纳米TiO2对沥青路用性能影响研究

李博+申亚洲+曾志伟

【摘 要】将纳米TiO2掺入沥青混合料以降解汽车尾气近年来已有较多研究，但其是否会影响沥青混合料的路用性能是值得关注的问题。为掌握掺入纳米TiO2对沥青路面性能的影响，本文对国内外相关研究成果进行了总结。发现掺入纳米TiO2后对沥青混合料的高低温性能、水稳定性与疲劳性能均有一定程度改善。

【关键词】沥青路面；路用性能；纳米TiO2；汽车尾气

0 引言

近年来，随着我国综合实力的稳步发展，在经济实力急速增长下，汽车市场潜在的巨大实力被逐步挖掘。机动车给人类带来便捷舒适的同时，其排放的尾气也引起了一系列的社会与环境问题。根据中国各大城市发布的大气污染指标表明，主要大气污染物中NOx的排放量已占30%以上，而汽车尾气排放的NOx已经超过了90%。因此针对汽车尾气中NO的去除是现阶段亟须研究的重点。以往针对汽车尾气的治理方法虽然均有一定的成效。但是想彻底的解决这个问题还需要从其他各方面领域入手。用以提高综合处理效果。

纳米TiO2光催化材料是一种具有良好的尾气催化氧化能力、化学稳定性以及可循环利用性，常被作为净化空气的新材料而使用与道路工程相结合。由于汽车尾气的空间分布规律为：主要集中在路面以上五米高的垂直区域与机动车怠速的横向区域相并交的范围，所以首先直接接触汽车尾气的建造物就是路面[1]。现阶段国内外对纳米TiO2材料在道路中的应用是通过将其直接添加到沥青混合料中（掺入式）和掺入某种载体后再将混合材料涂覆在沥青路面（涂覆式）两种方式[2]。但是现阶段研究结果发现采用涂覆式方法建造的路面因涂层直接受到汽车荷载作用，导致其耐久性会随着时间推移有较大的衰弱，因此人们逐步着重于纳米材料掺入式沥青混合料的研究。

加入纳米TiO2后是否会影响沥青混合料的路用性能是值得关注的问题，为此本文总结了国内外相关研究成果，对推动其在公路工程中的应用具有积极意义。

1 纳米TiO2对沥青混合料路用性能影响

纳米技术是目前一种新兴科学技术，其能在分子水平上创造新的材料、器件以适用于各领域对材料性能的高要求。纳米材料的原子与分子之间的相互作用可以直接影响到宏观材料的特性。本文针对添加纳米TiO2材料后，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性、疲劳性能产生的影响进行探讨。

1.1 高温性能

随着现代人们对交通运输的需求日益增加，导致了公路运输中轮胎压力和轴载荷的增加。由于沥青路面的粘弹性特性，当其在长时间高温环境下经受行车反复碾压，就会发生明显地形变。人们认为车辙是柔性路面中容易产生的主要病害。现在关于沥青混合料的永久变形性能的研究已成道路学者研究的焦点，旨在减轻或减少柔性路面的车辙。

Javad Tanzadeh等[3]对添加了不同用量的纳米TiO2的沥青进行了针入度、延度与软化点的试验，并对试样表面进行了SEM扫描电镜观察，研究表明添加纳米TiO2可以降低沥青路面产生车辙的深度，添加量达到4%时对防治车辙病害效果最优，并且通过纳米TiO2改性后的抗拉能力有明显的提高。叶超等[4]将不同用量的TiO2加入基质沥青中后对其进行了常规试验，研究发现加入纳米TiO2后，未老化的沥青其复数剪切模量G*增大，相位角δ减小，即车辙因子G*/sinδ比未加时有明显增大。并在60℃下对改性沥青车辙板进行车辙试验发现其动稳定度较普通沥青要高出30%。并且纳米材料掺量只需要很小，就能提高沥青的高温性能[5]。谭邦耀[6]将蛭石与纳米TiO2复配改性剂掺入基质沥青后，发现沥青的针入度和相位角减小，软化点、布氏旋转粘度和复数剪切模量增大，表明复配改性剂在一定程度上改善了沥青的高温稳定性。陈希[7]对纳米沥青混凝土试件进行高温车辙试验表明，采用掺入法制备沥青混合料试件动稳定度有显著提高。综上述研究表明掺入纳米TiO2可以显著提高沥青混合料的高温稳定性能。

1.2 低温性能

沥青路面面层结构因为直接暴露在大气环境下，所以极易受到气候气温转变的制约。一旦气温骤降，沥青面成就容易发生收缩形变，但由于基层与面层之间的制约，此时将在结构内部出现拉应力。当拉应力超过材料的极限拉应力时会产生低温开裂。

沥青路面的抗拉强度主要是由沥青胶浆所提供，而当纳米材料加入到沥青结合料后，混合料内部结构将更加密实，从而可以制约沥青胶浆在受拉应力时所产生的位移变形。研究发现纳米材料可以增强SBS改性沥青的低温抗裂性能[8]。Gh. Shafabakhsh等[9]对掺入纳米TiO2沥青混合料蠕变性能进行了研究，发现其拉伸应变、蠕变性能较普通沥青混合料有明显改善。王刘欣[10]对添加复合纳米材料TiO2/CaCO3后的沥青混合料进行低温弯曲试验。发现添加纳米TiO2/CaCO3能略微提高沥青混合料的最大弯拉应变。

综合上述文献中各研究成果可知，将纳米TiO2材料掺入沥青路面将提高路面的低温抗裂性能。

1.3 水稳定性

沥青路面由于地下水和地表水的侵害，因沥青混合料中集料具有亲水性这一特点，导致沥青路面在与水的接触作用下，包覆在集料上的沥青薄膜将从石料上剥落、沥青混合料之间的作用降低，从而导致沥青混合料整体力学强度降低，因此混合料的水稳定性通常体现用水分浸泡后混合料物理力学特性削弱水平上。

孙培等[8]通过研究掺入纳米TiO2材料后对沥青混合料进行浸水马歇爾试验和冻融劈裂试验。发现纳米改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比（TSR）都大于基质沥青混合料。王刘欣[10]通过对添加复合纳米材料TiO2/CaCO3后的沥青混合料相同试验发现，改性后的沥青混合料的水稳定能力均有一定程度的增强。这是因为纳米材料因其比表面积较大，与沥青作用形成胶浆，沥青中的自由沥青含量将会减少、而结构沥青数量随即增多，从而可以改善沥青路面的水稳定性。

1.4 抗疲劳性能

沥青路面在其服役期内，在气温环境与交通运输过程中将受到反复的温度应力与荷载应力作用，使得路面的结构强度与路用性能逐步下降。当承受的应力次数达到一定次数时将导致沥青路面产生疲劳破坏。

Hui Li[11]通过对四点弯曲测试方法对添加了纳米TiO2的沥青试样进行疲劳试验。研究表明通过纳米TiO2改性后的沥青混合料的抗弯曲疲劳寿命将有显著的改善，并且确定了纳米材料掺量为1%时，其抗疲劳性能达到最优。孙培等[8]同样采用四点弯曲疲劳试验来评价复合改性后沥青混合料疲劳性能的优劣，发现与基质沥青混合料相比，改性的沥青混合料的疲劳敏感性有所降低。并且通过对比SBS改性沥青混合料得出改性沥青混合料的抗疲劳性能优劣顺序如下：纳米TiO2/SBS复合改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>纳米TiO2改性沥青混合料>基质沥青混合料。裴金荣[12]对掺入纳米TiO2材料后的改性沥青采用动态流变剪切仪进行时间扫描，发现改性后的沥青加载循环次数曲线较基质沥青有所增强，说明其能有效的增加沥青的抗疲劳性能。

2 结语

采用光催化纳米TiO2降解汽车尾气具有无毒无害、高效和可循环利用等特点。且其比表面积较大，加入混合料后自由沥青数量减少，结构沥青数量增加，故在掺量较低时能使沥青的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能均在一定程度上得到改善，其在未来有良好的应用前景。

【参考文献】

[1]吕萍，袁九毅，張文煜.城市湍流边界层内汽车尾气扩散规律数值模拟研究[J]. 高原气象，2005（02）：167-172.

[2]谭忆秋，李洛克，魏鹏et al.可降解汽车尾气材料在沥青路面中的应用性能评价[J].中国公路学报，2010（06）：21-27.

[3]Javad Tanzadeh，Fariborz 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]叶超，陈华鑫.纳米SiO_2和纳米TiO_2改性沥青路用性能研究[J].新型建筑材料，2009（06）：82-84.

[5]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（3）：315-318.

[责任编辑：朱丽娜]