用于预测纳米水化石灰（NHL）改性沥青粘合剂粘弹性特性的实证模型的开发

《Results in Materials》：Development of Empirical Model for the Prediction of Viscoelastic Properties of Nano Hydrated Lime (NHL) Modified Asphalt Binders

抗车辙性能与粘度预测模型研究。采用AC-60/70沥青及0%-10%不同掺量的纳米水化石灰（NHL），通过旋转粘度和动态剪切流变仪测试，建立G*/sinδ和粘度的经验模型。结果表明5% NHL掺量时抗车辙性能最优，模型预测精度达R2=0.99，验证了温度与材料含量的协同效应。

　　在现代交通基础设施建设中，沥青材料作为道路铺设的主要组成部分，其性能直接关系到路面的耐久性和使用效率。随着材料科学和工程领域的不断发展，纳米材料被广泛应用于改善沥青的物理和化学特性，从而提升其在高温和长期使用条件下的表现。本文围绕纳米水合石灰（Nano Hydrated Lime, NHL）对沥青粘结剂性能的影响展开研究，重点探讨其对沥青粘结剂的粘弹性特征，特别是超级铺装车辙因子（G*/Sin δ）和粘度的预测模型。研究结果表明，通过合理的NHL掺量和温度控制，可以有效提高沥青材料的抗车辙性能和粘度，从而增强道路结构的稳定性和使用寿命。

沥青粘结剂的性能提升通常依赖于添加适当的改性剂或增强材料。NHL作为一种新型的纳米材料，因其独特的物理化学特性而备受关注。与传统的宏观水合石灰相比，NHL具有更高的比表面积和更小的粒径，使其在沥青中能够更均匀地分散，并与沥青基体形成更强的相互作用。这种相互作用不仅能够改善沥青的粘弹性行为，还能增强其与集料之间的粘附力，从而减少沥青剥离现象的发生。此外，NHL的加入还可能对沥青的高温性能产生积极影响，提高其在高温条件下的抗变形能力。

在实验设计方面，研究采用AC-60/70级沥青粘结剂作为基础材料，并按照不同比例（0%、1%、3%、5%和10%）掺入NHL。实验过程中，通过机械搅拌设备将NHL与沥青粘结剂充分混合，并在设定温度下进行搅拌处理。搅拌温度和时间的选择基于已有研究结果和实验验证，确保纳米颗粒能够均匀分散，避免因团聚现象导致的性能下降。此外，为了评估沥青粘结剂的性能变化，研究还采用了动态剪切流变仪（DSR）和旋转粘度计（RV）等设备，分别测量沥青粘结剂在不同温度下的G*/Sin δ值和粘度。

在数据处理方面，研究建立了基于NHL掺量和测试温度的两个经验模型，分别用于预测G*/Sin δ和粘度。这两个模型的构建过程充分考虑了沥青粘结剂的粘弹性特性，以及NHL对这些特性的影响机制。通过非线性最小二乘回归方法，研究对模型进行了优化，使得预测结果与实验数据之间的偏差最小化。同时，模型的准确性通过与实验数据的对比进行验证，确保其在实际工程应用中的可靠性。结果显示，当NHL掺量为5%时，模型预测的G*/Sin δ值和粘度均表现出较高的精度，且与实验数据的吻合度较好，说明该掺量是优化沥青粘结剂性能的关键参数。

对于G*/Sin δ值的预测模型，研究发现其与NHL掺量之间存在非线性关系。具体而言，当NHL掺量较低时，沥青粘结剂的G*/Sin δ值呈指数增长趋势，表明纳米颗粒的加入显著提高了沥青的抗剪切能力。然而，随着NHL掺量的增加，尤其是在超过5%的情况下，G*/Sin δ值开始下降，这可能与纳米颗粒在沥青基体中的团聚现象有关。团聚会导致纳米颗粒之间的接触面积减少，从而降低其对沥青性能的增强效果。因此，5%的NHL掺量被认为是最佳选择，因为它在提升沥青抗车辙能力的同时，避免了因过度掺入而导致的性能下降。

对于粘度预测模型，研究发现其与NHL掺量之间存在二次函数关系。随着NHL掺量的增加，沥青粘结剂的粘度呈现出先上升后下降的趋势，说明在一定范围内，纳米颗粒的加入能够有效提高沥青的粘性，但过量掺入则可能引起粘度的降低。这种变化趋势可能与纳米颗粒在沥青中的分散状态有关，当掺量较低时，纳米颗粒能够均匀分布，从而增强沥青的粘性；而当掺量过高时，颗粒之间的相互作用可能导致粘度下降。因此，5%的NHL掺量不仅在提升G*/Sin δ值方面表现出色，也在粘度方面实现了最佳效果。

研究还对模型的预测能力进行了验证。通过对比模型预测的车辙失效温度和实验测量值，发现预测值与实际值之间的误差控制在95%的置信区间内，表明模型具有较高的准确性。同样，粘度预测模型的验证结果也显示，预测值与实验值的误差在可接受范围内，进一步证明了模型的有效性。这些模型的建立为工程师在沥青粘结剂的配制和性能评估过程中提供了实用工具，使得在实际工程中可以更高效地调整NHL掺量和施工温度，以达到预期的沥青性能指标。

从经济和环境角度来看，NHL的使用在一定程度上能够降低道路维护成本。虽然纳米材料的生产需要额外的研磨工艺，但其在沥青中的低掺量（如5%）可以有效平衡成本与性能之间的关系。此外，NHL的加入能够提高沥青的抗车辙能力，从而减少路面厚度或延长路面使用寿命，这在长期经济和环境效益方面具有重要意义。研究建议未来可以进一步开展全生命周期评估（LCA），以更全面地量化NHL对沥青性能和环境影响的综合效益。

在实际应用中，经验模型能够帮助工程师在混合设计和质量控制过程中做出更科学的决策。例如，工程师可以通过模型预测不同NHL掺量和温度条件下沥青粘结剂的性能表现，从而优化施工参数，确保沥青混合料在最佳状态下进行铺设。此外，模型还可以用于预测沥青的高温性能等级，减少对每批次沥青进行大量实验测试的需求，提高工作效率。这种模型的应用不仅限于实验室研究，还能够推广到实际工程中，为沥青材料的改性提供理论支持和实践指导。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。首先，当前的经验模型主要基于实验室条件下的测试数据，尚未经过大规模现场试验的验证。因此，模型在实际工程应用中的预测能力仍需进一步考察。其次，研究未对纳米颗粒在沥青基体中的微观结构进行深入分析，例如通过扫描电子显微镜（SEM）或X射线衍射（XRD）等技术手段，来观察纳米颗粒的分散状态和团聚情况。这种微观结构分析对于理解NHL对沥青性能的具体影响机制至关重要，建议未来研究中增加相关实验，以获得更全面的改性机理数据。此外，研究中使用的NHL掺量上限为10%，但实际工程中可能需要考虑更高掺量的可行性，以进一步探索其性能提升潜力。

综上所述，本研究通过建立经验模型，揭示了NHL对沥青粘结剂性能的影响规律，并确定了5%为最佳掺量。模型的建立不仅有助于提升沥青材料的性能，还能为工程实践提供科学依据和实用工具。然而，为了确保模型在实际应用中的广泛适用性，仍需进一步的研究来验证其在不同环境条件下的表现，并深入探讨纳米颗粒与沥青基体之间的相互作用机制。未来的研究可以结合更多的实验数据和先进的分析技术，以完善模型并拓展其应用范围，为沥青材料的改性提供更加全面和精准的指导。