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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，并且表面原子活性极强，极易与其他原子结合而使自身达到稳定状态，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拟的。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 纳米材料的发展
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基础研究和商业化成果，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（FHA）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（FHA）、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]。
纵观文献，纳米材料和技术在沥青及其沥青路面上的研究还不太多，这主要与沥青路面材料类型众多（胶结料、添加剂、集料等几十种材料）导致的沥青混合料性能及其研究的复杂性有关。但随着近几年的发展，在新材料研发、纳米复合材料及纳米技术分析方面，已经有了一种前沿的意识和努力的方向。
2 纳米复合改性沥青
纳米材料一般可分为纳米颗粒、纳米一维材料（纳米丝、纳米棒、纳米柱等多形态）和纳米薄膜材料[1]。其中前两者多用于材料的复合改性过程中，常用于塑料、橡胶、涂料生产等方面。按已有研究，在填料与基体材料粘合很好的状态下，颗粒填料可显著提高复合材料的拉伸强度、弹性模量和拉伸屈服应力，且随着填料含量的增加而增大；同时随着填料粒径的减小，屈服应力增加得更为显著。这一点在沥青改性中具有明显的实用意义，可以通过纳米粉体的复合来提高沥青的力学性能，如弹性模量、屈服应力等，以获得路用性能更佳的改性沥青。但必须考虑其中两个关键环节：一是纳米颗粒在沥青中的分散，由于纳米粉体的比表面积巨大（如气相二氧化硅比表面积在50400m2/g），颗粒团聚严重，很难在粘稠沥青中单纯地进行均匀分散，这就需要表面改性剂、分散剂等辅助剂的二次改性工作；二是纳米颗粒在沥青中存在一个最大临界体积分数，大于该体积分数，复合材料的性质将发生变化，如材料的拉伸强度会降低等。
利用无机纳米粉体材料对沥青进行改性时常用的纳米材料为氧化物、碳酸盐类，如纳米SiO2、TiO2、CaCO3等；在进行某些彩色沥青研究中，可以使用一些带有颜色的氧化物粉末，如纳米Fe2O3，可以提高彩色沥青的耐候性和抗老化能力。目前常用机械拌合法，使纳米材料在沥青中均匀混合，形成纳米改性沥青，一方面易于施工，另一方面更能提高沥青和混合料的使用性能。
日本、瑞典等国家较早开展了纳米TiO2沥青研究，在提高其传统性能的同时，实现路面的功能化。国内更多关注纳米材料对沥青混合料路用性能的改善。叶超等研究了纳米SiO2和TiO2改性沥青的路用性能指标，如针入度、软化点、延度、复数剪切模量、车辙因子及疲劳因子等，证明纳米材料掺量只需要很小（0.5%），就能提高材料性能[6]。范俊峰等采用关联度分析法研究了两种纳米材料的质量分数与改性沥青性能之间的关系，发现纳米材料的加入显著改善了沥青的高温稳定性 [7]。刘大梁等利用纳米碳酸钙（粒径1540nm）产品，对基质70沥青进行改性，内掺8%时，可明显降低沥青25e针入度，提高软化点和粘度，沥青混合料高温车辙试验中的动稳定度也提高了1倍，且在低温弯曲性能和水稳定性方面不存在明显的消极影响[8]。但这些研究多没有考虑纳米粉体改性沥青的工艺及稳定性问题等方面，生产工艺简单，也没有经过实体路面上的性能检验。
相对而言，研究更多的为层状硅酸盐与沥青的纳米复合技术。层状硅酸盐具有大的比表面积和径厚比，与聚合物可形成二维有序插层或剥离纳米结构，能够显著改善聚合物的力学性能、热性能和阻隔性能。早在20世纪90年代Yano就合成了具有不同透气参数的聚酰胺/蒙脱土纳米复合材料，发现这种材料具有非常卓越的气密性能，当掺量为2%（质量分数）时，复合材料的透气性能即能降低50%。尼龙基层状硅酸盐纳米复合材料中，硅酸盐含量为2%（体积分数）时可显著提高复合材料的拉伸强度和热弯曲温度，且冲击强度不会发生很大变化[9]。因此，这种以商品化聚合物为基体的层状硅酸盐纳米复合材料也开始应用在改性沥青的研究上。
总的说来，这些层状硅酸盐粘土矿物可以明显提高改性沥青的强度和耐高温性能，如提高软化点和剪切模量等。同时由于层状结构出现在沥青内部，具有一定的阻隔空气、水分、有机溶剂的功能，延缓沥青老化和毛细水的深入，从而延长沥青的使用寿命。但在实际应用中，由于使用量大，如何在现场实现硅酸盐矿物在沥青中的完全剥离和分散均匀还是个问题，且由于这些粘土矿物具有自乳化特点，如何避免其消极影响，还需要对沥青路面实际使用性能进行具体研究。 3 纳米分析技术的应用
美国西部研究院多年从事沥青材料的微观学研究，A.T. Paul利用原子力显微镜研究了8种沥青的微观和纳米级范围内的表面能和吸附特性。将样品做成微米层次的薄膜，基于Johnson、Kendell和Roherts接触方法，利用ALF对表面能进行检测和吸附能力的评价。结果表明，沥青膜的脱附力与沥青油源有关；同时利用原子力显微镜（AFM）对集料表面的沥青和沥青添加剂混合物进行图像的量化处理，表明不同集料上同种沥青的微形貌和结构不同。西部研究院采用的显微可视技术可用于改性沥青、基质沥青，能够良好、快速地测量出沥青集料之间的粘结性能，以有效地预测沥青路面的疲劳裂缝和水损害性能。在未来的工作中，西部研究院将对沥青显微结构如何随温度改变的问题进行研究，按照路面服务期内的温度范围，设定不同温度区间，研究和确定集料表面改性沥青与未改性沥青微观结构的改变情况。这些结果与老化期间的路面现场特性有一定的相关性，对于具体的路用行为具有更深入的解释意义。
参考文献：
[1]张立德，牟季美. 纳米材料和纳米结构[M]. 北京：科学出版社. 2001
[2]Joe W Button，Emmanuel G Fernando，Dan R Middleton. Synthesis of pavement issues related to high-speed coddidors（FHWA/TX-05/047561）[R]. 2004
[3]Peter Taylor，Krishna Rajan，Bjorn Birgisson，etal. Report of the workshop on ano technology for cement and concrete[R]. Flourida，2007
[4]US Department of Transportation. Federal highway administration. Long-life concrete pavements in Europe and cananda（FHWA-PL-07-027）[R]. 2007
[5]Liu Richard，Zhang Zhibin，etal. Nanotechnology synthesis study：Research report（FHWA/TX-07/0-5239-1）[R]. 2006
[6]叶超，陈华鑫. 纳米SiO2和纳米TiO2改性沥青路用性能研究[J]. 新型建筑材料，2009，36（6）：82
[7]范俊峰，朱庆文，黄维新. 关联度分析法在纳米改性沥青中的应用[J]. 咸阳师范学院学报，2009，24（2）：21
[8]刘大梁，岳爱军，陈琳. 纳米碳酸钙改性沥青及混合料性能研究[J]. 长沙交通学院学报，2004，20（4）：70
作者简介：
苏曼曼（1988-）女 汉族 山东济宁 硕士在读 研究方向为路基路面方向。
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，并且表面原子活性极强，极易与其他原子结合而使自身达到稳定状态，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拟的。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 纳米材料的发展
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基础研究和商业化成果，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（FHA）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（FHA）、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]。
纵观文献，纳米材料和技术在沥青及其沥青路面上的研究还不太多，这主要与沥青路面材料类型众多（胶结料、添加剂、集料等几十种材料）导致的沥青混合料性能及其研究的复杂性有关。但随着近几年的发展，在新材料研发、纳米复合材料及纳米技术分析方面，已经有了一种前沿的意识和努力的方向。
2 纳米复合改性沥青
纳米材料一般可分为纳米颗粒、纳米一维材料（纳米丝、纳米棒、纳米柱等多形态）和纳米薄膜材料[1]。其中前两者多用于材料的复合改性过程中，常用于塑料、橡胶、涂料生产等方面。按已有研究，在填料与基体材料粘合很好的状态下，颗粒填料可显著提高复合材料的拉伸强度、弹性模量和拉伸屈服应力，且随着填料含量的增加而增大；同时随着填料粒径的减小，屈服应力增加得更为显著。这一点在沥青改性中具有明显的实用意义，可以通过纳米粉体的复合来提高沥青的力学性能，如弹性模量、屈服应力等，以获得路用性能更佳的改性沥青。但必须考虑其中两个关键环节：一是纳米颗粒在沥青中的分散，由于纳米粉体的比表面积巨大（如气相二氧化硅比表面积在50400m2/g），颗粒团聚严重，很难在粘稠沥青中单纯地进行均匀分散，这就需要表面改性剂、分散剂等辅助剂的二次改性工作；二是纳米颗粒在沥青中存在一个最大临界体积分数，大于该体积分数，复合材料的性质将发生变化，如材料的拉伸强度会降低等。
利用无机纳米粉体材料对沥青进行改性时常用的纳米材料为氧化物、碳酸盐类，如纳米SiO2、TiO2、CaCO3等；在进行某些彩色沥青研究中，可以使用一些带有颜色的氧化物粉末，如纳米Fe2O3，可以提高彩色沥青的耐候性和抗老化能力。目前常用机械拌合法，使纳米材料在沥青中均匀混合，形成纳米改性沥青，一方面易于施工，另一方面更能提高沥青和混合料的使用性能。
日本、瑞典等国家较早开展了纳米TiO2沥青研究，在提高其传统性能的同时，实现路面的功能化。国内更多关注纳米材料对沥青混合料路用性能的改善。叶超等研究了纳米SiO2和TiO2改性沥青的路用性能指标，如针入度、软化点、延度、复数剪切模量、车辙因子及疲劳因子等，证明纳米材料掺量只需要很小（0.5%），就能提高材料性能[6]。范俊峰等采用关联度分析法研究了两种纳米材料的质量分数与改性沥青性能之间的关系，发现纳米材料的加入显著改善了沥青的高温稳定性 [7]。刘大梁等利用纳米碳酸钙（粒径1540nm）产品，对基质70沥青进行改性，内掺8%时，可明显降低沥青25e针入度，提高软化点和粘度，沥青混合料高温车辙试验中的动稳定度也提高了1倍，且在低温弯曲性能和水稳定性方面不存在明显的消极影响[8]。但这些研究多没有考虑纳米粉体改性沥青的工艺及稳定性问题等方面，生产工艺简单，也没有经过实体路面上的性能检验。
相对而言，研究更多的为层状硅酸盐与沥青的纳米复合技术。层状硅酸盐具有大的比表面积和径厚比，与聚合物可形成二维有序插层或剥离纳米结构，能够显著改善聚合物的力学性能、热性能和阻隔性能。早在20世纪90年代Yano就合成了具有不同透气参数的聚酰胺/蒙脱土纳米复合材料，发现这种材料具有非常卓越的气密性能，当掺量为2%（质量分数）时，复合材料的透气性能即能降低50%。尼龙基层状硅酸盐纳米复合材料中，硅酸盐含量为2%（体积分数）时可显著提高复合材料的拉伸强度和热弯曲温度，且冲击强度不会发生很大变化[9]。因此，这种以商品化聚合物为基体的层状硅酸盐纳米复合材料也开始应用在改性沥青的研究上。
总的说来，这些层状硅酸盐粘土矿物可以明显提高改性沥青的强度和耐高温性能，如提高软化点和剪切模量等。同时由于层状结构出现在沥青内部，具有一定的阻隔空气、水分、有机溶剂的功能，延缓沥青老化和毛细水的深入，从而延长沥青的使用寿命。但在实际应用中，由于使用量大，如何在现场实现硅酸盐矿物在沥青中的完全剥离和分散均匀还是个问题，且由于这些粘土矿物具有自乳化特点，如何避免其消极影响，还需要对沥青路面实际使用性能进行具体研究。 3 纳米分析技术的应用
美国西部研究院多年从事沥青材料的微观学研究，A.T. Paul利用原子力显微镜研究了8种沥青的微观和纳米级范围内的表面能和吸附特性。将样品做成微米层次的薄膜，基于Johnson、Kendell和Roherts接触方法，利用ALF对表面能进行检测和吸附能力的评价。结果表明，沥青膜的脱附力与沥青油源有关；同时利用原子力显微镜（AFM）对集料表面的沥青和沥青添加剂混合物进行图像的量化处理，表明不同集料上同种沥青的微形貌和结构不同。西部研究院采用的显微可视技术可用于改性沥青、基质沥青，能够良好、快速地测量出沥青集料之间的粘结性能，以有效地预测沥青路面的疲劳裂缝和水损害性能。在未来的工作中，西部研究院将对沥青显微结构如何随温度改变的问题进行研究，按照路面服务期内的温度范围，设定不同温度区间，研究和确定集料表面改性沥青与未改性沥青微观结构的改变情况。这些结果与老化期间的路面现场特性有一定的相关性，对于具体的路用行为具有更深入的解释意义。
参考文献：
[1]张立德，牟季美. 纳米材料和纳米结构[M]. 北京：科学出版社. 2001
[2]Joe W Button，Emmanuel G Fernando，Dan R Middleton. Synthesis of pavement issues related to high-speed coddidors（FHWA/TX-05/047561）[R]. 2004
[3]Peter Taylor，Krishna Rajan，Bjorn Birgisson，etal. Report of the workshop on ano technology for cement and concrete[R]. Flourida，2007
[4]US Department of Transportation. Federal highway administration. Long-life concrete pavements in Europe and cananda（FHWA-PL-07-027）[R]. 2007
[5]Liu Richard，Zhang Zhibin，etal. Nanotechnology synthesis study：Research report（FHWA/TX-07/0-5239-1）[R]. 2006
[6]叶超，陈华鑫. 纳米SiO2和纳米TiO2改性沥青路用性能研究[J]. 新型建筑材料，2009，36（6）：82
[7]范俊峰，朱庆文，黄维新. 关联度分析法在纳米改性沥青中的应用[J]. 咸阳师范学院学报，2009，24（2）：21
[8]刘大梁，岳爱军，陈琳. 纳米碳酸钙改性沥青及混合料性能研究[J]. 长沙交通学院学报，2004，20（4）：70
作者简介：
苏曼曼（1988-）女 汉族 山东济宁 硕士在读 研究方向为路基路面方向。