納米改性瀝青材料在路面工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)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(shù)自20世紀(jì)90年代后發(fā)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(shè)領(lǐng)域，國內(nèi)外均已進(jìn)行相應(yīng)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(shù)逐漸被引入道路工程行業(yè)并得到初步應(yīng)用，尤其是納米改性瀝青材料，成為瀝青路面研究領(lǐng)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(zhì)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(yōu)良的高低溫穩(wěn)定性、抗老化性等路用性能。

區(qū)別于常規(guī)方法制備的改性瀝青，納米改性瀝青具備優(yōu)異路用性能的一大關(guān)鍵是納米材料與基質(zhì)瀝青在微觀層面上的結(jié)合。作為一種介觀物質(zhì)，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(yīng)等，納米顆粒表面原子多、活躍度高，易與其他原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定。故而將其摻至基質(zhì)瀝青時，能在微觀層面優(yōu)化瀝青性能。當(dāng)前，已有較多納米粒子具備工業(yè)化生產(chǎn)條件，且價格實惠，為納米改性瀝青的推廣應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。為更好地促進(jìn)納米改性瀝青的發(fā)展，本文總結(jié)了國內(nèi)外納米材料改性瀝青的研究現(xiàn)狀，總結(jié)規(guī)律并提出發(fā)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(zhì)，如納米SiO2、TiO2、CaCO3及納米蒙脫土。相比金屬材質(zhì)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(lǐng)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(jìn)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(yīng)法制備Fe3O4球形納米粒子并將其加入基質(zhì)瀝青中，顯著改善了瀝青的三大指標(biāo)；張春青等[3]將納米TiO2作為基質(zhì)瀝青的改性劑進(jìn)行試驗，結(jié)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(fā)現(xiàn)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(jìn)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(yōu)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(zhì)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(xué)者進(jìn)行了相關(guān)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(fā)現(xiàn)納米CaCO3改性瀝青大幅提升了相應(yīng)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(biāo)，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(jìn)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(wěn)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(tài)力學(xué)性能開展了研究。

2 納米復(fù)合改性瀝青及混合料

2.1 納米復(fù)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(guān)特性，且其溶脹機理已得到廣泛認(rèn)可。目前常見的聚合物主要為SBS、SBR、PE等。在基質(zhì)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(fù)合改性瀝青。研究表明，相比基質(zhì)瀝青，納米復(fù)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(shù)性能表明，復(fù)合改性方法既能發(fā)揮納米ZnO的特性，也能優(yōu)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(jìn)行性能分析，發(fā)現(xiàn)改性瀝青的軟化點等指標(biāo)與納米CaCO3的摻量為正相關(guān)關(guān)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(fù)合改性瀝青，性能對比試驗顯示，在綜合性能方面，復(fù)合改性瀝青混合料更佳。葉超等[13]研究認(rèn)為TiO2/SBS復(fù)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(fù)合改性瀝青混合料的研究

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

常海洲等[14]以納米CaCO3/SBS復(fù)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(biāo)的關(guān)系。孫璐等[15]將納米SiO2摻至SBS改性瀝青中制得納米復(fù)合改性瀝青，基于混合料的性能試驗，證明復(fù)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(fù)合改性瀝青混合料的綜合性能開展研究分析，結(jié)果表明，相比基質(zhì)瀝青混合料，納米復(fù)合改性瀝青混合料的耐久性、溫度穩(wěn)定性以及抗拉性等均更優(yōu)。

3 多維度的納米材料改性研究

目前，國內(nèi)外學(xué)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(guān)性能分析則少有涉及，且缺乏系統(tǒng)研究。因此，部分學(xué)者嘗試將不同粒徑或晶型的納米顆粒摻至瀝青中進(jìn)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(yīng)環(huán)境下的納米材料會產(chǎn)生不同的形貌。已有研究報道指出，復(fù)合材料的彈性模量、拉伸強度及屈服應(yīng)力等指標(biāo)均與納米材料的粒徑有關(guān)，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(nèi)外較多學(xué)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(zhì)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(guān)系進(jìn)行分析總結(jié)。值得注意的是，該試驗以球磨機轉(zhuǎn)速來衡量納米熟石灰粒徑，不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(tài)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(jié)力影響關(guān)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(jìn)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(jié)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(yè)的應(yīng)用已得到關(guān)注[21-22]。隨著進(jìn)一步發(fā)展，納米材料將會提供更多異于常規(guī)的特性，在路面工程中具備廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)語和展望

將納米材料摻入至基質(zhì)瀝青中形成納米改性瀝青，或與聚合物共摻形成納米復(fù)合改性瀝青，均可顯著優(yōu)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(tǒng)性分類，尚無規(guī)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(yīng)，在摻入至基質(zhì)瀝青中后難以達(dá)到均勻分布的狀態(tài)。因此，筆者認(rèn)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?qū)で笠环N能使納米材料與高分子聚合物共混于瀝青的系統(tǒng)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(yīng)當(dāng)在試驗研究中系統(tǒng)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(yōu)納米顆粒粒徑或形貌。