纳米改性沥青材料在路面工程中的应用研究现状

王 永

（中铁四局集团第二工程有限公司，安徽阜阳 236000）

纳米技术自20世纪90年代后发展迅速，利用纳米颗粒开展材料改性的研究越来越多。在工程建设领域，国内外均已进行相应的实践与研究工作，并取得了较多涉及高分子材料与纳米涂料的研究成果。近些年来，纳米技术逐渐被引入道路工程行业并得到初步应用，尤其是纳米改性沥青材料，成为沥青路面研究领域的一大热点。所谓纳米改性沥青材料，即借助剪切仪与搅拌器等在基质沥青中均匀掺入纳米粉末，混合而成。由于纳米粉末的表面特性，生成的改性沥青材料具备优良的高低温稳定性、抗老化性等路用性能。

区别于常规方法制备的改性沥青，纳米改性沥青具备优异路用性能的一大关键是纳米材料与基质沥青在微观层面上的结合。作为一种介观物质，纳米材料的基本特性包括小尺寸、表面和宏观量子隧道效应等，纳米颗粒表面原子多、活跃度高，易与其他原子结合而趋于稳定。故而将其掺至基质沥青时，能在微观层面优化沥青性能。当前，已有较多纳米粒子具备工业化生产条件，且价格实惠，为纳米改性沥青的推广应用奠定了物质基础。为更好地促进纳米改性沥青的发展，本文总结了国内外纳米材料改性沥青的研究现状，总结规律并提出发展方向，同时展望了纳米改性沥青的研究前景。

1 纳米改性沥青及沥青混合料

1.1 纳米改性沥青的研究

目前，被用于制备纳米改性沥青的多为氧化物或碳酸盐等无机非金属材质，如纳米SiO2、TiO2、CaCO3及纳米蒙脱土。相比金属材质而言，无机非金属纳米材料能为沥青材料提供抗老化性、耐磨性等特性，因而成为纳米改性沥青领域的研究重点，并已有大量的研究工作。

马峰[1]将纳米CaCO3作为沥青改性剂进行试验研究，表明纳米CaCO3的掺入能改善沥青的高温性能；张金升等[2]通过溶液反应法制备Fe3O4球形纳米粒子并将其加入基质沥青中，显著改善了沥青的三大指标；张春青等[3]将纳米TiO2作为基质沥青的改性剂进行试验，结果表明纳米TiO2能较好的屏蔽紫外线，提供抗老化性能；Khodary等[4]在研究中使用纳米水泥窑粉尘颗粒，发现改性后的沥青软化点性能提升明显；李玉霞等[5]则在煤沥青中掺加纳米氧化锌棒进行改性，取得了较大的性能改善效果。

1.2 纳米改性沥青混合料的研究

性能优异的沥青对混合料的性能具有积极的提升作用，而由沥青和矿质集料组成的沥青混合料则直接影响沥青路面的性能。因此，需要对纳米改性沥青混合料的路用性能开展研究测试，以此来验证纳米改性沥青的可靠性。鉴于此，已有较多学者进行了相关研究。

刘大梁等[6]为研究纳米CaCO3改性沥青的影响，开展了沥青混合料的路用性能试验，发现纳米CaCO3改性沥青大幅提升了相应沥青混合料的高温性能；叶超等[7]依托纳米TiO2改性沥青制备的沥青混合料，以纳米TiO2的颗粒粒径为指标，分析其对纳米TiO2掺量的影响；黄维蓉等[8]对纳米层状硅酸盐改性沥青制备的混合料进行了路用性能试验，证明在掺加纳米改性沥青后，混合料的高温和水稳定性提升明显；姜海涛[9]以纳米有机蒙脱土改性沥青为对象，基于疲劳方程和拉伸试验，对混合料的动态力学性能开展了研究。

2 纳米复合改性沥青及混合料

2.1 纳米复合改性沥青的研究

在用于沥青改性的改性剂研究方面，聚合物改性剂的报道较早，研究成果较为丰富，并已有大量的工程实践。作为一种混合体系，聚合物改性沥青为聚合物溶胀于沥青中而形成，兼具聚合物的相关特性，且其溶胀机理已得到广泛认可。目前常见的聚合物主要为SBS、SBR、PE等。在基质沥青中同时掺入纳米材料与高分子聚合物，可制备得到纳米/高分子聚合物复合改性沥青。研究表明，相比基质沥青，纳米复合改性沥青可显著提升综合性能。

李雪峰等[10]基于球形纳米ZnO与聚合物SBS配制获得ZnO/SBS改性沥青，技术性能表明，复合改性方法既能发挥纳米ZnO的特性，也能优化SBS的分散效果，显著提升了改性沥青及其混合料的路用性能。刘大梁等[11]对纳米CaCO3/SBS改性沥青进行性能分析，发现改性沥青的软化点等指标与纳米CaCO3的掺量为正相关关系。孙璐等[12]基于纳米SiO2、纳米有机膨润土与SBS，分别制备单一改性沥青与复合改性沥青，性能对比试验显示，在综合性能方面，复合改性沥青混合料更佳。叶超等[13]研究认为TiO2/SBS复合改性沥青有利于改善高温性能，沥青材料的抗车辙因子增大，而疲劳性能基本不变。

2.2 纳米复合改性沥青混合料的研究

研究认为纳米复合改性沥青具有优良的综合性能，为进一步验证这一点，需配制获得纳米复合改性沥青混合料，并在此基础上开展混合料的路用性能试验，具体分析纳米复合改性沥青的特性。鉴于此，有较多学者对此开展了相关研究。

常海洲等[14]以纳米CaCO3/SBS复合式改性沥青混合料为研究对象，试验分析了纳米CaCO3掺量与改性沥青温度敏感性、软化点等指标的关系。孙璐等[15]将纳米SiO2掺至SBS改性沥青中制得纳米复合改性沥青，基于混合料的性能试验，证明复合改性沥青的高低温性能得到了全面提升。孙培等[16]对纳米ZnO/SiO2/SBS复合改性沥青混合料的综合性能开展研究分析，结果表明，相比基质沥青混合料，纳米复合改性沥青混合料的耐久性、温度稳定性以及抗拉性等均更优。

3 多维度的纳米材料改性研究

目前，国内外学者虽已取得较多的纳米改性沥青研究成果，但大多针对单一粒径或晶型的纳米材料，而在沥青中掺加不同粒径或形貌纳米材料的相关性能分析则少有涉及，且缺乏系统研究。因此，部分学者尝试将不同粒径或晶型的纳米颗粒掺至沥青中进行改性，并通过路用性能测试，分析纳米材料粒径或晶型对沥青及混合料的性能影响。

不同反应环境下的纳米材料会产生不同的形貌。已有研究报道指出，复合材料的弹性模量、拉伸强度及屈服应力等指标均与纳米材料的粒径有关，这点同样适用于纳米改性沥青。纳米颗粒粒径越小，总体表面积越大，与沥青接触的概率就越高。因此，国内外较多学者在研究纳米改性沥青时已注意到纳米颗粒粒径的影响。Shen等[17]将不同粒径大小的纳米熟石灰颗粒以同样的掺量掺至基质沥青中，再通过开展冻融劈裂试验、DSR试验等，对不同粒径纳米熟石灰与改性沥青及混合料路用性能之间的影响关系进行分析总结。值得注意的是，该试验以球磨机转速来衡量纳米熟石灰粒径，不同转速对应不同的纳米粒径。Aboelkasim等[18-19]同样以纳米熟石灰为对象，研究不同掺量与粒径对改性沥青的性能影响。先通过动态剪切流变试验，分析不同掺入条件下的沥青高温性能；再针对纳米颗粒粒径对沥青与石料间的表面黏结力影响关系，采用SFE试验开展了评价。已有研究表明，纳米TiO2对紫外线具有较好的屏蔽作用，但大量研究报道均未注意到纳米材料形貌的影响，因此，李欣[20]较为全面地对此进行了研究。通过分析沥青在不同时长、强度紫外光照射后的性能状况，总结纳米TiO2的不同晶型及掺量对抗紫外线性能的影响。

总体来看，纳米材料在道路工程行业的应用已得到关注[21-22]。随着进一步发展，纳米材料将会提供更多异于常规的特性，在路面工程中具备广阔的发展前景。

4 结语和展望

将纳米材料掺入至基质沥青中形成纳米改性沥青，或与聚合物共掺形成纳米复合改性沥青，均可显著优化沥青混合料的路用性能。但目前研究中的纳米材料种类繁多，缺乏系统性分类，尚无规律可循。同时，较常使用的纳米材料与沥青的相容性普遍偏差，对综合性能影响较大，且纳米颗粒存在团聚效应，在掺入至基质沥青中后难以达到均匀分布的状态。因此，笔者认为纳米材料与沥青的相容性问题亟待解决，需要探索出有效的方案；或寻求一种能使纳米材料与高分子聚合物共混于沥青的系统方法，从而大幅提升沥青及其混合料的综合性能。与此同时，应当在试验研究中系统考虑纳米材料粒径与形貌的影响问题，探索获得有利于沥青综合性能提升的最优纳米颗粒粒径或形貌。