纳米材料改性沥青研究进展

纳米材料改性沥青研究进展

耿永奇

（重庆交通大学 重庆 400041）

摘要:本文综述了纳米材料改性对沥青和沥青混合料力学性能和耐老化性的影响。对高性能和长效沥青路面的需求极大地推动了传统道路沥青粘合剂的改性。为了满足这种需求，使用纳米材料对沥青结合料进行改性似乎很有前景，因为少量改性可以显著提高沥青混合料的力学性能。已经有几项研究评估了纳米材料改性的效果，主要集中在沥青结合料性能和流变性上，积极的发现鼓励了改性沥青混合料的研究。介绍了纳米材料改性沥青的研究进展。

关键词：纳米材料；纳米改性沥青；性能；道路工程

一、纳米改性沥青概述

沥青粘合剂，即沥青，是一种广泛用于全球道路建设的材料。通常，沥青是从精炼原油中获得的，其最终性质取决于原油来源和精炼过程。沥青可以描述为一种热塑性粘弹性材料，在中低温（低于25℃）下表现为固体，在更高的温度下（通常高于60℃），表现为液体或半固态[1,2]。该特性允许其用于道路施工。首先，将沥青加热至与骨料适当混合，最后，在压实过程并冷却至环境温度后，沥青将作为骨料的粘合剂。然而，沥青温度敏感性给在役沥青路面带来了一些问题。永久变形和开裂力学分别与高和低使用温度高度相关。在使用过程中，沥青路面必须承受各种环境条件和交通荷载。在许多情况下，传统的渗透级沥青在使用寿命内不再能够确保所需的性能，可能需要进行早期养护工作或重建。此外，沥青是一种对老化敏感的材料，其性能随着时间的推移而恶化。老化沥青变得更硬、更脆，从而影响沥青混合料的性能[1]。老化效应在暴露于紫外线辐射、水分、氧气和较大温度变化等环境条件下的表层中尤其严重[3]。因此，沥青混合料的使用寿命取决于其抗老化性能[4]。

二、纳米材料改性沥青的制备

要制得性能优良的纳米改性沥青，关键在于解决纳米改性剂与沥青的兼容性问题，即分散性问题。多数情况下，纳米粒子的添加降低了沥青的存储稳定性，导致纳米材料与沥青的兼容性较差，纳米材料加入到基质沥青中，有的甚至发生团聚、沉降现象，进而影响纳米材料对沥青的改性效果及纳米改性沥青的品质。为了解决纳米材料在沥青中的分散性问题，充分发挥纳米材料对沥青的改性作用。目前，在纳米材料改性沥青研究方面主要采用物理方法：一种是超声波法，一种是机械搅拌法。超声波法主要通过内掺法制样，然后通过超声进行二次分散。但是在实际应用中容易出现一些问题，如存储稳定性较差、容易产生离析等，不利于推广应用[5]。机械搅拌法主要通过高速剪切乳化机将纳米材料均匀地分散于沥青中，纳米材料与沥青之间仅是物理意义上的共混，而没有明显的化学反应。

三、单一纳米材料改性沥青

（一）纳米粘土改性沥青

沥青中引入纳米黏土可以改善其高工作温度性能以及抗车辙性能。基于纳米黏土在沥青中物理属性，有学者研究了蒙脱土纳米黏土和有机改性蒙脱土纳米黏土对沥青结合料物理性能的影响。他们表明纳米黏土的表面改性引起纳米黏土具有有机物质性质，促进沥青和纳米黏土之间的相互作用，改善分散质量。同时表明表面改性纳米黏土在提高沥青的物理性能方面更加有效，使最终产品具有更好的存储稳定性。Zare Shahabadi等人使用膨润土黏土和有机改性膨润土来改性沥青。他们研究了纳米黏土不同层度的分散对沥青老化特性方面的影响，结果表明剥落的纳米黏土增加沥青的老化敏感性。

（二）碳纳米管改性沥青

碳纳米管主要是石墨的单原子片在一个纳米级方向上卷曲成无空心的圆柱体。碳纳米管首次报道于1991年，是电弧法合成的螺旋微管，通过具有富勒烯结构的分子级纤维制备而成的。碳纳米管具有两种不同的类型，一种是单壁纳米管，另一种是多壁纳米管。 多壁纳米管相对单壁纳米管价格便宜，但具有较低的强度。但是很少将碳纳米管应用于沥青或沥青混合料中。Xiao等人通过增加基质沥青中碳纳米管的百分比（大于1%），能够显著影响沥青的流变特性。Motlagh等人提出，当碳纳米管占沥青混合料中沥青重量的千分之一时，能够改善沥青路面的性能，减少下面层的厚度及减少石料的消耗量。

（三）纳米二氧化硅改性沥青

二氧化硅物产丰富，主要应用工业化生产硅胶，硅溶胶，气相二氧化硅等。纳米级二氧化硅主要用于医学和药物传输，在工业中，二氧化硅纳米粒子主要用做流变学溶质和水泥混凝土的增强弹性体。二氧化硅纳米复合物，同样引起科学界的关注，这种纳米材料物美价廉，性能优异。在基质沥青加入纳米二氧化硅，改性沥青结合料的黏性值降低缓慢。沥青较低的黏性表明较低的压实温度及低能耗的施工工艺流程将成为可能。纳米二氧化硅加入到控制沥青中能改善沥青结合料的恢复能力。低温度等级的纳米二氧化硅改性沥青与控制沥青黏结剂一样，纳米二氧化硅改性沥青的性能和应力松弛能力与控制沥青一样。纳米二氧化硅改性沥青及沥青混合料的抗老化及抗疲劳开裂性能增强，沥青及沥青混合料的抗车辙及抗剥落性能显著增强。

四、纳米改性沥青主要的问题

纳米材料能够对基质沥青进行改性已经得到了证实，无论是直接掺杂在基质沥青中还是与高分子共同混合于沥青中。但是目前这种改性尚无明确的规律可循，其中一个最主要的问题还是纳米材料与沥青的相容性问题。常见的纳米材料，尤其是无机非金属纳米材料，与沥青等有机大分子相容性较差。必须找到适当的表面活性剂降低界面间表面张力，或者直接对纳米材料表面进行改性使相容性提高。而对于前者，不可忽视溶剂带来的负面影响，不是非常好的方案，需要更新的方法来替换，而后者则使成本提 高很多。所以从目前常用的纳米材料中挑选化学性质与沥青相近的材料，是快捷的手段。碳纳米管具有一维纳米结构，具有零维纳米点不具备的性质，如柔韧性等，而相对于高维度的纳米体系又更容易与 沥青混合；碳纳米管有大量共轭π键和环状结构，和SBS以及沥青的相容性比其他无机纳米材料更好，这种提供大量电子的结构也是沥青和SBS高聚物之间潜在的桥梁；碳纳米管表面很多位点可以修饰和改性，为化学方法修饰纳米材料并提升性能提供了条件。

五、结语与展望

纳米材料在改善沥青性能方面发挥了重要作用。纳米改性沥青的制备方法主要有2种:高速剪切和母液熔融。纳米材料因独特的纳米效应以及自身特殊的结构,使其在沥青中发生物理化学反应,形成各种结构,对沥青性能产生影响。目前,有关纳米改性沥青材料的研究较多,但仍有一些问题需要解决:

(1)影响纳米改性沥青性能的因素较多,主要有纳米粒子种类、含量、粒径、生产工艺等。目前对纳米粒子粒径的研究较少，需深入研究纳米粒子的粒径对改性沥青性能的影响。

(2)纳米材料改性沥青过程中，因聚合物吸收沥青中轻质组分而导致沥青和聚合物的性质发生改变,进而影响改性效果，因此需研究影响程度以及减轻负面影响的措施。

参考文献：

[1] Engineers I . Shell Bitumen handbook. 6th edition[J]. Quarry Management, 2015, 42(6):34-34.

[2] Seymour R B . Seymour/Carraher's polymer chemistry :[M]. M. Dekker, 1996.

[3] Erkens,  Porot S ; ,  Glaser L ; , et al. Aging of Bitumen and Asphalt Concrete: Comparing State of the Practice and Ongoing Developments in the United States and Europe.

[4] Apostolidis P ,  Xueyan L ,  Kasbergen C , et al. Synthesis of Asphalt Binder Aging and the State of the Art of Antiaging Technologies[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2017, 2633:147-153.

[5] 张利民. 纳米改性沥青复合材料在国道108线公路改建工程中的应用[J]. 公路, 2012(6):4.

作者简介：耿永奇（1998-），男，汉族，河北石家庄人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：道路工程