纳米改性沥青及混合料路用性能探讨

李二兵（济源市公路管理局，河南 济源 454650）

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸 （1-100nm）或由它们作为基本单位构成的材料。与其他材料不同，纳米材料表面原子活性极强，在对聚合物进行改性时，纳米粒子表面的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应综合作用会使聚合物的性质发生明显改变。近几年来，国内外学者对纳米材料改性沥青进行了许多有益的探索。2011年，美国密西根理工大学Julian等人对纳米蒙脱土改性沥青的制备和性能展开研究；2012年，美国路易斯安那大学M.J.Khattak等人研究了纳米碳纤维对沥青混合料流变特性的影响；埃及石油研究院使用硫化镉和PMMA纳米复合材料对沥青进行改性，并确定了最佳掺量。东南大学孙璐教授以纳米有机膨润土、纳米SiO2及SBS为改性剂，研究了纳米层状硅酸盐改性沥青的路用性能。本文采用两种纳米改性沥青进行试验，研究纳米材料对沥青和混合料性能的影响，为纳米改性沥青的研究和应用提供一定的参考依据。

1 原材料和试验方法

（1）原材料：所采用的原材料为中海油AH-70基质沥青，纳米材料C，纳米材料S。

（2）制备方法：在135°C的恒温烘箱中将基质沥青加热至流动状态，按照不同的比例将纳米材料分2～3次缓慢加入其中，手动搅拌均匀后，使用胶体磨混合3～4次，直至试样表面均匀平整，类似镜面状，此时认为试样均匀混合。

（3）试验方法：测试基质沥青及不同制备试样的延度、针入度、软化点等基本技术指标，选取几种性能较好的纳米材料掺量组合，通过马歇尔试验、车辙试验来评价沥青混合料的路用性能，试验方法参照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。

2 纳米改性沥青技术性能研究

一般而言，在沥青中加入改性材料后会使沥青的针入度下降，延度提高，但是从表1可知，纳米材料的加入使沥青的部分性能出现了反常情况，沥青针入度普遍提高，而延度则大幅下降，这说明了纳米材料和沥青界面之间不仅仅存在着物理吸附作用或是简单的化学反应，而是产生了独特的表面特性，改变了沥青的界面效应，使得沥青的性能产生了与其他改性沥青不一致的变化。

表1 纳米材料添加量对沥青性能的影响试验结果

3 纳米改性沥青路用性能研究

综合表1中的沥青基本性能的分析，选用AH-70+2%S和AH-70+3%C两种沥青来研究纳米材料对沥青混合料路用性能的影响。

3.1 纳米材料对混合料马歇尔技术指标的影响

试验矿料采用石灰岩碎石，矿料级配为AC-16C，采用4.6%的最佳油石比。

在纳米材料加入后，纳米粉粒与沥青之间的界面效应使得混合料的马歇尔试验各项指标都得到了一定程度的提高，从表2可以发现，两种沥青混合料的各项指标均满足规范要求，且AH-70+2%S沥青混合料的各项指标要总体优于AH-70+3%C。

表2 纳米沥青混合料马歇尔试验结果

3.2 纳米改性沥青混合料水稳定性研究

从表3中试验结果来看，两种混合料的残留稳定度在原基质沥青的基础上得到了较大的改善，且均满足规范中大于80%的规定，且AH-70+2%S沥青混合料的水稳定性要优于AH-70+3%C。

表3 纳米沥青混合料水稳定性试验结果

3.3 纳米改性沥青混合料高温稳定性研究

纳米材料的加入能够极大地提高混合料的动稳定度，从表4的试验结果来看，加入纳米材料的沥青混合料动稳定度相对基质沥青提高了30%之多，说明了纳米材料能够较大地改善沥青混合料的高温稳定性，且AH-70+2%S沥青混合料的高温稳定性要优于AH-70+3%C。

表4 纳米沥青混合料高温稳定性试验结果

4 结论

（1）纳米材料表面特性独特，在对沥青进行改性后，使沥青性能变化产生了与其他改性沥青不同之处，因此不能简单地以现有的指标来评价纳米改性沥青的技术性能。

（2）从路用性能看，纳米材料能使混合料的路用性能有着较大的提高，经综合比选，AH-70+2%S改性沥青混合料路用性能最优，有着良好的推广应用前景。

（3）试验中发现，由于纳米分散体系存在着巨大的界面自由能，极易发生团聚，影响改性效果，因此，如何在施工中保证纳米材料与沥青之间良好的相容性和储存稳定性是下一步研究的重点。

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