由于纳米材料能够有效增强传统材料的功能和稳定性，因而获得了研究者的广泛关注。CNF作为一种典型的纳米改性纤维，具备高模量、高拉伸强度和高比表面积，有望显著提高沥青材料的力学特性。然而，已有研究大多针对CNF改性沥青结合料展开，对CNF在热拌沥青混合料中的应用尚未充分分析。同时，CNF在与基体材料的相容性(也即界面粘合度)以及分散性方面存在问题，这使得ＣＮＦ改性沥青的进一步研发面临挑战。

    考虑到2010年Khattab等人开发的超声和高速剪切混合分散方法使制备聚合物纳米复合材料成为可能，该文借鉴该方法，利用一种新的工艺分别制备多组沥青混合料，并对其进行间接拉伸强度试验、动态模量试验和间接拉伸疲劳试验以评价CNF改性效果。同时使用扫描电子显微镜对CNF改性沥青混合料的微观结构和断面形貌进行观测与分析。

    试验材料

    材料

    沥青结合料的粘度分级为AC5，集料为粉碎石灰石。采用气相CNF作为沥青和HMA的改性剂。这种CNF直径为60~150mm，长度为30~100um，拉伸模量为600GPa，拉伸强度为7GPa。该纤维具有优良的性价比和良好的材料界面结合能力。选用市售的煤油和丙酮作为溶剂以分散CNF，最终与沥青和/或骨料拌和以构成HMA混合料。

    CNF-溶剂混合物

    市售的CNF呈团块，难以均匀混合，因此首先利用功率为300W、频率为20kHz的OMNI超声破碎机和功率为600W、最高转速为18000rpm的OMNI均质搅拌机将CNF在溶剂中分散。

    样品制备

    采用Superpave设计方法进行混合料设计，最佳沥青用量为4%，目标空隙率为4%。HMA的圆柱试样高约115mn，直径150mm，采用Superpave旋转压实仪压实成型，然后切割成3个高度为(35±2)mm的试样。

    依照下列步骤拌和CNF和HMA混合料：

    (1)煤油-CNF结合料的制备：添加沥青结合料重量1.5%的CNF到煤油中，使用超声和高速剪切混合器进行充分搅拌，剪切时间为170~175min。然后将该混合物与沥青在60℃下混合熔化。在剪切时，将油浴温度缓慢提高到150℃。可以观察到，煤油完全蒸发而CNF则留在沥青结合料中，该过程可制备均匀分散的CNF改性沥青结合料。

    (2)丙酮-CNF结合料同样使用上述超声技术制备，这种结合料被称为湿CNF结合料。将混合物置于一个托盘里，然后在室温下用小底座风扇使丙酮蒸发。经过室温下连续3~4h风干，再将CNF置于60℃的烘箱中进行6h的烘烤以使CNF成为完全干燥的团块。

    (3)用搅拌机将适量干燥或湿润的CNF在室温下与集料拌和，制得CNF改性混合料。对于干燥的CNF混合料，混合时间设定为15min；对于湿CNF混合料则需搅拌至丙酮全部蒸发，通常为30~60min。将拌和后的CNF改性沥青结合料和骨料置于150℃的烘箱中进行1.5h的低速混合搅拌。然后将CNF改性HMA混合料置于烘箱中2h，温度为压实温度135℃。最后，在135℃下使用高性能路面旋转压实仪成型直径为150mm的ＨＭＡ混合料。

    制备并测试了以下4种类型的HMA混合料：

    (1)素HMA混合料：由基质沥青结合料采用常规制备方法制成的混合料。(2)空白样品HMA混合料：采用与CNF改性沥青结合料相同的制备步骤处理基质沥青并制备相应的沥青混合料，区别在于空白样品HMA混合料不添加CNF。(3)干CNF改性HMA混合料：集料与不同干燥CNF含量的沥青结合料混合。(4)湿CNF改性HMA混合料：集料与不同湿润CNF含量的沥青结合料混合。

    各类HMA混合料包含3个平行试样，并在间接拉伸模式下进行动态模量、拉伸强度、刚度、韧性、疲劳寿命和永久变形特性等测试。

    测试方案

    间接拉伸荷载下动态模量测试

    使用MTS在各种荷载频率下对HMA试件进行间接拉伸试验，分别记录动态模量和相位角。

    间接拉伸强度试验

    试验开始时，允许样品恢复部分动态模量试验中所发生的变形。以5.1cm/min的恒定速率进行线性加载直至样品破坏。测定荷载的大小和混合料在水平和垂直方向上产生的变形。计算、比较下列4个参数：

    (1)间接抗拉强度。(2)刚度：应力应变曲线直线部分的斜率。值越大代表抵抗疲劳开裂和永久变形的能力越强。试验发现，在到达50%的峰值之前，应力－应变曲线几乎保持直线。(3)断裂能量：峰值应力破坏时应力－应变曲线所包围的面积。(4)材料峰值后的力学特性可以用韧性指数来解释。韧性指标是指材料破坏时的弹塑性能量。试件在峰值荷载后不能承载，则韧性指数为0，表示脆性材料。在此项研究中，大多数试样显示出的最大拉伸应变水平为1.75%。因此，将1.75%的拉伸应变水平选定为计算韧性指数时的兴趣点应变值。

    间接拉伸荷载下的动态疲劳试验

    动态疲劳试验采用空白样品和CNF改性HMA混合料，在10Hz和20℃下采用应力控制的间接拉伸模式对样品施加最大荷载为138kPa的正弦荷载。由试验确定HMA混合料的疲劳寿命和累积塑性变形。以塑性拉伸应变速率开始增加时的加载周期数来表示疲劳寿命。同时，试验中还测定了累计压缩塑性应变，它表示材料抵抗永久变形的能力，亦即抗车辙能力。

    扫描电子显微镜

    使用高分辨率扫描电子显微镜进行微观测试，用以综合评价HMA混合料的基本形态、微观结构以及断裂形貌和机理。直接拉伸样品获取测试断面，并在15kv的能量下以不同放大倍率观察断裂表面形貌。

    结果与分析

    CNF用量对动态模量的影响

    一般认为，混合料具有更大的抗变形能力。可进行ｔ试验以检测二者的平均值是否明显不同。试验发现，素混合料和空白样品混合料的弹性模量之间存在差别，但是，这种差别来自于制备过程老化对混合料性能的改变。因此，空白样品混合料被用来作为参考(控制组)，用以比较由于添加CNF改性剂而造成的混合料弹性模量和相位角的改变。

    试验数据表明：当CNF含量较高时，改性HMA混合料的E＊值均随CNF剂量的增加而减小。在高频时，CNF改性HMA混合料的E＊值较之空白样品混合料有5%~35%的不同。在低频率水平时，E＊的平均值差异达到了24%，但由于变异系数从5%增至37%，因此这一差异并不显著。同样，除了11.5%CNF混合料这组，其他组的δ值与空白样品混合料组并没有太大不同。湿HMA样品性能与干HMA样品性能各值并无显著差异。由此可以认为，湿润处理过程耗时较长，效果不佳，并且试验结果具有不稳定性。

    CNF用量增加时HMA混合料模量的减少可通过混合料空隙率的增加来解释：通过试验可以发现，随着CNF剂量的增加，混合料的空隙率也随之增加。此外，干混混合料较之湿混混合料有更高的空隙率。

CNF用量对间接抗拉强度的影响,对比试验结果可以发现，不管采取怎样的拌和程序，添加CNF的HMA混合料的平均ITS值都产生了14%~43%的跌幅，并表现出显著差异。可以解释为CNF用量的增加引起了混合料空隙率的增加，从而导致ITS值的降低。

    最佳沥青含量时CNF改性HMA混合料的力学特性

    动态模量和ITS结果表明：最初作为填充材料加入HMA混合料的CNF，其在高剂量时，沥青不足以对其完全进行包裹，从而导致改性混合料的高空隙率、低Ｅ＊值和低ITS值。因此，特别针对高剂量CNF的HMA混合料进行了高性能路面混合料配合比设计。试验结果发现：当满足HMA拌和设计的所有其他标准时，沥青含量增加0.7%，能达到4%的空隙率。由于沥青含量变化而CNF的添加量不变，对混合料中实际的CNF剂量重新计算，得出其占混合料总重的5.5%，而不再是6.5%。为此制备了24个额外样品，用以测试空白样品混合料和CNF改性HMA混合料的体积特性、E＊值、ITS值、疲劳寿命和抗永久变形能力。

    动态模量

    通过对比空白样品混合料和CNF改性HMA混合料的动态模量，可以发现，CNF改性HMA混合料的E＊增加了24%~26%，而δ则降低了6%~25%。两组t-试验分析表明：在a=0.05时，E＊和δ有明显的不同。E＊越高，δ越低，表明CNF改性HMA混合料的抗永久变形能力越强。

    间接拉伸强度、刚度和韧性指数

    在间接拉伸模式下研究空白样品混合料和CNF改性HMA混合料承受线性加载时的应力－应变特征行为，可以发现，CNF改性混合料具有比空白样品混合料更大的刚度，对于相同的应力水平，CNF混合料比空白样品混合料所产生的应变更小。由于此应变由弹性、粘弹性和塑性应变构成，因此可得出结论：空白样品混合料的塑性应变大于CNF改性混合料。

    数据表明：空白样品混合料和CNF改性混合料的拉伸强度和韧性指标均未提升。即使断裂能量下降，其差别在统计学上也不显著，这是由于测试结果的高变异性造成的。另一方面，CNF改性HMA混合料的刚度明显增大，达到123%。

    一般情况下，纳米和微米尺度的裂纹在应力－应变曲线的线性区域内开始出现。通常认为，CNF起到了抵制裂缝出现和抑制纳米微观裂缝初期生长的作用。因此，当保持改性材料的强度和韧性与空白样品混合料相似时，能观察到改性材料的刚度得到了显著提升。

    疲劳和永久变形特性

    研究CNF改性HMA混合料累积拉伸塑性应变关于荷载周期数的函数关系可以发现，累积塑性应变的斜率最初逐渐减小，当降至最低值时开始增大。斜率开始增大处的荷载循环数即为HMA混合料的疲劳寿命。结果发现，CNF改性HMA混合料的疲劳寿命提高了98%。

    而达到相同的累积压缩塑性应变时，CNF改性HMA混合料所需施加的荷载重复次数大大高于空白样品混合料，这表明改性混合料对导致车辙的永久变形有更高的抵抗能力。

    疲劳寿命和抗永久变形能力的提高可以解释为CNF改性HMA混合料间接拉伸刚度和动态弹性模量的增加以及相位角的降低。与空白样品混合料相比，改性HMA混合料刚度更大，弹性更强。

    HMA混合料的微观结构和断口形貌

    SEM断面图显示CNF的密度很高，并且所有CNF纤维指向拉伸加载的方向。同时纤维也互相连接，从而表现出良好的纤维网络结构。这种纤维网络可以抵抗微裂纹扩展，抑制其局部化，并阻碍由所施荷载引起的裂纹增长。

    CNF掺量分别为4%和6.5%的改性HMA混合料的SEM显微图像相似，但后者的CNF具有更高的密度，更强的连接性，更好的网络结构，以及纳米微裂缝间更多的CNF桥接。这种裂缝桥接机制抑制了微裂纹的局部化，阻碍了由于拉伸应力导致的微裂纹的扩展，从而改善了HMA混合料的疲劳寿命和永久变形特性。

    结论

    (1)力学试验和扫描电镜分析结果表明：CNF通过纳米微裂纹桥接机制阻碍了由于拉伸荷载导致的微裂纹扩展，提高了沥青混合料的力学性能。(2)CNF显著改善了混合料疲劳性能和抗永久变形能力。(3)与空白样品混合料相比，CNF改性HMA混合料呈现出更高的刚度和动态弹性模量。(4)湿HMA混合料比干HMA混合料的动态模量略高。然而，从统计学上说，使用两种拌和方法所得的模量值并没有太大差异。