沥青作为重要的工程材料,在工业、交通和基础建设等领域有着广泛的应用,国民经济的快速发展对沥青的质量不断地提出新的要求,传统的普通沥青已经不能完全满足需要。从聚合物改性沥青的研究、生产和应用到聚合物复合改性沥青的研究,再到纳米材料和技术在沥青改性方面的应用,改性沥青的研究不断发展。但各类改性剂在沥青性能改善和改性成本上存在的矛盾影响着改性沥青的推广和应用。本文采用密闭氧化法和预聚体法分别制备了氧化石墨烯和聚氨酯,对基质沥青进行复合改性,协同发挥纳米材料和聚合物各自的优势,改善沥青及沥青混合料的性能,具有重要的意义和工程应用价值。提出了氧化石墨烯水分散液熔融法制备改性沥青的方法,通过傅里叶红外光谱和改性沥青组分变化研究了氧化石墨烯对基质沥青的改性作用,发现了氧化石墨烯含有与沥青相同的官能团,改性过程并未发生化学变化,而是以其自身的纳米特性来影响沥青的性能。此外,氧化石墨烯片层阻碍了沥青组分间的热氧转化,在老化过程中制约了沥青向凝胶型的转变,保持了沥青优异的粘结性和温度稳定性。提出了聚合物基纳米复合材料改性沥青的方法,通过原位聚合制备氧化石墨烯/聚氨酯复合材料及复合材料在沥青中的高速剪切,得到了氧化石墨烯和聚氨酯均匀分散的改性沥青材料,实现了沥青的聚合物和纳米双重改性。从力学、热学以及物理化学结构和组分方面研究了复配改性沥青的宏观性能和微观变化,探讨了改性沥青体系结构和性能的关系,发现了聚氨酯和氧化石墨烯分别从“合金化”和“复合材料化”两个方面发挥作用提高基质沥青的性能。从氧化石墨烯改性沥青、聚氨酯改性沥青再到氧化石墨烯/聚氨酯复配改性沥青,系统地研究了纳米材料、聚合物的性质及其协同作用对沥青性能的影响,发现氧化石墨烯在沥青中的母料法分散能够有效地避免纳米材料的团聚。基于胶体理论和高分子化学原理,从改性沥青的组成成分、胶体结构和微观性质方面揭示了沥青的复配改性机理,得出了对生产应用有指导意义的沥青复配改性剂配方及沥青改性工艺。基于最大密度曲线级配理论,按照AC-13型沥青混合料级配设计了一种粗型密实结构的沥青混合料,通过胡克定律和修正的尼尔森流变学模型分析了沥青混合料的低温弯曲变形和常温应力-应变非线性粘弹行为,通过开尔芬粘弹性模型和麦克斯韦粘弹性模型分别研究了沥青混合料的蠕变变形行为及载荷作用频率与路面变形的关系。从沥青混合料的组织结构及破坏机理方面阐述了聚合物和纳米材料在沥青中的改性作用。