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本文以改性沥青的研究历程为背景,分别对聚合物改性沥青、纳米材料改性沥青及碳纳米材料改性沥青的研究现状进行了综述,并重点指出纳米材料改性沥青研究中存在的不足,主要存在以下几个问题:第一,对纳米材料改性沥青的机理认识不足;第二,纳米材料掺入沥青中的相容性问题突出,传统的修饰方法很容易阻碍其纳米效应的发挥;第三,纳米材料改性沥青的制备工艺过于传统。因此,本文围绕上述三个问题,以碳纳米材料改性沥青作为研究手段,系统深入的研究纳米材料改性沥青的改性机理及相容性问题,并提出两种新型纳米材料改性沥青制备工艺,对于改善沥青的路用性能、拓宽沥青改性剂的种类和推动纳米材料改性沥青在道路材料中的应用具有重要意义。其主要工作如下:1.借助FTIR、Raman、EDS、SEM、TEM和TG对石墨烯和修饰后石墨烯的微观形貌及结构进行表征。结果表明,改进后的氧化还原法可以成功制备层状结构明显的石墨烯;借助共价键理论,石墨烯表面被成功修饰;2.将石墨烯、修饰后石墨烯和碳纳米管按照合适掺量掺入沥青,可以有效改善沥青的高温性能、老化性能及抗车辙性能;通过改进掺杂工艺将几种碳纳米材料与SBS混合掺杂,并掺入沥青制备碳纳米材料/SBS复合改性沥青,可以有效改善SBS改性沥青的高低温性能及储存稳定性能;几种碳纳米材料对沥青耐老化性能有不同程度的改善,石墨烯无论功能化与否,制备的改性沥青抗老化性要优于碳纳米管改性沥青;相比石墨烯和碳纳米管,修饰后石墨烯对SBS改性沥青的改善效果不够理想;3.碳纳米材料经表面修饰后确实可以提高其在沥青中的相容性,但同时也直接影响了纳米材料性能的发挥,寻找既能提高纳米材料与沥青相容性又能不阻碍纳米材料性能发挥的表面处理方法显得至关重要。4.借助荧光显微镜和扫描电子显微镜对改性沥青的微观结构及共混机理进行分析得出,掺加在沥青中的石墨烯和碳纳米管究竟有多少比例从纳米尺度上对沥青改性,又有多少比例以团聚的形式吸附在沥青中发挥改性作用,是全面系统认识纳米材料改性沥青机理的关键,也是评价纳米材料对沥青性能影响效果的最根本指标。