美国道路沥青材料研究综述张允华（同济大学汽车学院上海201804）摘要：沥青材料在道路铺设中有着广泛的应用，尤其是美国，沥青路面占道路总里程的93%以上，使其在沥青材料的研究及应用方面积累了大量的经验，对其他国家的道路沥青材料的研究具有重要的指导意义。

本文对美国道路沥青材料的研究现状进行了综述，涉及沥青材料的改性研究，沥青材料的老化研究以及沥青材料的微观研究。

关键词：沥青材料；道路；美国；改性；老化；微观研究Key words: asphalt materials; road; the US A; modification; aging; microscopicAbstract:Asphalt materials are applied in the field of road building broadly. Especially in the United States of America, the asphalt pavement accounted for more than 93% of the total road mileage, which contributes to accumulating rich experience in research and application of the asphalt materials and it has important guiding significance for other countries. In this paper, the research status of road asphalt materials in the United States of America is reviewed, including the modification research of the asphalt materials, the aging research of asphalt materials and the microscopic research of the asphalt materials.0.引言美国道路总里程达643万公里，其中，沥青路面约占93%，美国每年在沥青道路修建和养护方面的费用就超过100亿美元。

如此数额巨大的沥青路面里程数和沥青路面投资，使得美国沥青路面科研人员积累了丰富的设计和试验经验。

而近年来，随着科技的不断进步，纳米材料的使用更加广泛，各种试验设备、检测技术推陈出新，美国在道路沥青材料的设计、改性、检测等方面都有了更大的进步。

以下将从沥青材料改性剂、沥青材料老化、沥青材料的微观研究等方面对美国近来年的在沥青材料的研究方面取得的成果进行了综述。

1. 沥青材料改性剂研究为提高沥青的路面性能，通常在沥青或沥青混合料中加入一些天然的或人工的有机的或无机的材料，即改性剂。

根据改性剂的不同，一般将其分为三类，即非聚合物改性剂、聚合物改性剂和复合改性剂[1-3]。

改性剂的添加可改善沥青路面的高、低温性能、耐老化性能、抗水损害和抗疲劳开裂等性能。

近些年，美国研究人员在沥青改性材料方面进行了广泛的研究，也取得了很多研究成果。

Magdy Abdelrahman等[4]研究了纳米黏土作为沥青改性剂给沥青混合物带来的优点，研究过程中采用动态力学分析、弯曲蠕变刚度测试以及弯曲测试来对纳米黏土沥青混合物进行测试。

此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）被用来评估纳米黏土和沥青之间的相互作用。

测试结果表明，沥青中纳米黏土的浓度越高，沥青的温度敏感性越强，沥青的复数模量和相角也会越大。

傅里叶变换红外光谱测试结果表明来自纳米黏土中的Si─O振动会有明显改变，这说明Si─O四面体结构与沥青之间存在强烈的非键相互作用。

此外，X射线衍射测试（XRD）结果表明纳米黏土结构中渗入了沥青，因为层间距扩大到超过43.17埃，而含有纳米黏土时其层间距减小。

这些实验表明沥青中添加纳米黏土对于调整不同用途沥青的性质有着巨大的潜力。

Hui Yao等[5]研究了纳米硅改性沥青的流变特性和化学成键。

研究中，纳米硅被添加到沥青含量为4%和6%的沥青粘结剂中。

高性能沥青路面粘结剂及混合测试被用于评估纳米改性沥青粘结剂及其混合物的特点。

旋转粘度计（RV）、动态剪切流变仪（DSR），弯曲测试仪（BBR），傅里叶变换红外光谱（FTIR），扫描电镜（SEM），沥青路面分析仪（APA）、动态模量（DM）和流数量（FN）测试被用来分析纳米改性沥青粘结剂的流变特性和化学成键变化以及纳米改性沥青混合物的特性。

此外，还评估了经旋转薄膜烘箱（RTFO）短期老化以及压力老化容器长期老化的纳米改性沥青粘结剂的特性，同时评估了纳米改性沥青粘结剂的流变特性。

沥青粘结剂的测试结果，可以发现，添加纳米硅添加剂后，可控沥青粘结剂的年度有所下降，低温特性基本相同，抗氧化性有所提升。

沥青混合物的测试结果表明，添加纳米硅后，纳米改性沥青混合物的动态模量以及流数有所上升，沟槽敏感性有所下降。

总的来说，添加纳米硅材料后，纳米改性沥青粘结剂的抗老化性以及疲劳特性得带提升，纳米改性沥青混合物的动态模量，流数以及抗沟槽性得到加强。

Luz S.等[6]研究了MWCNT / SBS纳米复合材料对沥青的改性效果。

研究过程中对比分析了改性沥青的流变特性以选择最好的复合材料来对沥青进行掺杂改性。

主要采用扫描电镜法来对SBS聚合物纳米复合材料以及纳米复合物改性沥青的微观结构进行观察，发现纳米复合材料改性沥青中的纳米管分布较好，同时，纳米复合材料中的纳米管的直径也有所增大。

从实验结果可以看出，纳米管的分布对改性沥青的抗老化特性有很大程度的影响。

沥青混合物与MWCNT / SBS纳米复合材料混合改性后不易产生水分流失，而SBS改性沥青混合物则产生68%的永久变形改性。

实验结果进一步表明纳米复合材料改性沥青可被用于较高模量的高性能沥青路面的铺设。

Elham H. Fini等[7]研究了猪粪制生物粘结剂的生产、改性及其特征。

运用水热过程将猪粪制成生物油。

生物油进一步脱水，除去生物残渣以及一些有机化合物，最终的粘性物质被用来替代沥青粘结剂。

研究过程中比较了石油制沥青粘结剂和生物粘接剂的生产及化学和流变特性。

猪粪制生物粘结剂被认为是一种具有前景的石油制粘接剂的部分替代产品，可以带来环境利好并具有一定的经济效益。

并且，应用这种猪粪制生物粘结剂可以提升石油制沥青粘结剂的低温特性，并可以减少沥青路面的结构损失，带来了较好的经济效益。

Munir D. Nazzal等[8]研究了沥青黏土纳米复合材料的纳米结构以及微观结构和力学行为。

研究过程中使用原子力显微镜和X射线衍射试验法对不同纳米黏土材料改性沥青粘结剂进行了测试。

AFM和XRD试验结果表明，纳米黏土在纳米复合材料中存在片状破落结构，除此之外，AFM图像还显示纳米黏土层和沥青区域有较好的相互作用，称之为“蜜蜂状结构”。

这种力光谱试验结果显示纳米黏土材料的的存在可以显著提升沥青材料的粘附力。

尽管它对内聚力会带来些许不利影响。

此外，纳米黏土材料可以提高沥青粘接剂的刚度和硬度并且这种促进作用受到温度和参混比例的影响。

研究结果同样表明沥青黏土纳米复合材料的力学行为可以被行成的一层由片状剥离纳米黏土层以及沥青质聚集形成的刚性渗透网络所解释。

刚性渗透的开始依赖于沥青质聚集的有效半径并且和纳米黏土层之间的空间有关，相关结论需要进一步的研究证实。

Hui Yao等[9]研究了一种改进的主曲线来对纳米材料改性沥青粘结剂复合剪切模量进行测量。

研究采用5种不同的纳米材料（非聚合物改性纳米黏土，聚合物改性纳米黏土，微碳筛，纳米蒙脱土，以及纳米硅），每种纳米材料都已2%和4%的浓度添加到沥青当中，根据高性能路面规定要求，运用动态剪切流变仪（DSR）来检测纳米改性沥青粘结剂的复合剪切模量，研究中修正了传统的反曲主曲线并且优化了主曲线模型，结果表明提出的主曲线更适合预测和测量纳米改性沥青粘结剂。

Mohammad J. Khattak等[10]研究了碳纳米筛改性沥青团和沥青混泥土的制备及其机械特性。

沥青团由石灰石骨料和三种沥青混凝土（纯的，加工过的以及改性的）制成，沥青混凝土通过不同掺混比例的纳米筛制成。

研究中为了实现碳纳米筛在沥青混凝土中的均匀分布，将碳纳米筛在规定时间内被超声粉碎，再用机械方法从低温到高温对其进行混合，使用动态剪切流变仪检测一定温度范围和载荷频率下的沥青混凝土和沥青团混合物的复合剪切模量和蠕变柔量。

复合剪切模量主曲线和蠕变柔分析揭示碳纳米筛可以显著提升沥青混凝土和沥青团的粘弹性。

Larisa Shiman等[11]认为纳米物质可以强化纳米颗粒和它们周围环境的相互作用，研究了纳米复合材料对PG58沥青粘结剂的高温流变特性的影响。

研究发现，相比于相同条件下的原沥青，纳米复合材料改性沥青的高温特性以及性能等级都有明显提高。

这些高温性能的改变主要依赖于沥青粘结剂中纳米复合材料存在导致的形态改变有关，并且直接与纳米复合材料的纳米管以及其在沥青粘结剂中的分布有关。

2. 沥青材料的老化研究道路沥青在加工、贮存、施工及使用过程中由于长时间暴露于空气中，在高温及自然条件如风雨、光照、温度变化等作用下，会发生一系列的物理及化学变化，使得沥青变硬变脆、易开裂，严重影响了道路沥青的使用性能。

沥青所表现出来的这种理化性能的不可逆变化被称之为老化。

沥青的老化严重影响了道路的服务功能，因此研究道路沥青的老化过程，深入探讨其老化机理具有重要意义。

道路用沥青可分为基质沥青和改性沥青，沥青的老化过程也可分为基质沥青的老化和改性沥青的老化。

沥青老化的研究方法很多，其中实验室模拟是一种非常重要的研究方法[12,13]。

（1）沥青老化的实验室模拟[14]：为模拟道路沥青的老化过程，便于实验室研究，SHRP提出了沥青结合料的老化研究方法。

该评价方法是沥青经不同方式老化后，对老化沥青的力学性能的测定。

沥青经旋转薄膜老化（RTFOT）或薄膜老化（TFOT）以模拟沥青的短期老化；而长期老化则在短期老化的基础上再经压力老化试验（PA V），模拟沥青铺在路面至少五年的情况。

在研究沥青老化的过程中，其力学性能的表征及其重要，其表征方法众多。

（2）老化沥青力学性能的表征[15]：沥青经老化后变脆表现在路用性能上，路面高温易车辙、低温易开裂和疲劳易开裂。

评价老化沥青的力学性能，就是为了反映其路用性能指标。

按照SHRP 提出的标准，可以采用动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁试验（BBR）和直接拉伸试验（DTT）来评价沥青耐老化性能。

采用DSR可测得沥青的复合模量（G*）、相位角（δ）、车辙因子（G*/Sinδ）和疲劳因子（G*×Sinδ）达到极限时的温度，表征沥青的高温抗车辙能力和抗疲劳开裂能力。