纳米材料改性沥青路用性能研究

1、科学技术研究项目申请书项 目 名 称：纳米材料改性沥青路用性能研究承 担 单 位： 重庆交通大学 项目负责人： 通 讯 地 址： 重庆市南岸区学府大道66号 联 系 电 话：起 止 年 限： 2006年 07月至2008年10月 二六年六月一、项目研究目标、研究内容及拟解决的关键问题研究目标：针对目前基质沥青在应用中普遍存在的高温稳定性差、低温抗裂性差、易老化等特点和SBS改性沥青在生产、应用中普遍存在的SBS与基质沥青之间的相容性、改性沥青储存稳定性等影响沥青性能和质量的关键技术问题，通过添加纳米粒子材料的方法，用纳米材料对基质沥青改性和纳米材料与SBS复合对基质

2、沥青进行改性。对改性沥青的常规技术性能指标、SHRP性能指标、动态力学性能等进行试验，并用红外光谱、扫描电子显微镜、示差扫描量热分析、原子力显微镜分析、动态力学分性等现代分析技术对纳米材料改性沥青的改性机理进行研究；采用纳米材料改性沥青的方法，实现纳米材料在沥青中的纳米级均匀分散，使沥青在高温稳定性、低温抗裂性、抗水剥离性、耐老化性等方面得到较大幅度改善。同时还可改善SBS改性沥青存在的相容性、储存稳定性较差的实际问题，又可进一步提高SBS改性沥青的综合力学性能。改性沥青制备工艺简便、价格低廉，可为制得高质量、高性能的改性沥青产品提供新的方法和手段，具有重要的理论意义、实用价值及广阔的应用前景

3、。材料在研究内容：研究内容分为:纳米材料的有机插层预处理、纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青的制备工艺与性能研究、纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的路用性能研究三部分。（1）纳米材料的有机插层预处理A.纳米材料初级原料和有机插层剂的筛选根据文献及已有的研究情况，分析确定纳米材料的类型、有机插层剂的品种及格，并实验筛选最优组配。B.纳米材料的有机插层工艺研究温度、溶剂类型、有机插层剂浓度等工艺参数对插层和剥离效率的影响规律，得出最优的工艺控制参数。C.有机插层纳米材料微观结构表征用扫描电子显微镜、X射线衍射、综合热分析仪及激光粒度仪等手段，对已经插层的纳米材料进行

4、表征，分析工艺参数对微结构的影响，根据微结构及形貌分析，预测插层粒子的剥离效果及增强效能。（2）纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青的制备工艺与性能研究A.有机插层粒子在沥青中的剥离、分散及其表征用有机插层粒子在沥青中进行熔融剥离，并进行分散状态与剥离形态的表征，研究插层粒子掺量、作用温度、时间、剪切速率等因素对剥离效果的影响，确定相关工艺参数。B.纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青的性能研究参照SUPERPAVE及我国现行技术规范相关试验方法及评价指标，以基质沥青和SBS改性沥青为参照，通过实验测试，对纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青的感温特性、粘附特性、

5、老化特性、流变特性等进行综合评价。（3）纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的路用性能研究A.改性沥青混合料的配合比设计与成型选定沥青混合料的类型，参照现有的热拌沥青混合料配合比设计及成型工艺方法，用纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青试制混合料，采用基质沥青和SBS改性沥青作为参照样，进行平行试验，实验确定并优化纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的施工工艺参数。B.纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的路用性能测试与评价按SUPERPAVE评价指标（或相关规范）对纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温

6、抗裂性、水稳定性及其他综合路用性能进行测试和评价，得出结论。拟解决的关键问题：总体而言，增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青要解决的关键问题是：在熔融状态下使纳米材料剥离、细化至纳米层次，同时在熔融的沥青相中均匀稳定地分散，既增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青的制备技术；增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青机理的研究；增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的路用性能。首先面临的关键问题是合理地选择纳米材料的类型和相适应的有机插层剂。纳米材料的片状晶体层间结合应较弱、层间距较大、具有可交换层间离子；有机插层剂具备离子特性、具备一定长度的有机链、在沥青中有良好的分散性、对沥青具有一定

7、的化学活性。其次如何有效利用插层剂与沥青的化学活性、热作用、机械剪切作用，使纳米材料的剥离达到较高的程度。第三是如何防止纳米级的片状硅酸盐晶体在沥青中发生团聚，保持片状纳米粒子在沥青中分散稳定。第四是增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青性能研究。对制得的增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青采用哪些指标进行性能评价更合理。第五是增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青机理的研究。应用扫描电子显微镜分析等现代分析技术对制得的增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青进行研究、分析，以探讨纳米材料和聚合物复合改性沥青的改性机理。第六是增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料性能及应用研究。对增强沥

8、青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料进行马歇尔、高温车辙、低温弯曲、残留稳定度及冻融劈裂等路用性能试验，并进行现场试验路铺筑与跟踪观测，检验增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青混合料的路用性能，为今后推广应用打下基础。二、项目的考核指标和提交成果形式（1、主要技术指标：包括形成的新技术、新工艺、新装置、新产品、专利、标准及论文专著数量等；2、经济考核指标；3、其它成果体现形式。）技术指标以基质沥青混合料为基准，增强沥青混合料的高温稳定性提高30%以上；抗老化性能提高30%以上；水稳定性提高20%以上；低温抗裂性提高15%以上。以SBS改性沥青混合料为基准，纳米材料与SBS复合改性沥青的相容

9、性和储存稳定性有较大程度提高。申请专利12项。发表论文35篇。经济指标纳米材料增强沥青比SBS改性沥青造价低1000元/吨左右，增强沥青混合料造价不高于普通沥青混合料。增强沥青混合料路面维护费用比普通沥青混合料路面降低。纳米材料与SBS复合改性沥青造价比SBS改性沥青约增加270元/吨，增加的费用是比较少的，工程单位是可以接受的。但纳米材料与SBS复合改性沥青的相容性和储存稳定性有较大程度提高，减少改性沥青的储运难度，同时对混合料的性能也有一定程度的改善。利用本项目研究成果可在工程中获得直接的经济效益，还可将纳米材料增强沥青和纳米材料与SBS复合改性沥青作为一项产品推广应用于国内外市场，为本地

10、经济发展作出更大贡献。创新点项目的创新首先体现在方法上的创新，采用无机纳米粒子的新方法实现对沥青的改性，既具有经济性又具有环保性。有别于目前广泛采用的聚合物改性方法。其次，项目将纳米材料的插层与剥离技术，从聚合物领域移植到路用沥青上，可充分利用纳米材料/聚合物复合材料的较为成熟理论基础和应用经验。三、项目年度计划及年度考核指标年度年度计划年度考核指标2006年资料收集、分析、调研试验方案制定有机插层及微观研究详细试验方案初步试验结果2007年熔融沥青剥离实验研究改性沥青性能研究改性沥青混合料试验研究阶段性试验结果2008年试验路铺筑及观测资料整理、报告撰写、验收结题报告四、项目主要研究人员姓名学历职 称工作单位项目中的分工每年工作时间（月）签名何兆益博士教授重庆交通大学总体负责3黄维蓉硕士副教授重庆交通大学总体负责8周 超学士讲 师重庆交通大学微观研究7李 力博士研究员重庆交通大学理论分析6熊出华博士讲 师重庆交通大学工艺研究5朱建勇硕士讲 师重庆交通大学微观测试5何丽红硕士助 教重庆交通大学插层预处理5冉龙飞硕士生重庆交通大学室内试验、试验路11朱宝华硕士生重庆交通大学室内试验、试验路11五、项目经费预算总费用为110万元，见费用明细表。费 用 明 细 表项目费用（万元）备注调研、资料费1.5学术会议及论文版面费1.5各种室内试