纳米颗粒改性沥青

无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料路用-性能研究作者：***来源：《西部交通科技》2024年第03期作者簡介：黄先滨（1980—），高级工程师，主要从事施工技术管理工作。

为实现纳米材料及胶粉对沥青改性的改进及优势集成，文章采用碳纳米管、纳米二氧化钛及丁腈橡胶对沥青进行复合改性研究。

在通过试验获得各组分最佳掺量为碳纳米管1%、纳米二氧化钛2%和丁腈橡胶2%的基础上，进行混合料的配合比设计及车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评价沥青混合料的高温性能和水稳定性。

结果表明：无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青混合料的最佳油石比为4.9%，并具有良好的水稳定性及高温抗车辙性能。

道路工程；无机纳米粒子树脂；改性沥青；橡胶改性沥青；水稳定性；高温抗车辙性能U414.1A0200530引言纳米材料及橡胶材料均为良好的沥青改性剂［1］，能对沥青的高温性能、低温性能、老化性能及疲劳性能等起到良好的改性效果［2］，因而被广泛地使用并获得相关的研究。

本文提出使用纳米材料与橡胶材料对基质沥青进行复合改性实现二者的优势集成，从而制备出性能更加优异的改性沥青，而国内相关的研究报道较少，对该改性沥青的性能特点了解甚少，因此，针对无机纳米粒子及树脂橡胶复合改性沥青开展研究显得十分必要［3］。

同时，结合料的性能最终会影响混合料的性能［4］，因此必须要对制备的混合料的性能进行评价，明确混合料的性能特点，从而使混合料得到更好的发展和应用［5］，使其更好地服务于交通基础建设和交通强国建设的事业中。

1原材料性能1.1沥青本文所用无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青经单组分掺配试验制得，且其组分最佳掺量为1%碳纳米管、2%纳米二氧化钛和2%丁腈橡胶，无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青在下文简称为1T/2N/2D，所用基质沥青及复合改性沥青性能指标分别见表1、表2。

由表1、表2可知，无机纳米粒子树脂橡胶复合改性沥青具有良好的性能，表现出良好的改性效果，使改性沥青具有更优的高温性能及低温性能，从而提高沥青路面的使用品质。

纳米材料改性沥青的制备及分散稳定机理摘要：采用纳米CaCO3、纳米ZnO和纳米TiO2复配纳米材料对SBS沥青进行改性，并优化了制备工艺条件；研究了表面活性剂纳米材料在SBS沥青中的改性机理。

结果表明：纳米CaCO3、纳米ZnO和纳米TiO2质量分数比为1∶2∶1、总添加质量分数为4%时，对SBS沥青的改性效果和经济性最好；在反应温度170～180 ℃、反应时间40 min、最高剪切速率为7000 r/min、剪切次数为2次时，制备的纳米改性沥青的综合性能最优。

纳米材料提高了沥青的热稳定性，增强了沥青的抗老化性能；非离子表面活性剂在纳米粒子表面形成反胶束，改变了纳米粒子表面性质，使得纳米材料在沥青中可以均匀分散和稳定存在。

关键词：纳米材料；改性；分散稳定性；反胶束近年来，随着国民经济的发展和中国在基础建设中的投入不断加大，公路建设发展迅速。

然而，现有沥青材料存在高、低温性能较差，易老化等不足，降低了沥青的路用性能，已经不能完全满足现代交通的需要。

因此，提高沥青材料的物理性能和抗老化性能，使其满足现代交通的要求具有重要意义[1-2]。

目前，纳米科学技术逐步渗透到交通材料领域，纳米材料作为沥青改性的新型材料，己成为改性沥青研究的新方向[3]。

不同于其他的改性沥青，纳米材料在微观上改变了沥青的结构，从而改善沥青的宏观性能。

将纳米材料加入到沥青中，纳米颗粒的奇异效应可改善沥青的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性、防滑性能、抗老化性能、耐久性、水稳定性、施工和易性等[4-5]。

笔者将纳米CaCO3、纳米ZnO和纳米TiO2按不同比例先后加入SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)沥青中，研究这几种纳米材料复配后对SBS沥青的抗老化性能、感温性能及高、低温性能的影响；优化了制备纳米材料改性SBS沥青的工艺条件；并采用表面活性剂对纳米材料进行表面改性，提高纳米材料在SBS沥青中的稳定性；最后利用红外光谱和电子显微镜对纳米材料改性SBS沥青的共混和改性机理进行了研究。

纳米改性沥青及路用性能研究摘要：纳米材料由于其特殊的物理性质，在材料学中的应用越来越广泛，纳米改性沥青的研究成为路面材料研究的热点。

本文通过介绍纳米改性沥青及其研究现状，并结合实验数据，分析得出纳米改性沥青的路用性能，最后对纳米改性沥青的应用前景进行展望。

关键词：纳米材料，纳米改性沥青，路用性能；正文：1.纳米材料简介纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。

纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。

这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

2.纳米改性沥青介绍及其研究现状纳米材料改性沥青的研究是道路交通材料研究中的热点和前沿课题，纳米粒子与沥青的相容性以及在沥青中的分散和稳定性是决定纳米材料改善沥青各项性能的关键。

具有改性性能的纳米颗粒在沥青的改性方面表现出优良的混融、增强和增韧性能，对改善沥青混合料路用性能具有良好的效果。

纳米改性沥青路用性能纳米粒子的比表面积很大，表面能高，处于非热力学稳定态，很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的尺寸较大团聚体，这种团聚的二次粒子难以发挥其纳米效应，使材料达不到理想的性能。

而且由于表面有大量硅羟基，使得纳米Ⅰ具有强亲水性，在有机基体中的分散性和浸润性很差。

沥青自修复方法——纳米颗粒法公路交通系统的完善对整个社会经济发展有着举足轻重的影响。

沥青公路路面具有表面平整无接缝、行车振动小、噪音低、铺筑后开放交通快等优点，在高等级公路和市政道路中得到越来越广泛的应用。

但由于环境因素影响，长期服役的沥青公路会因沥青老化使得路面产生车辙、裂缝、松散、坑槽等病害，对交通运输的安全性和高效性以及社会经济的发展都会产生严重影响，随着社会不断发展，交通运输任务日益繁重，因此而产生的恶性循环将不断增大。

目前，我国每年有超过10x104km的沥青路面需要养护，养护资金需求年均近4000亿元，所产生的大量废弃沥青混合料已造成了严重的资源浪费和环境污染我国的公路养护及其所存在的问题已引起国家的高度重视，如何延长公路的使用寿命，降低维护成本对于整个社会经济都有着十分重要的意义。

通常，沥青路面常用维修养护方法主要有雾封层法、稀浆封层法、微表处法、碎石封层法、裂缝填封法、修复剂喷涂法、沥青混凝土加铺层法以及就地热再生法等。

如常用的裂缝填封法就是通过清理裂缝，将新鲜沥青重新注人到裂纹中，这种方法简单易操作，而且成本也比较低，但裂缝与沥青之间的结合并不牢固，需要每年都重新修补，这种累计产生费用和对人力的耗费都是极高的。

修复剂喷涂也是一种常规方法，通过乳化老化沥青，以修复表面微小裂纹，但因修复剂的渗透能力有限，不能达到深度修护的效果。

上述方法均是在路面出现轻微或较严重病害之后所采取的被动维修法，存在养护时机难以抉择、维护周期长、对道路通行影响大、资源消耗大、成本高等缺点。

沥青为一种复杂的混合高分子材料，其物性符合高分子运动规律、应力松弛原理和时温等效原理等。

沥青混凝土本身具有一定的自修复性能，在荷载间歇期，沥青混凝土中小于某尺度（阈值尺度）的微裂纹会自动愈合，使其模量和强度得到恢复。

但是，沥青本身修复能力有限且耗时较长，且温度过低或裂纹大于其可自修复的阈值尺度时，沥青很难实现自我修复。

因此，须通过沥青自修复技术，提高沥青的自修复性能，延长沥青的使用寿命，使得沥青的自我愈合、自我修复能力增强。

改性沥青纳米复合材料分散性和稳定性简析1纳米改性沥青的基本原理纳米（nm）是一种长度单位，1 nm=10-9m。

纳米材料是三维方向中有任一维方向上处于纳米量级的材料或其复合物。

纳米材料由于处于介观领域，因而具有许多奇异的效应，如小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等。

表现在宏观物理性能上，则可以使材料的性能产生质的突变，如绝缘体变为导体、导体变为绝缘体、神奇的发光现象、光催化灭菌自清洁效应、超高强度和超高韧性等。

正像20世纪初期微电子技术引领人类进入微电子时代一样，纳米技术将引领人类走向纳电子时代，在未来引起社会各项技术的根本变革，并将走得更远，真正使人类由必然王国走向自由王国。

国内外许多科学家曾经预言，纳米技术将引起21世纪一场新的技术革命，目前这一预言正在变为现实。

纳米改性沥青是一种沥青纳米复合材料。

纳米添加剂材料（分散相）与沥青基质材料（分散介质）的相容性和分散稳定性，是纳米改性沥青优异性能得以发挥和体现的关键因素。

相容性是分散性穩定性的基础因素和必要条件，但不是充分条件。

如何采取适当的技术手段和工艺措施，使其良好混合，并使纳米材料均匀稳定地分散于沥青材料中，是我们研究的最终目的。

本文结合我们近几年关于纳米材料和改性沥青的研究实践，对其相容性和分散性稳定性进行分析探讨[1]。

2相容性研究2.1金属纳米材料作为纳米改性沥青添加剂按现有技术，几乎可以将任何金属材料用比较方便的方法（激光法、等离子体法、自蔓延燃烧法等）制备成纳米量级，金属材料与沥青材料互补性也较强，应该是一种比较有前途的纳米沥青改性方法。

但迄今为止，这方面的研究报道较少，主要原因为：（1）金属材料的金属键不同于离子键、共价键（极性共价键）、分子键等键合，化学结合性有其特殊性，因而金属材料与其他材料的结合难度更大;（2）有关金属表面活性剂的研究较少，即便有，也只是利用填隙原子或合金原理有限地改变金属材料（表面）的微观力场，很难将金属材料微颗粒的表面性质进行根本性的改变;（3）金属材料的抗氧化性能、绝热性能、耐磨性能、高温力学性能等不如无机非金属材料;（4）金属材料，尤其是稀有金属和贵金属材料的成本较高，来源也远不如无机非金属材料广泛。

对纳米沥青路面研究现状的分析对纳米沥青路面研究现状的分析摘要：纳米材料的物理、化学性质与宏观体系具有较大的区别，其力学性能如弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念等均发生了质的变化，使纳米复合技术及其工程应用层面具有更大的研究内涵和应用优势。

对于纳米沥青路面研究现状进行了分析和评价，希望对今后纳米沥青的理论研究和施工设计提供参考。

关键词：纳米沥青；改性沥青；耐久性0 引言近年来，纳米技术正在逐渐渗透到交通材料领域，纳米材料改性沥青即是其中一个重要的研究方向。

纳米材料尺度由于处于微观领域，因而与其他材料不同，具有特殊的界面效应，并且外表原子活性极强，极易与其他原子结合而使自身到达稳定状态，这就是纳米微粒活化，也是纳米粒子不稳定的根本原因。

纳米材料改性沥青之所以不同于其他改性沥青，根本原因在于纳米材料改性沥青是从微观结构上改变沥青性能。

纳米材料能够从根本上大幅度改善沥青性能，这是其他沥青改性方法所不能比较的。

因此，纳米材料改性沥青是国内外沥青材料研究的热点和前沿，它正在成为交通材料研究和应用的新经济增长点。

1 纳米材料的开展迄今，纳米技术对传统材料性能的优化已被证明是一个良好的研究、应用对象。

国内外在建筑材料领域业已开展了一系列卓有成效的研究和应用实践，在纳米涂料、高力学性能材料、高分子级纳米复合材料方面取得了很多根底研究和商业化成果，如纳米化高强度合金、纳米增韧陶瓷以及纳米改性橡胶等。

20世纪90年代，美国联邦公路局等机构倡导并生产的低碳、高强度纳米化钢铁被成功应用到工程实践中，取得了显著的使用效果[1，2]。

2007年9月欧洲“水泥及混凝土纳米技术研讨会〞共设了8个论题探讨纳米技术在水泥基材料上的应用【3】。

2007年8月美国联邦公路局、等在其发布的?欧洲、加拿大长寿命混凝土路面?报告中重点提及欧洲在路面纳米技术方面的进展，并在休斯敦大学、得克萨斯州展开了智能路面材料及检测技术方面的研究[4，5]。

纳米材料改性沥青研究进展摘要: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。

纳米颗粒改性沥青曲恒辉;庞来学【摘要】纳米科学与技术的发展为传统的交通材料的发展带来新的活力,以纳米颗粒为改性剂对沥青进行改性已成为学术界和产业界关注的焦点.重点对纳米颗粒改性剂在沥青改性、路面性能方面的研究进行了总结,并对纳米颗粒改性沥青未来发展进行了展望.【期刊名称】《江苏建材》【年(卷),期】2011(000)002【总页数】3页(P17-19)【关键词】纳米颗粒;改性沥青;改性机理【作者】曲恒辉;庞来学【作者单位】山东高速物资集团总公司,山东济南,250098;山东交通学院土木工程系,山东济南,250023【正文语种】中文0 引言沥青作为一种重要的路用材料，在现代公路建设中发挥着巨大的作用。

另外，随着经济发展、公路交通载荷急剧增加，对用于公路建设的沥青的高温稳定性、低温抗裂性等提出了更高的标准，普通道路交通沥青难以满足现代交通的要求，因而需要对沥青进行改性研究。

在众多的改性剂中，研究最多的是聚合物改性剂。

纳米技术作为推动世界新科技发展的动力，正在逐渐渗透到交通材料领域，为交通材料的发展提供了一个新的思路。

对纳米改性沥青的研究，瑞典学者首先提出了纳米改性技术在沥青胶结料上应用理念，之后，南非研究人员在国际会议上介绍了纳米技术在交通工程领域以及基础研究中的潜在应用，纳米技术的应用有助于实现道路材料的性能优化和功能化，并在安全性、耐久性、经济性、环境友好等方面体现特殊优势。

近几年，美国联邦公路局一直支持道路材料纳米层面上的研究，并从纳米层次上对改性沥青的机理进行研究，取得了丰富的前期研究成果[3]。

国内学者也对纳米改性剂在沥青中的应用，包括复合改性、功能化、智能化方面给予了关注，并在改性材料的性能和机理上，开始从宏观转入到纳米范畴进行探讨。

纳米材料与技术在沥青改性中的应用研究已经成为国内外学者的研究热点之一。

1 纳米颗粒改性沥青1.1 纳米TiO2颗粒改性沥青纳米TiO2是理想的光催化剂，对消除空气和水中的污染物有高效的光催化活性，在净化汽车尾气中有着广泛的应用。