纳米改性沥青制备和路用性能研究.docxVIP

纳米改性沥青制备和路用性能研究 摘要：为提高基质沥青的路用性能，采用纳米Ⅰ作为改性剂，并选用A，B和C作为分散剂，制备了纳米改性沥青并进行路用性能评价；同时将纳米Ⅰ与SBS复合进行沥青改性，以考察纳米Ⅰ对聚合物改性沥青性能的影响。对其中的优选改性方案，进行DSR和BBR试验，进一步评价其路用性能。结果表明：纳米Ⅰ可以明显改善沥青的性能，使沥青的高温性能得以显著提高；纳米粒子的表面改性对沥青的性能有显著影响，有必要开发适用于沥青的纳米粒子表面改性方案，以充分发挥粒子的纳米效应；纳米Ⅰ对SBS改性沥青的影响表现为高、低温路用性能的全面提高。关键词：道路工程；纳米改性沥青；表面改性；路用性能；PG分级；零剪切粘度中图分类号：U414．1文献标志码：A收稿日期：201 2-03-14基金项目：美国国家科学基金项目(CMMl一0644552，CMMl一0408390)；交通运输部西部交通建设科技项目(2011 318 223 1360) 高速铁路基础研究联合基金重点项目(U1134206)；江苏省自然科学基金创新学者攀登计划项目(SBK200910046)；国家科学基金外国青年学者研究基金项目(51050110143，51250110075)：作者介绍：孙璐(1972一)，男，上海市人，教授，博士研究生导师，工学博士，E—mail：sunl@cua．edu。0 引 言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1～100 nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子组成的新一代材料。当粒子尺寸小到纳米量级时，性质就从量变转换为质变，其力学、热学、电学、磁学和光学性质发生根本性变化。纳米粒子的尺寸小，比表面积大，位于表面的原子占很大比例。由于表面原子具有不饱和的悬挂键，性质很不稳定，使得纳米粒子的活性大大增加，以致由纳米微粒构成的体系表现出不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等。基于这些特殊性质，在传统材料中加入纳米粉体可以大大改善其性能或带来意想不到的性质，这已成为改善材料性能的一条重要途径。近年来，纳米技术也逐渐渗透到交通建筑材料领域，道路工作者已开始尝试将纳米技术应用于改性沥青材料的研究和开发，以提高沥青路面的路用性能，满足交通发展的需要。沥青路面的宏观路用性能是由路面材料组成的微观结构所决定的[1-4]，尤其是在微米和纳米尺度下发生的作用，因而纳米改性沥青能够从根本上大幅度改善沥青性能。目前使用较多的纳米材料是层状纳米硅酸盐，并已积累了部分研究成果。荷兰Delft大学将蒙脱士纳米粘土用于沥青改性[5]，对所得改性沥青及沥青混合料的路用性能做了较为全面的测试，发现其抗老化、抗车辙及力学性能都有所提高。姜海涛等[6-9]也使用蒙脱土纳米层状硅酸盐改性沥青，发现沥青的老化性能、混合料的高温和水稳性能均显著提高。纳米层状硅酸盐改性沥青的研究虽然取得了一定成果，但还是存在一些明显缺陷：①沥青为大分子复杂化合物，与层状硅酸盐二者之间形成良好插层型和剥离型的条件较苛刻；②层状硅酸盐即使完全溶胀或剥离，也只是二维(片状)纳米材料，几何尺寸较大，不易与沥青混合均匀；③片状颗粒易带较多的表面电荷，增加了静电聚结力，不利于沥青-层状硅酸盐纳米体系的形成和分散。与二维层状结构的层状纳米硅酸盐相比，纳米Zn0和纳米CaCO3。等无机纳米粒子不存在这些缺陷，且正好与沥青(或高聚物材料)性能互补。由于无机纳米材料粒子巨大的比表面积，可增加沥青材料的内聚力，提高粘度，使得高温下沥青材料不易变形、软化和流动，因而有利于高温性能的提高；纳米粒子均匀分散在沥青中，相当于无数个微小的骨料颗粒，将沥青材料紧紧地结合在一起，可以抵抗低温收缩产生的应力，在重载荷下，根据裂纹扩展受阻机制，消耗应力应变能改善其脆性和低温性能；另外，无机纳米粒子的加入还有利于改善沥青的摩擦性能和抗老化性能等[10]。基于此思想，张金升等[11-12]采用Fe3O4。纳米磁性液体改性沥青，马峰等[13-14]研究了纳米CaC03。对沥青性能的影响，都取得了一定的改善作用，但效呆并不显著。也有将纳米粒子与聚合物进行复合改性的研究，如，肖鹏等【15-17】分别利用纳米Zn0和纳米CaC03。与SBS复合改性沥青，陈宪宏等【18】研究了纳米Si02与SBR对乳化沥青的复合改性作用。RILEM国际材料与结构协会也于2008年专门成立了纳米沥青技术协会(TC of NBM)，并计划于2013年召开第一届国际纳米沥青会议，可见纳米技术已经为沥青改性带来了全新的视野，必将成为沥青改性的一个趋势。本文采用纳米Ⅰ作为改性剂，研究纳米改性沥青的制备工艺，评价其路用性能，探索改性沥青的新技术，为纳米改性沥青的发展提供理论基础。