納米TiO2對瀝青路用性能影響研究

李博+申亞洲+曾志偉

【摘 要】將納米TiO2摻入瀝青混合料以降解汽車尾氣近年來已有較多研究，但其是否會影響瀝青混合料的路用性能是值得關(guān)注的問題。為掌握摻入納米TiO2對瀝青路面性能的影響，本文對國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。發(fā)現(xiàn)摻入納米TiO2后對瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性與疲勞性能均有一定程度改善。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面；路用性能；納米TiO2；汽車尾氣

0 引言

近年來，隨著我國綜合實力的穩(wěn)步發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)實力急速增長下，汽車市場潛在的巨大實力被逐步挖掘。機(jī)動車給人類帶來便捷舒適的同時，其排放的尾氣也引起了一系列的社會與環(huán)境問題。根據(jù)中國各大城市發(fā)布的大氣污染指標(biāo)表明，主要大氣污染物中NOx的排放量已占30%以上，而汽車尾氣排放的NOx已經(jīng)超過了90%。因此針對汽車尾氣中NO的去除是現(xiàn)階段亟須研究的重點。以往針對汽車尾氣的治理方法雖然均有一定的成效。但是想徹底的解決這個問題還需要從其他各方面領(lǐng)域入手。用以提高綜合處理效果。

納米TiO2光催化材料是一種具有良好的尾氣催化氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性以及可循環(huán)利用性，常被作為凈化空氣的新材料而使用與道路工程相結(jié)合。由于汽車尾氣的空間分布規(guī)律為：主要集中在路面以上五米高的垂直區(qū)域與機(jī)動車怠速的橫向區(qū)域相并交的范圍，所以首先直接接觸汽車尾氣的建造物就是路面[1]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對納米TiO2材料在道路中的應(yīng)用是通過將其直接添加到瀝青混合料中（摻入式）和摻入某種載體后再將混合材料涂覆在瀝青路面（涂覆式）兩種方式[2]。但是現(xiàn)階段研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用涂覆式方法建造的路面因涂層直接受到汽車荷載作用，導(dǎo)致其耐久性會隨著時間推移有較大的衰弱，因此人們逐步著重于納米材料摻入式瀝青混合料的研究。

加入納米TiO2后是否會影響瀝青混合料的路用性能是值得關(guān)注的問題，為此本文總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)研究成果，對推動其在公路工程中的應(yīng)用具有積極意義。

1 納米TiO2對瀝青混合料路用性能影響

納米技術(shù)是目前一種新興科學(xué)技術(shù)，其能在分子水平上創(chuàng)造新的材料、器件以適用于各領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿母咭?。納米材料的原子與分子之間的相互作用可以直接影響到宏觀材料的特性。本文針對添加納米TiO2材料后，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行探討。

1.1 高溫性能

隨著現(xiàn)代人們對交通運輸?shù)男枨笕找嬖黾?，?dǎo)致了公路運輸中輪胎壓力和軸載荷的增加。由于瀝青路面的粘彈性特性，當(dāng)其在長時間高溫環(huán)境下經(jīng)受行車反復(fù)碾壓，就會發(fā)生明顯地形變。人們認(rèn)為車轍是柔性路面中容易產(chǎn)生的主要病害?，F(xiàn)在關(guān)于瀝青混合料的永久變形性能的研究已成道路學(xué)者研究的焦點，旨在減輕或減少柔性路面的車轍。

Javad Tanzadeh等[3]對添加了不同用量的納米TiO2的瀝青進(jìn)行了針入度、延度與軟化點的試驗，并對試樣表面進(jìn)行了SEM掃描電鏡觀察，研究表明添加納米TiO2可以降低瀝青路面產(chǎn)生車轍的深度，添加量達(dá)到4%時對防治車轍病害效果最優(yōu)，并且通過納米TiO2改性后的抗拉能力有明顯的提高。葉超等[4]將不同用量的TiO2加入基質(zhì)瀝青中后對其進(jìn)行了常規(guī)試驗，研究發(fā)現(xiàn)加入納米TiO2后，未老化的瀝青其復(fù)數(shù)剪切模量G*增大，相位角δ減小，即車轍因子G*/sinδ比未加時有明顯增大。并在60℃下對改性瀝青車轍板進(jìn)行車轍試驗發(fā)現(xiàn)其動穩(wěn)定度較普通瀝青要高出30%。并且納米材料摻量只需要很小，就能提高瀝青的高溫性能[5]。譚邦耀[6]將蛭石與納米TiO2復(fù)配改性劑摻入基質(zhì)瀝青后，發(fā)現(xiàn)瀝青的針入度和相位角減小，軟化點、布氏旋轉(zhuǎn)粘度和復(fù)數(shù)剪切模量增大，表明復(fù)配改性劑在一定程度上改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性。陳希[7]對納米瀝青混凝土試件進(jìn)行高溫車轍試驗表明，采用摻入法制備瀝青混合料試件動穩(wěn)定度有顯著提高。綜上述研究表明摻入納米TiO2可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

1.2 低溫性能

瀝青路面面層結(jié)構(gòu)因為直接暴露在大氣環(huán)境下，所以極易受到氣候氣溫轉(zhuǎn)變的制約。一旦氣溫驟降，瀝青面成就容易發(fā)生收縮形變，但由于基層與面層之間的制約，此時將在結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的極限拉應(yīng)力時會產(chǎn)生低溫開裂。

瀝青路面的抗拉強(qiáng)度主要是由瀝青膠漿所提供，而當(dāng)納米材料加入到瀝青結(jié)合料后，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)將更加密實，從而可以制約瀝青膠漿在受拉應(yīng)力時所產(chǎn)生的位移變形。研究發(fā)現(xiàn)納米材料可以增強(qiáng)SBS改性瀝青的低溫抗裂性能[8]。Gh. Shafabakhsh等[9]對摻入納米TiO2瀝青混合料蠕變性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其拉伸應(yīng)變、蠕變性能較普通瀝青混合料有明顯改善。王劉欣[10]對添加復(fù)合納米材料TiO2/CaCO3后的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗。發(fā)現(xiàn)添加納米TiO2/CaCO3能略微提高瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變。

綜合上述文獻(xiàn)中各研究成果可知，將納米TiO2材料摻入瀝青路面將提高路面的低溫抗裂性能。

1.3 水穩(wěn)定性

瀝青路面由于地下水和地表水的侵害，因瀝青混合料中集料具有親水性這一特點，導(dǎo)致瀝青路面在與水的接觸作用下，包覆在集料上的瀝青薄膜將從石料上剝落、瀝青混合料之間的作用降低，從而導(dǎo)致瀝青混合料整體力學(xué)強(qiáng)度降低，因此混合料的水穩(wěn)定性通常體現(xiàn)用水分浸泡后混合料物理力學(xué)特性削弱水平上。

孫培等[8]通過研究摻入納米TiO2材料后對瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。發(fā)現(xiàn)納米改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）都大于基質(zhì)瀝青混合料。王劉欣[10]通過對添加復(fù)合納米材料TiO2/CaCO3后的瀝青混合料相同試驗發(fā)現(xiàn)，改性后的瀝青混合料的水穩(wěn)定能力均有一定程度的增強(qiáng)。這是因為納米材料因其比表面積較大，與瀝青作用形成膠漿，瀝青中的自由瀝青含量將會減少、而結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量隨即增多，從而可以改善瀝青路面的水穩(wěn)定性。

1.4 抗疲勞性能

瀝青路面在其服役期內(nèi)，在氣溫環(huán)境與交通運輸過程中將受到反復(fù)的溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力作用，使得路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與路用性能逐步下降。當(dāng)承受的應(yīng)力次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時將導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生疲勞破壞。

Hui Li[11]通過對四點彎曲測試方法對添加了納米TiO2的瀝青試樣進(jìn)行疲勞試驗。研究表明通過納米TiO2改性后的瀝青混合料的抗彎曲疲勞壽命將有顯著的改善，并且確定了納米材料摻量為1%時，其抗疲勞性能達(dá)到最優(yōu)。孫培等[8]同樣采用四點彎曲疲勞試驗來評價復(fù)合改性后瀝青混合料疲勞性能的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)與基質(zhì)瀝青混合料相比，改性的瀝青混合料的疲勞敏感性有所降低。并且通過對比SBS改性瀝青混合料得出改性瀝青混合料的抗疲勞性能優(yōu)劣順序如下：納米TiO2/SBS復(fù)合改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料>納米TiO2改性瀝青混合料>基質(zhì)瀝青混合料。裴金榮[12]對摻入納米TiO2材料后的改性瀝青采用動態(tài)流變剪切儀進(jìn)行時間掃描，發(fā)現(xiàn)改性后的瀝青加載循環(huán)次數(shù)曲線較基質(zhì)瀝青有所增強(qiáng)，說明其能有效的增加瀝青的抗疲勞性能。

2 結(jié)語

采用光催化納米TiO2降解汽車尾氣具有無毒無害、高效和可循環(huán)利用等特點。且其比表面積較大，加入混合料后自由瀝青數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量增加，故在摻量較低時能使瀝青的高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能均在一定程度上得到改善，其在未來有良好的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]呂萍，袁九毅，張文煜.城市湍流邊界層內(nèi)汽車尾氣擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬研究[J]. 高原氣象，2005（02）：167-172.

[2]譚憶秋，李洛克，魏鵬et al.可降解汽車尾氣材料在瀝青路面中的應(yīng)用性能評價[J].中國公路學(xué)報，2010（06）：21-27.

[3]Javad Tanzadeh，F(xiàn)ariborz Vahedi，Pezhouhan T. Kheiry等.Laboratory Study on the Effect of Nano TiO2 on Rutting Performance of Asphalt Pavements[J].Advanced Materials Research，2012，622-623：990-994.

[4]葉超，陳華鑫.納米SiO_2和納米TiO_2改性瀝青路用性能研究[J].新型建筑材料，2009（06）：82-84.

[5]葉超，陳華鑫，王闖.納米二氧化鈦改性瀝青混合料路用性能研究[J].中外公路，2010，30（3）：315-318.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]