑與骨料之間的附著力，并且可以使瀝青混合料具有更高的疲勞壽命。

通過上述討論可知，使用納米TiO2作為瀝青改性劑不僅可以提高瀝青與骨料之間的附著力，還可以提高瀝青的儲存性能。此外，它還可以減少車轍深度，提高瀝青混合料的疲勞壽命。

3 納米改性劑的改性機(jī)理

3.1 納米黏土

許多研究人員對納米黏土的改性進(jìn)行研究，不僅研究了納米黏土改性瀝青的宏觀性能，而且還對其微觀改性機(jī)理進(jìn)行了分析。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線衍射(XRD)是評價(jià)改性瀝青改性機(jī)理的最常用方法。大多數(shù)研究者認(rèn)為納米黏土對瀝青的改性是物理改性，如Amarasinghe等，Zhang等，Zara-Shahabadi等和方等。

Abdelrahman等研究發(fā)現(xiàn)瀝青和納米黏土之間發(fā)生了非鍵合相互作用，導(dǎo)致改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而通過XRD和FTIR影響其物理性質(zhì)發(fā)生變化，如相位角和復(fù)數(shù)模量；Yu等發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青與納米黏土混合時(shí)，跟未與瀝青混合的納米黏土相比，納米黏土的層間距增加；劉等也發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)論，即加入納米黏土后其層間距從2.1 nm增加到4.2 nm，這表明瀝青分子進(jìn)入納米黏土層會導(dǎo)致納米黏土層間距增加；Jahromi等不僅發(fā)現(xiàn)了與上述相同的結(jié)論，而且還發(fā)現(xiàn)由于在測試中沒有出現(xiàn)主峰，瀝青可以嵌入納米黏土中并且還可以剝離部分堆疊，甚至納米黏土也會在瀝青基質(zhì)中完全剝落。

此外，Giovanni等得出結(jié)論，聚合物納米黏土改性瀝青的組分添加順序?qū)ζ鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)有很大影響。當(dāng)3種組分混合在一起時(shí)，納米黏土層主要嵌入瀝青分子中，瀝青與聚合物的混合不受納米黏土的影響；當(dāng)聚合物與納米黏土預(yù)混合時(shí)，聚合物大分子首先進(jìn)入納米黏土的中間層并部分保持該位置，因此部分聚合物和納米黏土的組合嚴(yán)重影響改性瀝青的整體性能。

通過上述分析，可以獲得納米黏土是通過物理改性來改善瀝青的路面性能。瀝青中的分子與納米黏土層的相互作用增加了納米黏土的層間距，從而增強(qiáng)了瀝青的物理性質(zhì)和道路性能。因此，使用納米黏土來改性瀝青具有潛在價(jià)值。

3.2 納米二氧化硅

雖然許多研究人員研究過納米二氧化硅改性瀝青，但只有少數(shù)人對其微觀機(jī)理層面進(jìn)行了深入研究。然而，研究人員對納米二氧化硅的改性機(jī)理尚無統(tǒng)一看法。研究人員從道路性能的不同方面分析了納米二氧化硅的改性機(jī)理，得出了不同的結(jié)論。

一些研究人員發(fā)現(xiàn)其中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，向?yàn)r青中添加納米二氧化硅形成了新的瀝青結(jié)合料結(jié)構(gòu)。還發(fā)現(xiàn)，納米二氧化硅的表面-OH基團(tuán)與瀝青中的化學(xué)基團(tuán)之間的反應(yīng)導(dǎo)致了瀝青結(jié)合料的性能提高。Ellie等研究了納米二氧化硅對老化效應(yīng)的改性機(jī)理，結(jié)果表明：納米二氧化硅表面羥基上存在的氧原子能夠與瀝青中的極性芳烴和瀝青質(zhì)分子形成氫鍵。此外，羥基和殘余不飽和鍵的存在還可以促進(jìn)稠合芳環(huán)的氫鍵合成，從而提高瀝青膠結(jié)料阻隔氣體的性能。通過這兩個(gè)方面可以大大提高瀝青的抗老化性能。

然而，其他學(xué)者發(fā)現(xiàn)其中發(fā)生了物理反應(yīng)。Han等分析了納米二氧化硅改性瀝青結(jié)合料的吸收光譜與普通瀝青結(jié)合料相似，納米二氧化硅改性瀝青結(jié)合料中未發(fā)現(xiàn)與硅原子有關(guān)的吸收峰。因此，改性過程可能受物理改性的支配；Amin和Esmail從瀝青自愈方面解釋了納米二氧化硅的改性機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅通過其小尺寸和高密度加速了分子的運(yùn)動，從而提高了自愈能力。

因此，可以推斷當(dāng)納米二氧化硅用于改性瀝青時(shí)，可能發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)。正是這兩種反應(yīng)的結(jié)合使得瀝青的性能得以有效改善。

3.3 碳納米管

碳納米管在工程中具有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)經(jīng)常被用于瀝青改性。目前，研究人員對碳納米管的研究不僅局限于性能研究，其改性機(jī)理的揭示也逐漸成為碳納米管改性研究的熱點(diǎn)。

陳等分析了瀝青中的非極性芳烴可以與碳納米管的p電子結(jié)構(gòu)相互作用，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使碳納米管改性瀝青具有更好的性能；瀝青浸泡的碳納米管繩索具有寬間隔裂縫前端的釘扎效應(yīng)，因此改性瀝青具有良好的抗裂性能。此外，Goli等得出結(jié)論，碳納米管與瀝青黏合劑形成π-σ鍵相互作用，并在碳納米管壁之間具有π-π鍵相互作用，從而提高瀝青的性能；舒等也得到了類似的結(jié)論，即碳納米管的一端可以通過π-π共軛物與SBS聚苯乙烯形成非共價(jià)化合物，另一部分也可以與芳族組分形成π-π共軛物。再者，碳納米管與SBS的相容性更好，可使瀝青完全滲透到其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。然而，Melo等發(fā)現(xiàn)碳納米管的使用不會增強(qiáng)黏合劑與骨料的潤濕性和化學(xué)相互作用。

此外，Arabani和Faramarzi發(fā)現(xiàn)碳納米管具有較高的能量吸收，這使得改性瀝青具有很好的抗循環(huán)荷載能力，從而延遲開裂或防止產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散和膨脹。這一結(jié)論與Khattak的結(jié)論相同，即碳納米管可以防止微裂紋的產(chǎn)生或延遲傳播，使瀝青混合物具有很好的耐磨性，防止車轍損壞；Santagata提到碳納米管的桿橋可以有效地控制裂紋前端的間距，從而促進(jìn)自愈合的發(fā)生，并且碳納米管的分形表面可以加速界面的相互作用，為其修復(fù)提供驅(qū)動力。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管研究人員從不同方面分析了碳納米管改性瀝青的改性機(jī)理，但得到了一些相似但不同的結(jié)論。然而，可以清楚地看出：化學(xué)作用主導(dǎo)碳納米管的改性過程。

3.4 納米ZnO

眾所周知，納米ZnO是一種重要的半導(dǎo)體材料，由于其特殊的性質(zhì)已被學(xué)者廣泛關(guān)注。目前，道路工作者已將納米ZnO應(yīng)用于瀝青材料。許多研究人員不僅研究了改性瀝青的性能，還分析了納米ZnO在瀝青上的微觀改性機(jī)理，并進(jìn)行深入鉆研。

Zhang等得出結(jié)論，納米ZnO可以與瀝青形成非鍵合相互作用，形成更穩(wěn)定的瀝青結(jié)構(gòu)。此外，納米ZnO可以充分填補(bǔ)瀝青分子之間的空隙，使瀝青更加緊湊和穩(wěn)定，并具有更好的路面性能。與此同時(shí)，納米ZnO不僅可以填充孔隙，還可以改變?yōu)r青的表面結(jié)構(gòu)，增加瀝青表面粗糙度，增強(qiáng)瀝青與骨料之間的附著力，提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗裂性。Hamedi等觀察到，添加納米ZnO會增加瀝青與骨料的黏附性，因?yàn)榧{米ZnO的使用會降低瀝青黏合劑的酸度。此外，納米ZnO導(dǎo)致瀝青結(jié)合料的非極性表面自由能增加，這可以增加瀝青與骨料之間的弱分散力，從而提高瀝青的黏結(jié)性能；張等通過原子力顯微鏡觀察到納米氧化鋅的使用減少了瀝青“蜂狀”結(jié)構(gòu)的大小，使“蜂狀”結(jié)構(gòu)均勻地分散在瀝青中。而納米氧化鋅可以促進(jìn)瀝青質(zhì)的成核和結(jié)晶，減小晶體尺寸，均勻分散，從而提高抗老化性能和儲存穩(wěn)定性；李等評估了納米ZnO的抗老化性能。結(jié)果表明，納米ZnO可有效屏蔽紫外線，在可見光區(qū)具有良好的反射性能，具有很好的抗老化性能。經(jīng)表面改性的納米ZnO還可以反射在瀝青膠結(jié)劑的表面，形成新的納米ZnO瀝青膠結(jié)劑結(jié)構(gòu)，有助于改善瀝青性能。也有學(xué)者在納米ZnO復(fù)合改性瀝青中得到相同的結(jié)論，即納米ZnO可以有效地吸收紫外線，納米改性瀝青可以有效地減少輕組分的揮發(fā)，增加氧氣滲透的路徑長度。

通過許多研究人員的研究結(jié)果，可以最終得出：納米ZnO在對瀝青改性的過程中存在物理和化學(xué)反應(yīng)。其中，物理改性主要是由于其納米尺寸效應(yīng)和納米ZnO本身的性質(zhì)，而化學(xué)改性是由于其與瀝青的非鍵合，這改變了瀝青的表面結(jié)構(gòu)或性質(zhì)。

3.5 納米TiO2

納米TiO2是一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)，受到研究者的廣泛關(guān)注，特別是在環(huán)境保護(hù)方面，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。然而，納米二氧化鈦不僅在環(huán)境中起作用，而且在瀝青路面的路面性能中起著重要的作用。許多學(xué)者已經(jīng)深入研究了其改性機(jī)理。

納米二氧化鈦主要通過對廢氣等污染物的催化分解和結(jié)垢效應(yīng)，在路面工程的環(huán)境方面發(fā)揮作用，同時(shí)對紫外線也有很好的屏蔽作用，因此使改性瀝青的抗老化效果明顯。與表面涂層相比，二氧化鈦與瀝青混合對污染物的凈化效果不明顯，這可能是由于表面存在的納米二氧化鈦較少，或者是由于瀝青結(jié)合劑與引發(fā)反應(yīng)的電子空穴對相互作用從而抑制了表面光催化反應(yīng)。已經(jīng)證明，使用納米二氧化鈦可以有效地降低表面自由能的酸性組分，增加表面自由能的堿性組分和非極性組分，從而提高瀝青與骨料之間的附著力和潤濕性。 此外，納米二氧化鈦的使用也增加了瀝青結(jié)合料的整體表面自由能并降低了剝離的能力，從而大大提高了瀝青混合料的抗裂性和抗剝落性。Shafabahsh等發(fā)現(xiàn)納米二氧化鈦與瀝青復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致改性瀝青的傳熱能力增加，使其熱敏感性更高。此外，納米二氧化鈦可以使瀝青抵抗蠕變產(chǎn)生的裂縫，降低裂縫產(chǎn)生和傳播的速度，從而提高改性瀝青的抗裂性；Nazari還獲得了類似的改性機(jī)制，即納米二氧化鈦可以增強(qiáng)瀝青對微裂紋成核的抵抗力，從而提高瀝青的強(qiáng)度。但是，Sadeghnejad等認(rèn)為延遲改性瀝青路面裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)散的原因是由于納米二氧化鈦的加入改善了瀝青的黏彈性，吸收了重復(fù)的荷載能量。鄒等通過試驗(yàn)獲得納米二氧化鈦可以通過范德華力與瀝青相互作用，高溫下改性瀝青中的分子熱運(yùn)動導(dǎo)致納米二氧化鈦和瀝青質(zhì)形成的膠束傾向于下沉，最終影響儲存改性瀝青的穩(wěn)定性。

可以得出結(jié)論，納米二氧化鈦凈化氮氧化物的改性機(jī)理主要是由于其自身的性質(zhì)來影響瀝青黏結(jié)劑，而對路面性能其他方面的影響通常由于其與瀝青的物理和化學(xué)作用，進(jìn)而提高了瀝青結(jié)合料的性能。

4 結(jié)論

納米材料在瀝青領(lǐng)域中的使用變得越來越廣泛，并且不同納米材料對瀝青各方面性能的改善也是多種多樣。該文從納米材料對瀝青不同性能的影響及其改性機(jī)理進(jìn)行分析和總結(jié)，得出以下結(jié)論：

(1) 納米黏土的使用主要是通過物理改性來改善瀝青的流變性和力學(xué)性能，同時(shí)還有利于抗老化性。

(2) 納米二氧化硅有助于瀝青的抗車轍和抗裂性能，并可通過其與瀝青的物理和化學(xué)相互作用來延緩老化的發(fā)生。

(3) 碳納米管，由于其與瀝青的化學(xué)作用，高溫和低溫性能以及疲勞壽命大大增強(qiáng)。

(4) 納米ZnO是物理和化學(xué)效應(yīng)的結(jié)合，大大提高了瀝青的抗老化性能。

(5) 納米二氧化鈦通過其自身性質(zhì)改善了瀝青與骨料之間的黏結(jié)性能，其物理和化學(xué)效應(yīng)共同影響其抗車轍性和疲勞壽命。

(6) 雖然已經(jīng)研究了納米改性瀝青的性質(zhì)和機(jī)理，但納米材料與瀝青之間相互作用的機(jī)理大多是猜想。因此，在猜想的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步深入研究具體性能的改性機(jī)理。同時(shí)，還要綜合考慮納米改性瀝青的實(shí)際應(yīng)用，考慮其實(shí)際應(yīng)用效果、經(jīng)濟(jì)效益、路面性能和環(huán)境因素。