010-82930964 
编号：CYYJ04607
篇名：多维纳米ZnO改性沥青流变性能与界面增强机理研究
作者：朱曲平
关键词： 纳米ZnO; 多维形貌; 改性沥青; 流变性能; 界面机理;
机构： 重庆交通大学
摘要： 为提升沥青路面高温抗车辙、低温抗裂及抗老化性能,纳米改性已成为重要途径。然而,现有研究多集中于单一维度纳米材料,缺乏对多维纳米ZnO形貌效应的系统揭示与机理阐释。本论文围绕“多维纳米ZnO改性沥青流变性能与界面增强机理”这一主题,以“形貌可控、机理明晰、性能关联”为主线,系统开展了材料可控制备、复合体系构建、宏观性能评价与微观机理研究。主要内容与结论如下: （1）基于晶体生长与成核理论,采用溶剂热法成功制备了从零维到三维五种形貌（0D纳米颗粒、1D纳米线/棒、2D纳米片、3D纳米花）的纳米ZnO,揭示了结构导向剂通过选择性吸附调控ZnO特定晶面生长速率的形貌形成机制,并建立了“制备参数-微观形貌-物理性质”的关联。表征结果显示,所有样品均为纯净的六方纤锌矿结构;光学带隙（3.11～3.24 eV）具有维度依赖性;比表面积随维度升高呈递减趋势,其中零维纳米颗粒最高（45.2 m2/g）。综合考虑分散性与基体适配性,筛选出零维颗粒、一维纳米线及一维纳米棒作为改性研究对象。 （2）采用热熔共混与高速剪切复合工艺,将筛选出的0D颗粒、1D线及1D棒以2%～8%掺量与70#基质沥青复合,构建了分散稳定的改性沥青体系。微观表征表明,纳米颗粒在沥青中分散均匀,形成稳定的界面结构。傅里叶变换红外光谱分析在约1042 cm-1处检测到Zn–O–C特征吸收峰,证实了化学键合作用,其与物理吸附共同增强了界面稳定性。老化前后红外光谱对比显示,纳米氧化锌能有效延缓沥青热氧老化,其中零维颗粒表现最优。 （3）构建了全面的物理-流变性能评价体系,系统量化了不同维度和掺量纳米ZnO对沥青常规物理性能、热稳定性、抗短期老化性能及全温域流变行为的影响规律。研究表明,纳米ZnO显著提升了沥青的高温稳定性、低温韧性及抗短期老化性能,各维度材料性能调控优势与最佳掺量窗口并存。其中,一维纳米棒在4%掺量下表现出最优综合性能:软化点提高至70.2℃,老化后达76.7℃,延度保持良好,归因于其构筑的三维网络骨架作用。纳米颗粒则通过高比表面积与界面屏蔽效应延缓老化。差示扫描量热分析显示,所有改性沥青的玻璃化转变温度均上移4～6℃,表明分子链段运动受限,从热力学角度支持了宏观性能提升。 流变性能测试进一步验证:一维材料显著改善高温抗车辙性能,纳米棒改性沥青的临界温度提升达11.2℃;频率扫描表明其在中等掺量下可增强中温抗疲劳能力;弯曲梁流变试验证实改性体系仍保持良好低温抗裂性。 （4）通过分子动力学模拟,构建了沥青四组分与多维纳米ZnO的复合模型,从原子/分子尺度揭示了纳米ZnO与沥青的界面作用机制。模拟计算了界面相互作用能、界面剪切强度、扩散系数、径向分布函数及物理模量等关键参数,并与宏观实验数据进行了跨尺度关联验证。结果表明,零维颗粒具有最高的界面剪切强度与扩散能力,有利于高温性能提升;一维纳米线可诱导沥青组分有序排列,增强模量,与其抗疲劳性能一致;一维纳米棒界面结合能最强,但高掺量下因空间位阻导致增强效率下降。上述模拟结果与宏观流变、热稳定及抗老化性能实验数据吻合,实现了从微观机理到宏观性能的闭环验证,为多维纳米ZnO改性沥青的理性设计与应用提供了理论支撑。 基于上述研究,本论文系统阐明了纳米ZnO形貌维度通过调控界面结合强度、分子空间分布及网络结构形成能力,从而差异化影响沥青高低温性能、疲劳与老化行为的增强路径,建立了“维度-界面-性能”之间的内在联系,为面向不同路用需求的纳米改性沥青设计提供了理论依据与技术支撑。
