碳纳米管(CNTs)是一种管状纳米材料，管壁由一层或多层石墨片绕同一中心轴卷曲形成，两端通常由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，根据形成管壁石墨片的层数不同一般分为单壁碳纳米管(SMWNs)和多壁碳纳米管(MWNTs)两种类型川。作为纳米材料，CNTs不仅有极大的比表面积，还具有高杨氏模量、大长径比、特异的电学和热导性能等优异的物理性质，其强度、刚度和韧度比大多数金属材料都要优秀，因此，CNTs被广泛应用于制作高强金属、陶瓷以及聚合物等的研究中，被认为是纤维类强化相的终极形式。

沥青路面是一种被广泛使用的路面类型，具有行车舒适性好、修复简便、可回收利用等诸多优点中国沥青网sinoasphalt.com。作为胶结料的沥青是一种勃弹性材料，其性质受温度影响很大。在高温状态下，沥青的黏性性质大大增加，表现出更多黏性流体的特征，在行车荷载作用下容易产生较大塑性变形(流动性车辙、推挤、拥抱等)。在低温状态下，沥青的弹性性质增加、表现出更多弹性固体特征，在荷载和温度应力的作用下容易发生开裂。另外，在进行沥青路面材料选择以及设计、施工时还要考虑沥青在车辆重复荷载作用下的疲劳影响以及沥青路面施工和使用过程中所面临的老化问题等。因此，在研究和实际工程中往往采用对沥青进行改性的方式以实现不同的性能要求。

目前国内外使用较多的沥青改性方法一般有工艺改性、聚合物改性、纤维改性和填料等。利用CNT。对沥青进行改性属于纤维改性和填料类型的一种。首先，CNTs单体是一种纳米尺度管状物，具有大的长径比，因此多表现为纤维结构，这种细观尺度的纤维理论上只需很少的量就可以在沥青基体中形成复杂的网状结构，借助于CNTs本身的性质，沥青的强度和韧性可以得到巨大提升;其次，许多研究表明，集料颗粒与胶结料之间存在一个界面过渡区，该界面过渡区的成分构成和性质与胶结料基体存在很大差别，近来龚明辉利用纳米压痕技术分析认为，沥青混合料界面过渡区的厚度在20-40um之间，该过渡区的性质决定了沥青与集料的黏附程度和混合料抗水损害能力，CNTs的尺度可以实现对该过渡区的强化，进而提升沥青与集料之间的黏附性并改善混合料的抗水损能力，这是其他纤维改性无法实现的;另外，CNTs具有极大的比表面积，它与沥青基体之间会形成较强的吸附和黏结，这在很大程度上能够避免纤维与沥青基体间由于性质不同而产生缺陷，而且，碳管分散于沥青中形成的巨大表面积可能会选择性吸附沥青中某些成分而改变沥青基体结构，进而影响到沥青性能。因此，CNTs用于沥青改性具有十分可观的研究和应用前景。

本文选用两种不同型号的MWNTs，采用相同的工艺流程制备改性沥青，并分别对原样沥青和MWNTs改性沥青的高温稳定性、低温流变性、黏稠度以及老化性能指标进行测试分析，以研究MWNTs改性沥青路用性能。

材料

以中石化70#沥青为基础，采用两种MWNTs制备改性沥青试样，一种是山东大展纳米材料有限公司生产的GT一600多壁碳纳米管，另一种是南京先丰纳米材料科技有限公司生产的XFM19多壁碳纳米管。为体现对比性，试验设置1%、2%和3%三种掺量梯度制备改性沥青样品。样品采用相同的制备方法:①称取70#沥青样品各300g，置于相同规格7个容器中，其中6份分别按1%、2%、3%三个掺量添加两种MWNTs，每份试样搅拌3min左右，对试样进行编号并贴上标签以便区分;②对各试样进行高速剪切分散，剪切在150℃油浴中进行，剪切机转速统一采用5000r/min,剪切时间30min;③之后每次取用样品前都将所有样品放置在150℃烘箱中加热至具有足够流动性，并控制试验过程中加热的次数和时间。通过以上流程获得70#基质沥青，1%,2%,3%大展MWNTs改性沥青和1%,2%,3%先丰MWNTs7种样品各约300g。

试验采用软化点、表观黏度(Brookfield黏度计法)以及沥青粘温关系分析MWNTs对沥青高温性能的影响。

软化点

根据测试的各沥青试样的软化点数据。首先，从软化点数据可以看出，掺加MWNTs沥青试样的软化点都要较70#基质沥青有明显提高，1%掺量大展GT一600型MWNTs改性沥青和1%掺量先丰XFM19型MWNTs改性沥青较基质沥青软化点分别提高了约6.0℃(12.5%)和4.3℃(9.2%)，表明MWNTs在提高70#基质沥青的高温稳定性方面有较为可靠的效果。其次，随着两种碳管掺量的提高，沥青的软化点并没有获得连续稳定提升:碳管掺量从2%提高到3%,GT-600型MWNTs改性沥青软化点只提升不到0.6℃，XFM19型MWNTs改性沥青软化点则停留在50一51℃。依软化点数据来看，GT一600型MWNTs的最佳掺量应在2%附近，XFM19型MWNTs最佳掺量在1%一2%之间。表明掺加MWNTs对沥青软化点的提高是有限的，并非越多越好，过多的碳纳米管可能由于分散不良造成沥青基体内部缺陷增多，反而会降低沥青性能。因此，采用碳纳米管对沥青改性应追求少量高效的改性目标。

表观黏度《BrookBeld黏度计法》

测试MWNTs改性沥青表观黏度目的是分析掺加MWNTs对沥青感温性和高温区间黏度的影响。试验采用Brooktield黏度计法测试7个沥青试样110,120,130,140℃的表观黏度值。试验前，所有沥青试样放置在150℃烘箱中10min至有充分流动性，再将其注人沥青盛样容器，然后把盛装试样的容器和转子放置在150℃烘箱中保温30min开始试验。试验采用27号转子，测试温度从110℃开始由低向高进行。

从沥青粘温关系图可以看出，增加MWNTs掺量对提高沥青高温区间表观黏度效果显著，其中3%掺量的GT一600型MWNTs改性沥青在110一140℃温度下表观黏度值达到基质沥青的6.2倍以上。110一140℃表观黏度可在一定程度上表征沥青高温状态下的施工和易性，表观黏度值越高越不利于混合料生产拌合。倪彤元实测杭州夏季普通沥青路面极端高温为67.9℃，沥青路面实际工作的极端高温，般不超过70℃，软化点是表征沥青高温稳定性的可靠指标，因此当MWNTs掺量超过2%，继续增加MWNTs掺量对沥青高温稳定性没有进一步贡献，反而会增加胶结料在高温区间的黏度，使得沥青的施工和易性变差，对混合料生产施工造成不便。

感温性《BrookBeld黏度计法》

道路沥青是一种典型的温度敏感性材料，其感温性(温度敏感性)直接影响着沥青的抗车辙、抗低温开裂和耐久性等工作性能。而具有特异导热性能的MWNTs可能对沥青整体感温性产生影响，通过沥青粘温关系能较好的判断MWNT。掺加量对沥青试样感温性影响。

拟合曲线线性相关性系数R>0.995。各改性沥青相对于70#基质沥青黏温关系曲线的最大差别在于:“n”值显著增大，体现在黏温关系上是沥青整体黏度显著增加;“m”值略有增大，体现在黏温关系上是沥青的温度敏感性略有增加。即掺加MWNTs在显著提高沥青黏度的同时，会造成沥青感温性增加，对沥青高温稳定性和低温抗裂性能均产生不利影响，由于感温性变化很小，该影响的作用也就甚微。

少量MWNTs对提高沥青的软化点具有显著作用，从而在很大程度上提高沥青高温稳定性;增加MWNTs掺量对沥青软化点的提高有限，对沥青高温黏度提高则具有显著作用，因此，从沥青路用性能角度考虑，采用MWNTs对沥青改性有一个合适掺量区间，当超出范围盲目提高掺量对沥青高温稳定性也没有进一步贡献，而且会增加沥青高温区间的粘稠度，不利于混合料的生产和施工;7种试样的黏温曲线表明，掺加MWNTs使得沥青的温度敏感性略有增加，但温度敏感性变化很小，对沥青整体性能影响有限。

常温状态下沥青黏稠度

沥青针人度指标在一定程度上表征沥青软硬程度和稠度，反映在一定条件下沥青的相对黏度，对沥青路面的强度和稳定性影响较大。试验测试了7种沥青样品针人度。

1%掺量的MWNTs就可以显著降低沥青25℃针人度，继续增加碳纳米管掺量对沥青针人度影响不再扩大，这与软化点和表观黏度测试结果都不一致，主要是由于三个试验的测试温度区间各不相同:针人度测试温度为25℃，表现最显著的MWNTs改性沥青掺量在1%附近;各沥青样品的软化点在47.5一57.3℃之间，大展GT一600型MWNTs改性沥青最佳MWNTs掺量在2%左右，XFM19型MWNTs改性沥青最佳掺量在1%一2%之间;表观黏度的测试温度是110一140℃，两种MWNTs改性沥青在碳纳米管掺量3%时获得最高表观黏度。因此，温度越高，提高MWNTs掺量对沥青的影响作用越大，这对MWNTs用于沥青改性时掺量的选取有参考意义，如针对不同温度下的改性需求采用不同掺量的改性剂。

而从沥青路用性能角度出发，提高其中高温(60一70℃)稳定性具有重要意义，因此，单从针人度角度的常温工作区间黏稠度考虑MWNTs的掺量不合适，须要结合沥青中高温环境下的稳定性、低温环境的抗开裂能力以及高温区间的和易性等方面综合考虑。

低温蠕变性能

沥青路面在低温环境下产生开裂的主要原因是行车荷载和温度应力造成的沥青胶结料内部拉应力超过抗拉极限造成的，这与沥青薪弹性性质有很大关系。美国SHRP沥青结合料路用规范采用弯曲流变仪(BBR)的小梁弯曲蠕变试验作为评价沥青结合料低温抗裂性能的主要方法。利用弯曲梁流变仪测试沥青试样的弯曲蠕变劲度S和蠕变速率二值可以对沥青的低温抗裂性能给予评价。

掺加MWNTs的沥青相对于70#基质沥青弯曲蠕变劲度S降低，蠕变速率.提高，表明MWNTs在一定程度上提高了70#基质沥青的低温变形和蠕变能力，对沥青低温抗裂性能产生有利影响。主要原因可能是MWNTs碳管单体对沥青部分成分的高度吸附以及对沥青基体的细观加筋作用，阻碍了试验过程中沥青小梁微裂缝的开展，进而提高了沥青基体的抗裂性能。

结论与建议

试验采用相同的方法制备1%,2%,3%三种掺量的两种MWNTs改性沥青和70#基质沥青样品。并对试样的高温稳定性、施工和易性、常温状态下沥青猫稠度、低温蠕变性能进行了分析和评价，得出以下结论:

a)单纯从25℃针人度、软化点测试结果看，少量MWNTs可以显著提高沥青常温和中高温的整体翻稠度，这对沥青路面整体的强度和高温稳定性十分有利;结合针人度、软化点和110-140℃沥青表观黏度测试结果可见，随着温度升高，提高MWNTs掺量对沥青性质的影响逐渐变大，从沥青路用性能角度出发，沥青MWNTs改性有一合适的掺量范围，超出该范围而增加MWNTs的掺量不仅对其中高温稳定性没有进一步贡献，反而会造成沥青在高温区粘稠度的增大，降低其施工和易性。

b)从感温性角度考虑，掺加MWNTs使得沥青的温度敏感性略有增加，但增加程度甚微，对沥青整体性能的影响有限。

c)MWNTs可有效提高沥青的低温蠕变能力，对沥青低温抗裂性能产生有利影响，但在提高MWNTs掺量的同时会造成沥青基体中缺陷的增多，一方面又降低其抗低温开裂能力，因此，从沥青抗低温开裂角度出发，利用MWNTs对沥青进行改性研究也应追求少量高效。

d)从沥青的中高温稳定性、施工和易性和低温开裂性能角度综合考虑，TD一600型MWNTs改性沥青在2%掺量附近可获得最佳的改性效果，XFM19型MWNTs改性沥青的最佳掺量应在1%一2%之间。

e)作为沥青改性材料，不同类型MWNTs改性方向一致，但改性效果相差较大，这可能与碳纳米管尺寸、长径比和表面性质等有关，尚需深人探讨。