納米材料在路基路面中的應(yīng)用

（新疆維吾爾自治區(qū)公路工程造價(jià)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通出行次數(shù)與車輛保有量的不斷提升加速了現(xiàn)有道路使用性能的衰減，道路病害問題也日益突出。與此同時(shí)，隨著科技實(shí)力的增強(qiáng)，納米材料科學(xué)也得到快速的發(fā)展，道路工作者開始將納米材料應(yīng)用在路基路面材料的改性中。

一、納米材料及其特性

納米材料是指三維空間中至少有一維結(jié)構(gòu)尺寸處于納米尺度范圍內(nèi)，或者由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料。這種材料由于結(jié)構(gòu)特殊，具有特殊的理化性質(zhì)，因此被廣泛用于醫(yī)療、工程、軍事等領(lǐng)域。高性能新型納米材料的研發(fā)通常在納米空間尺度內(nèi)進(jìn)行，通過自然改變物質(zhì)原子與分子排列順序，使其具有納米材料的特性。納米微粒具有許多與宏觀物體、單個(gè)獨(dú)立原子或分子完全不同的化學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)，其特殊的性質(zhì)也決定了納米粒子具有特殊的“納米效應(yīng)”，納米粒子主要有5種效應(yīng)，如表1所示。

二、在路基中的應(yīng)用

在路基中，納米材料在淤泥質(zhì)軟土固化處理中得到廣泛應(yīng)用。為了提高淤泥質(zhì)軟土強(qiáng)度，將水泥結(jié)合料、淤泥質(zhì)軟土、水和納米硅粉、納米Al2O3等其他外摻劑按照一定的比例進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌均勻后形成高強(qiáng)度的水泥固化土，這種高性能材料相比普通水泥固化土具有更高的強(qiáng)度和更小的變形量。

表1 納米材料基本特性

過去為了得到高強(qiáng)度的水泥固化土，在軟土中添加較高劑量的水泥，水泥摻配比例過大伴隨著水泥固化土地基開裂、造價(jià)高等問題，然而近些年來相關(guān)科學(xué)研究及工程實(shí)踐表明，納米SiO2、納米Al2O3等材料加入水泥基材料中，不僅可以促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，加強(qiáng)水泥石與骨料的界面微結(jié)構(gòu)，還可以填充水泥基結(jié)構(gòu)中存在的微孔隙，顯著提高材料強(qiáng)度及其抗?jié)B性、耐久性等性能指標(biāo)。水泥土固化土過程如下：

由水泥主要成分硅酸三鈣（3CaO·SiO2）在常溫條件下與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）和消石灰氫氧化鈣晶體，簡稱硅酸三鈣的水化，硅酸三鈣的水化程度決定水泥固化土早期強(qiáng)度：

2（3CaO·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

由水泥中硅酸二鈣（2CaO·SiO2）在常溫條件下與水反應(yīng)，進(jìn)一步生成水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）和消石灰氫氧化鈣晶體來提高水泥固化土強(qiáng)度，簡稱硅酸二鈣的水化，硅酸二鈣的水化程度主要決定水泥固化土的后期強(qiáng)度：

2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

其次由水泥中鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）也在常溫條件下與水反應(yīng)生成水化鋁酸鈣晶體，其水化反應(yīng)速率最快，因此能促進(jìn)早凝。如果不控制鋁酸三鈣水化反應(yīng)速率，將會(huì)出現(xiàn)“閃凝”現(xiàn)象，造成水泥材料的浪費(fèi)：

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）經(jīng)水化反應(yīng)生成水化鋁酸鈣晶體和水化鐵酸鈣晶體，其反應(yīng)速率比鋁酸三鈣水化慢一些，但是能促進(jìn)水泥固化土的早期強(qiáng)度：

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·6 H2O+23CaO·Fe2O3·6H2O

路基土固化中納米硅粉、納米Al2O3作為水泥土外加劑時(shí)有良好的改性效果，納米材料共有的“表面效應(yīng)”賦予納米硅粉和納米Al2O3具有較高的活性，從而使水泥土火山灰反應(yīng)得到細(xì)化，水泥水化產(chǎn)生的消石灰Ca(OH)2晶體得到有效消解。納米硅粉、納米Al2O3等納米材料不僅可以使水泥水化的速度加快，提高水泥水化程度，還可以填充水泥石中的微小孔隙，從而細(xì)化水泥石的微觀結(jié)構(gòu)。此外，納米材料摻入到水泥土中可以加強(qiáng)膠凝物質(zhì)與土顆粒之間的連結(jié)作用。

三、在路面中的應(yīng)用

以前選用聚合物改性瀝青是提高瀝青路面性能最直接、最有效的技術(shù)手段之一，但聚合物改性瀝青普遍存在價(jià)格昂貴、與瀝青相容性差、加工難度大等通病，因此開發(fā)既節(jié)能又環(huán)保高效的道路新型材料意義重大。近年來隨著科研人員對(duì)納米改性瀝青進(jìn)行大量的研究，在路面中應(yīng)用的步伐也隨之加快。目前在路面中得到較大規(guī)模應(yīng)用的納米改性瀝青,分為單純的納米改性瀝青與納米材料復(fù)合改性瀝青兩類。

（一）納米改性瀝青

單純的納米改性瀝青改性劑主要有納米CaCO3、納米TiO2、納米Fe3O4、納米層狀硅酸鹽等，這類改性劑通過直接在基質(zhì)瀝青中添加一定摻量的納米改性劑來提高基質(zhì)瀝青各項(xiàng)基本性能，從而達(dá)到改善瀝青路面使用性能的效果。

據(jù)長安大學(xué)馬峰等人研究成果，零維納米CaCO3改性劑可以有效改善基質(zhì)瀝青基本性能，添加一定摻量的納米CaCO3后瀝青軟化點(diǎn)升高，針入度降低，納米CaCO3改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度也有所提高。通過核磁共振與紅外光譜實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)，納米CaCO3與基質(zhì)瀝青只是處在物理共混狀態(tài)，并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。山東大學(xué)張金升等人通過對(duì)納米Fe3O4改性瀝青進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，添加一定比例的納米Fe3O4后，基質(zhì)瀝青的三大指標(biāo)都得到顯著提高。

武漢理工大學(xué)涂瓛等人研究納米層狀硅酸鹽蒙脫土改性瀝青發(fā)現(xiàn)，摻入適量的納米層狀硅酸鹽蒙脫土可以有效阻止瀝青材料的老化、減少車轍流動(dòng)變形和減緩疲勞破壞的出現(xiàn)，對(duì)于延長瀝青路面的使用壽命具有明顯的作用。此外，重慶交通大學(xué)黃維蓉通過對(duì)聚合物改性劑與納米層狀硅酸改性劑對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，納米層狀硅酸改性劑可以提高瀝青混合料高溫彈性，改善抗車轍變形能力。

伊斯蘭自由大學(xué)（Islamic Azad University）賈瓦德坦扎德（Javad Tanzadeh）等人研究納米TiO2發(fā)現(xiàn)，納米TiO2改性瀝青混合料抗車轍因子比普通瀝青混合料高，相比普通瀝青混合料具有更好的抗車轍能力。通過瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)，納米TiO2可以有效提高瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度，納米TiO2改性瀝青比原基質(zhì)瀝青具有更高的硬度與黏度。此外，陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院葉超等人的研究成果也表明，摻入適當(dāng)?shù)募{米TiO2可以提高混合料抗車轍因子，改善高溫抵抗變形能力。

（二）納米材料復(fù)合改性瀝青

納米材料復(fù)合改性瀝青依靠納米材料與高分子聚合物改性劑，通過物理或化學(xué)變化來提高基質(zhì)瀝青基本技術(shù)指標(biāo)，從而達(dá)到提高瀝青路面綜合路用性能的效果。常見的納米材料復(fù)合改性劑有納米ZnO/SBS復(fù)合改性劑、納米層狀硅酸鹽/SBS復(fù)合改性劑、碳納米管/SBS復(fù)合改性劑等。

廣州市交通規(guī)劃研究院張曉航對(duì)碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合改性后基質(zhì)瀝青針入度、軟化點(diǎn)和黏度指標(biāo)提升明顯。此外發(fā)現(xiàn)，碳納米管/SBS復(fù)合改性的添加有效提高瀝青混合料抗車轍因子，降低相位角，復(fù)合改性顯著提高瀝青混合料高溫性能。

納米ZnO因其特有的性質(zhì)有效改善SBS改性劑在瀝青中分散效果，從而提高SBS改性瀝青穩(wěn)定性、高低溫與抗老化性能。據(jù)中南大學(xué)肖鵬等人的研究成果，納米ZnO不僅可以提高SBS改性劑與瀝青界面的結(jié)合能力，還可以提高SBS改性瀝青的低溫韌性與延展性。通過紅外光譜實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)，納米ZnO與瀝青發(fā)生化學(xué)變化，SBS改性劑與瀝青僅是物理混合。

長安大學(xué)李宇軒等人分別制備了納米硫/星型SBS改性瀝青與納米硫/線型SBS改性瀝青，研究成果表明納米硫/SBS復(fù)合改性瀝青混合料拌和溫度和壓實(shí)溫度較普通SBS改性瀝青混合料高5℃～10℃。張榮輝等人研究納米CaCO3/橡膠改性瀝青后發(fā)現(xiàn)，納米CaCO3也能有效改善橡膠改性瀝青混合高溫性能及水穩(wěn)定性。

美國學(xué)者艾德(Eidt)等人使用納米層狀硅酸鹽改性劑制備了高性能納米層狀硅酸鹽/SBS復(fù)合改性瀝青，試驗(yàn)研究結(jié)果表明這種材料可以有效阻止太陽紫外線投射進(jìn)入瀝青混合料，緩解氮?dú)庀蚧旌狭蟽?nèi)部滲透，阻止水分滲入瀝青/集料界面，同時(shí)減緩路面油漬污染，有效延緩瀝青混合料氧化與老化。山東交通學(xué)院唐德新等人通過DSC與紅外光譜實(shí)驗(yàn)手段研究發(fā)現(xiàn)，納米層狀硅酸鹽可以改善改性劑在瀝青中的分布狀況，使納米層狀硅酸鹽/SBS復(fù)合改性瀝青成為一個(gè)均勻穩(wěn)定的空間網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，不僅提高瀝青的高溫穩(wěn)定性、韌性與強(qiáng)度，還保留了瀝青材料原有的剛性與強(qiáng)度。雖然納米層狀硅酸鹽改性效果顯著，但目前國內(nèi)外在這方面的研究甚少，納米復(fù)合改性瀝青開發(fā)及應(yīng)用面臨諸多困難。

（三）納米改性瀝青的其他應(yīng)用

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)、環(huán)境問題日益突出，科研人員發(fā)現(xiàn)納米TiO2的光催化作用及自清潔的特性可以提高空氣質(zhì)量。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，摻入納米TiO2不僅顯著改善瀝青的抗光老化性能，而且納米TiO2摻量為60%（占礦粉比例）時(shí)的OGFC瀝青混合料和摻量為50%時(shí)的微表處式混合料具有良好的尾氣降解效果。此外，東南大學(xué)錢春香等人對(duì)納米TiO2材料的汽車尾氣降解效果也開展了試驗(yàn)研究，最終結(jié)果表明，摻入一定比例的納米TiO2在光照作用下與汽車尾氣中的碳氧化物、氮氧化物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使汽車尾氣中氮氧化物得到有效降解。在納米材料開發(fā)及應(yīng)用上，寶業(yè)集團(tuán)浙江省建設(shè)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司余亞超等人研制了改性納米光催化水泥基材料，該材料也展現(xiàn)出了優(yōu)良的凈化前景。

四、結(jié)語

新材料是行業(yè)發(fā)展與人類生活發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，道路行業(yè)作為一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，迫切需要對(duì)新材料、新技術(shù)進(jìn)行改造與改進(jìn)。納米材料相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究及工程實(shí)踐均表明其可作為改善道路使用性能的一種有效技術(shù)手段，然而由于納米材料研發(fā)的跨學(xué)科性與長期性，國內(nèi)外相關(guān)研究還此較少，納米材料的開發(fā)及應(yīng)用也因此面臨諸多困難。因此需要各大研究機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)等加強(qiáng)合作，降低新材料的研發(fā)成本，推進(jìn)新材料的工程應(yīng)用，共同推動(dòng)我國綜合國力的進(jìn)一步提升。