纳米颗粒改性沥青

曲恒辉．庞来学：纳米颗粒改性沥青　纳米颗粒改性沥青　曲恒辉　。庞来学　（１．山东高速物资集团总公司，山东济南２５００９８；２．山东交通学院土木工程系，山东济南２５００２３）　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。　关键词：纳米颗粒；改性沥青；改性机理　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎａｎｏ－ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ　ｂｒｉｎｇｓ　ｎｅｗ　ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｍｏｄｉｉｆｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｃａｄｅｍｉｃｓ　ａｎｄ　ｉｎｄｕｓｔｉｒｅｓ．Ｉｔ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｎａｎｏ－ｐａｒｔｉｅｌｅｓ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．　Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ；ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ；ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　０　引言　观转人到纳米范畴进行探讨。纳米材料与技术在沥　沥青作为一种重要的路用材料，在现代公路建　青改性中的应用研究已经成为国内外学者的研究　设中发挥着巨大的作用。另外，随着经济发展、公　热点之一。　路交通载荷急剧增加，对用于公路建设的沥青的高　１纳米颗粒改性沥青　温稳定性、低温抗裂性等提出了更高的标准，普通　１．１　纳米ＴｉＯ２颗粒改性沥青　道路交通沥青难以满足现代交通的要求，因而需要　纳米ＴｉＯ　是理想的光催化剂，对消除空气和　对沥青进行改性研究。在众多的改性剂中，研究最　水中的污染物有高效的光催化活性．在净化汽车尾　多的是聚合物改性剂。　气中有着广泛的应用。在路面材料中掺加ＴｉＯ　可　纳米技术作为推动世界新科技发展的动力，正　有效净化环境污染。如１３本曾在多孔路面中散布一　在逐渐渗透到交通材料领域，为交通材料的发展提　定量的ＴｉＯ　粉末，可以明显减少汽车尾气的污染，　供了一个新的思路。对纳米改性沥青的研究，瑞典　提高空气质量。国内学者将ＴｉＯ　加入到水泥混凝　学者首先提出了纳米改性技术在沥青胶结料上应　土路面和沥青混凝土路面材料中，发现ＴｉＯ：加入　用理念，之后，南非研究人员在国际会议上介绍了　明显提高了汽车尾气的吸收和转化能力。上述研究　纳米技术在交通工程领域以及基础研究中的潜在　表明ＴｉＯ　改性的路面材料赋予路面环境友好特　应用．纳米技术的应用有助于实现道路材料的性能　性，并实现了路面的功能化。　优化和功能化．并在安全性、耐久性、经济性、环境　对于纳米Ｔｉ０　改善沥青传统性能和改性沥青　友好等方面体现特殊优势。近几年，美国联邦公路　混合料的路用性能的研究也有一些进展。利用外掺　局一直支持道路材料纳米层面上的研究。并从纳米　法制备了ＴｉＯ：改性沥青混合料，并对其路用性能　层次上对改性沥青的机理进行研究．取得了丰富的　测试．通过残留稳定度试验、高温车辙试验和低温　前期研究成果［３１。国内学者也对纳米改性剂在沥青　弯曲试验，发现纳米ＴｉＯ：改性的沥青混合料，车辙　中的应用．包括复合改性、功能化、智能化方面给予　动稳定度提高３０％以上，低温极限抗弯拉应变提　了关注．并在改性材料的性能和机理上，开始从宏　高２０％，残留稳定度保持在９０％以上，表明纳米　・　孟材趔堂塑　—．１７－　曲恒辉．庞来学：纳米颗粒改性沥青　ＴｉＯ，改性沥青混合料的路用性能得到全面改善，有　良好的应用前景。另外，纳米ＴｉＯ　可以较好抑制紫　外线老化中沥青质含量的增加及芳香分和饱和分　的要求，这主要是由于纳米ＺｎＯ、ＳＢＳ和沥青在组　成结构上差别很大，溶解度参数不同，在热和外力　作用下长时间保持良好分散状态不容易，影响了改　性效果的进一步改善。　２改性机理探讨　在纳米改性沥青中．一般将纳米材料认为是填　含量的减小，降低紫外线老化后的针人度损失率和　针人度指数的增大幅度。　１．２纳米ＣａＣＯ　改性沥青　利用纳米ＣａＣＯ　对不同的基质沥青的改性也　有研究。对国产ＡＨ一７０＃沥青经纳米ＣａＣＯ　改性，　料，剂量都比较少，一般在聚合物的５％左右，纳米　填料由于其粒径小、比表面积大及表面强的活性，　使其填充的复合材料具有优异的性能，其性能好坏　主要取决于填料的粒径、形态结构及表面化学性　质。　一结果表明改性沥青的２５℃针人度降低，提高软化　点和６０℃粘度，对高温稳定性的改善具有正面效　应：当量软化点升高、脆点降低，表明改性沥青的高　温稳定性和低温抗裂性能有所改善。对纳米ＣａＣＯ　改性科氏９０＃基质沥青的环与球法实测软化点和　般认为：不同物质的纳米粒子与不同的高分　子之间作用机理不同．不同物质的纳米粒子与同一　种高分子之间作用机理也不同。例如．纳米ＺｎＯ与　沥青之间，由于纳米ＺｎＯ粒子，其表面缺陷少，非　Ｔ。　的测定发现，相比与基质沥青，两种制备工艺都　有一定程度升高，这说明改善改性沥青的高温稳定　性、低温抗裂性能得到了改善。利用核磁共振和红　配对原子多，表面积大，与沥青发生物理结合的可　能性大，粒子与基体间的界面粘结可以承受更大的　作用力。另一方面，由于量子隧道效应等原因在粒　子的表面形成活性很大的活性点，有孤独电子存　外光谱分析手段对改性机理研究，发现纳米ＣａＣＯ，　改性沥青是一个物理混溶过程，纳米ＣａＣＯ，与基　质沥青之间并没有发生化学变化生成新的物质或　集团，纳米ＣａＣＯ　与沥青之间只有一种分子间作　用力…１。　纳米ＣａＣＯ　作为改性剂加入后，使基质沥青　的组分产生变化，一部分纳米碳酸钙位于胶束中心　在，很容易打开，成为反应的活性中心，从而使粒子　和高分子的链之间形成化学键，即发生化学作用。　与此相反的是纳米ＣａＣＯ　改性沥青，它是一个物　理混溶过程。纳米ＣａＣＯ　与基质沥青之间并没有　发生化学变化生成新的物质或基团，纳米ＣａＣＯ　作为沥青质存在，吸附可溶剂，使沥青质成分增加，　这点与其他无机颗粒改性剂不同。另外一点特殊　性是当纳米ＣａＣＯ　剂量为３％时，各试验指标均出　与沥青之间是一种分子间作用力。由于纳米ＣａＣＯ　的极小粒径，使得混溶体系均匀且稳定。因此，纳米　颗粒与沥青之间既有物理作用又有化学作用。改性　沥青性能的提高是由纳米粒子的表面效应、体积效　应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应综合作用的　结果。　现了与变化趋势不符合的特殊点，这表明纳米Ｃａ—　ＣＯ　改性沥青与常用改性沥青的不同之处，需要深　入研究。　１．３　ＺｎＯ纳米颗粒改性沥青　无机／有机纳米粒子复合改性沥青是道路沥青　材料一个重要的研究领域。基于ＳＢＳ是目前沥青　纳米颗粒在沥青中良好的分散是改性沥青性　能提高的前提。纳米ＺｎＯ作为改性剂时，由于纳米　材料大的比表面积，具有很强的表面吸附作用，能　够很好地分散在沥青中，与沥青形成稳定的结构形　式，对沥青的组成、结构影响不大，达到良好的分散　中运用较多的改性剂，其改性后的沥青高温和低温　性能都有很大的提高，在此基础上，通过进一步加　入无机纳米ＺｎＯ颗粒来提高ＳＢＳ改性沥青的综合　性能进行了大量的研究。采用三种改性工艺：机械　效果，经过热存储后，其结合的性能更加明显。　纳米颗粒改性沥青混合料具有优异的路用性　能主要基于以下两点：一方面由于纳米颗粒有着巨　大的比表面积和超强的表面活性．对沥青有着极强　搅拌法、高速剪切法和溶剂法对ＺｎＯ／ＳＢＳ改性沥　青的性能和路用性能进行了系统研究，ＺｎＯ纳米颗　粒的加入，改善了ＳＢＳ在沥青中的分散效果，进一　步提高和优化了改性沥青的高温稳定性能、抗低温　开裂性能、抗老化性能。离析试验结果表明，离析　比较严重，不能满足规范上、下软化点差小于２℃　一的吸附作用，使沥青中的轻组分减少，改变了沥青　的温度敏感性；另一方面纳米颗粒特殊的表面活性　使得纳米颗粒状沥青混合料中发生了特殊的物理　ｌ８一　曲恒辉，庞来学：纳米颗粒改性沥青　化学或化学反应．从而改善了混合料的路用性能。　３结语　混合料性能研究［Ｊ１．长沙交通学院学报，２００４，２０　（４）：７０－７２．　［５］叶超，陈华鑫．纳米ＳｉＯ：和纳米ＴｉＯ　改性沥青　纳米颗粒改性沥青路面材料是道路工程材料　未来发展的一个重要领域，充满了机遇和挑战。根　路用性能研究［Ｊ］．新型建筑材料，２００９，３６（６）：８２－　８４．　据目前研究成果和研究趋势，纳米颗粒改性沥青需　要在以下几个方面进行深入研究和探索：①建立在　［６］张一兵，张文彦．ＴｉＯ２可见光光催化的研究进展　纳米尺度上改性剂对沥青的改性机理；②重建改性　沥青评价方法和规范，使其适合纳米改性沥青体　［Ｊ】．稀有金属材料与工程，２００７，３６（７）：１２９９—１３０３．　［７］钱春香，赵联芳，付大放，等．路面材料负载纳米　系；③探索新的改性沥青制备方法．发挥纳米尺度　效应。总而言之，纳米技术作为改善道路沥青性能　的一种有效手段，在不远的将来纳米颗粒材料改性　二氧化钛光催化降解氮氧化物［Ｊ］．硅酸盐学报，　２００５，３３（４）：４２２－４２７．　［８］叶超，陈华鑫，王闯．纳米二氧化钛改性沥青混　合料路用性能研究【Ｊ］．中外公路，２０１０，３０：３１５～３１９．　沥青的研究和使用将会受到进一步重视并得以发　展，最终得到广泛应用，促进道路交通事业的健康、　持续发展。　参考文献　【９］马磊，荣建国，詹生辉．纳米Ｔｉ０２对沥青抗紫外　线老化能力的影响ｆＪ］．２００８，１２：１８９—１９２．　【１０】马峰，张超，傅珍．纳米碳酸钙改性沥青的路用　性能及机理研究［Ｊ］．武汉理工大学学报（交通科学　与工程版），２００７，３１：８８—９１．　［１】　Ｍａｎｆｒｅｄ　Ｎ．Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｎ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ａｓｐｈａｌｔｉｃ　ｍａ—　【１１１肖鹏，李雪峰．纳米ＺｎＯ／ＳＢＳ改性沥青性能与　机理的研究［Ｊ］．公路交通科技，２００７，２４（６）：１２—１６．　ｔｅｒｉｌｓ．Ｆｌａｏｒｉｄａ：ＮＳＦ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｎａｎｏ－ｍｏｄｉｉｆｃａ—　［１２１肖鹏，周鑫．纳米ＺｎＯ／ＳＢＳ改性沥青实验室制　备工艺研究【Ｊ】．中外公路，２０１０，３０：２５５—２５８．　ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｒ］．２００６．　［２】　Ｓｔｅｙｎ　Ｗ　Ｊ　ｖｄＭ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　【１３１肖鹏，周鑫，张吴红．纳米ＺｎＯ／ＳＢＳ改性沥青　微观结构与宏观性能关系研究［Ｊ】．中外公路，２０１０，　３０：２４４－２４７．　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ【Ｒ】．Ｓｏｕｔｈ　Ａｆｒｉｃａ：　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２７　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ａｆｒｉｃａｎ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＳＡＴＣ），２００８．　【３】Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｕｎｃｉｌ（ＵＳＡ）．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｎ　第一作者：曲恒辉（１９８３～），男，本科，助理工　程师．改性沥青研究方向。　（编辑：方蓉ｌ（收稿１３期：２０１１－５—７）　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｒ】．２００８．　【４］刘大梁，岳爱军，陈琳．纳米碳酸钙改性沥青及　．　，　盔材型　－１９－