納米材料對道路材料改性的應(yīng)用

摘要 近年來，納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用于材料領(lǐng)域、能源利用、環(huán)境保護、電子行業(yè)等多個領(lǐng)域，其中將納米技術(shù)與材料相結(jié)合的納米材料得到大量研究。納米材料具有優(yōu)異的物理、化學穩(wěn)定性，能與多種材料復(fù)合，使其具有特殊性能，能夠承受極端條件，滿足實際應(yīng)用需求。常用的道路材料有瀝青、水泥、石膏、磚、石灰、砂、石等，將其與納米材料相結(jié)合生產(chǎn)出的特種復(fù)合道路材料，能夠賦予道路材料更堅固、輕質(zhì)、環(huán)保、耐久等特性。該文主要介紹納米材料作為瀝青、水泥、石膏、石灰和磚改性劑對道路材料的改善。

關(guān)鍵詞 納米材料；道路材料改善；材料復(fù)合

中圖分類號：U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0162-03

0 引言

我國道路建設(shè)處于高速發(fā)展階段，傳統(tǒng)的道路材料已不能滿足復(fù)雜的交通道路需求，需開發(fā)道路新材料解決路基路面中的問題。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)和各行各業(yè)聯(lián)系緊密，大大方便了人們的生活，將納米材料和傳統(tǒng)材料復(fù)合生成新的高新材料是當代科學家研究的熱點。將納米材料和道路材料相結(jié)合生成新材料是一種顛覆性的技術(shù)手段，生成的新材料能夠賦予路面具有智能修復(fù)能力、自凈能力、更好的力學性能、更優(yōu)異的穩(wěn)定性等。如何將納米材料和道路材料相結(jié)合具有可持續(xù)發(fā)展、更高的經(jīng)濟效益和更好地為人們服務(wù)已經(jīng)成為開發(fā)新材料的焦點。

1 道路材料的介紹

高質(zhì)量的道路是一個國家經(jīng)濟快速發(fā)展的基本保障，道路技術(shù)的優(yōu)劣將對國家經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響。將各種筑路材料按照一定的工藝鋪設(shè)在道路形成可以供行人和車輛行駛的層狀構(gòu)造物，形成的層狀構(gòu)造物具有抵抗車輪產(chǎn)生的摩擦力、承受車輛和行人荷載并保持道路能夠穩(wěn)定連續(xù)使用的能力。但是隨著路況的復(fù)雜程度增加，普通的瀝青、水泥、石膏、石灰和磚鋪設(shè)的路面已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代交通工具、極端氣候地區(qū)的需求?；诩{米材料所具有的特殊性能對瀝青、水泥、石膏、石灰和磚進行改性，這些新生成的道路材料能夠解決瀝青和水泥路面在極寒、高溫、地基不穩(wěn)、降雨等環(huán)境條件下產(chǎn)生開裂、車轍、泛油、路面平整度差、松散剝落等問題[1]。

2 納米材料的介紹

納米材料是由自然和人工合成的材料，納米材料的納米尺寸與電子的相干長度接近，相干會對材料組織帶來很多變化和效應(yīng)，從而賦予納米材料特殊的物理、化學性質(zhì)，其在工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。高性能納米材料的研發(fā)工作是現(xiàn)代科技的前沿，需要將物理、化學、納米科技與信息科技等學科有機結(jié)合起來，在納米空間水平中從原子、分子尺度進行設(shè)計，開發(fā)出具有特殊光學、電學、磁學、力學等“納米效應(yīng)”的納米材料[2]。因為納米材料的結(jié)構(gòu)與宏觀尺寸材料有極大的差別，其所具有的屬性也不一樣，使得納米結(jié)構(gòu)材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 納米材料與路面材料結(jié)合

納米材料因具有許多獨特優(yōu)良的性能，可以作為一種顛覆性的技術(shù)手段應(yīng)用于多個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的道路面材料如瀝青、水泥、石膏、石灰和磚在極端氣候或者長期使用中存在易變性、易翻漿、水穩(wěn)定性差、易開裂等問題，納米材料具有廣闊的應(yīng)用前景，在多個領(lǐng)域應(yīng)用并解決相關(guān)問題，其中包括道路材料領(lǐng)域。該文對現(xiàn)有傳統(tǒng)道路材料的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，對目前研究較多的幾種路基路面材料進行了簡要概述，隨后介紹納米材料與瀝青、水泥、石膏、石灰和磚結(jié)合的研究近況。

3.1 納米材料與瀝青結(jié)合的道路材料

瀝青是一種廣泛應(yīng)用于道路修建的筑路材料，具有優(yōu)良的路用性能，但是瀝青存在低溫穩(wěn)定性差、高溫穩(wěn)定性差、易氧化等特點，使得其路用性能降低，使用普通瀝青作為道路材料具有一定的局限性，難以滿足交通運輸行業(yè)的需求。目前已有大量使用改性材料與瀝青進行混合改性，但是目前存在著改性劑對瀝青的改性效果沒有整體的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益認識，改性后的路用性能沒有得到有效改善等問題，因此在實際工程中難以選擇適宜的瀝青改性材料。納米復(fù)合技術(shù)常用來對瀝青進行改性，應(yīng)用納米材料的“納米效應(yīng)”對瀝青的路用性能進行改善，滿足交通運輸行業(yè)的發(fā)展需求。

高及陽等[3]研究人員為了提高再生瀝青的再生效果，使用有機化表面改性的納米SiO2對再生瀝青膠結(jié)性能影響進行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明在使用KH-550有機化表面改性的納米SiO2，在再生瀝青中更加分散、尺寸更小、更均勻地融入瀝青中、具有更廣的高低溫度服務(wù)范圍、能夠更好地發(fā)揮改性再生瀝青的作用。王佳等[4]研究人員系統(tǒng)地研究了納米CaCO3、納米ZnO和納米TiO2按照不同比例配成的復(fù)合納米材料對瀝青改性試驗，試驗表明納米CaCO3、納米ZnO和納米TiO2按照1%、2%和1%的添加比例具有最優(yōu)的改性瀝青綜合性能。通過紅外光譜和電子顯微鏡對改性機理進行研究表明納米材料能夠與瀝青分子相溶，使得帶狀纖維外表面布滿了非極性的烷基鏈，形成固化的瀝青分子，改性瀝青老化后體系相對穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生新的化學物質(zhì)，保持使用性能不降低，使得改性瀝青的老化性能得到改善，更強的高低溫性能。彭博等[5]研究人員系統(tǒng)地研究摻入納米ZnO、納米SiO2和納米TiO2復(fù)合納米材料對橡膠瀝青抗老化試驗，試驗結(jié)果表明納米ZnO對瀝青光氧化老化具有抑制作用，納米TiO2對熱氧化老化具有抑制作用。納米材料在改善瀝青路用性能、延長使用壽命方面發(fā)揮了重要的作用，此技術(shù)為瀝青改性指明了方向，為將來大規(guī)模應(yīng)用具有指導意義。

3.2 納米材料與水泥結(jié)合的道路材料

水泥材料具有良好的高強度、耐久性和力學性能，隨著人們對于交通道路的發(fā)展需求，水泥是道路材料重要的組成成分，但是傳統(tǒng)的水泥材料功能單一，難以滿足現(xiàn)代交通復(fù)雜工程的需求，因此現(xiàn)代交通道路對水泥材料的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。納米材料具有比表面積大、尺寸小等特點，使用納米材料對水泥進行改性，可以顯著提高水泥的性能，可以獲得高性能和超高性能的水泥。

王茹等[6]研究人員系統(tǒng)研究了納米SiO2作為調(diào)節(jié)凝結(jié)時間物質(zhì)對苯丙共聚物/水泥復(fù)合膠凝材料凝結(jié)硬化的影響，試驗結(jié)果表明摻入納米SiO2能夠促進3CaO·Al2O3和Ca3SiO5的初期水化，加速鈣礬石的轉(zhuǎn)化及生成，促進Ca（OH）2的生成，促進了復(fù)合水泥的誘導期和加速期，使得水化放熱峰提前出現(xiàn)，水化進程加快。魏婧[7]系統(tǒng)研究碳納米管對水泥改性影響，試驗結(jié)果表明摻入適量的碳納米管可以形成“橋聯(lián)作用”，提高材料的結(jié)合力，有效控制裂紋的發(fā)展，同時碳納米管能夠在材料中均勻分布，有效地填充在水泥基體內(nèi)的小空洞，提高抗壓強度和抗折強度?？固蓟阅軠y試表明碳納米管填充水泥基體內(nèi)的小空洞，增大CO2擴散難度，碳化深度減小。葛楠等[8]研究人員探索碳納米纖維的摻入對水泥變形和抗裂性能的影響，將表修飾的碳納米纖維超聲分散到水泥材料中，碳納米纖維在水泥材料中起到“橋聯(lián)作用”，從而延緩裂紋擴展，減少改性水泥砂漿收縮變形，具有更好的抗裂性能。納米材料能夠改善水泥材料的耐久性和力學強度，該行業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

3.3 納米材料與石膏結(jié)合的道路材料

已有大量的研究表明石膏可以作為土壤加固和地面改善的土壤改良劑，特別是磷化工行業(yè)產(chǎn)生大量的磷石膏副產(chǎn)物，磷石膏作為道路土壤改良劑“變廢為寶”符合可持續(xù)發(fā)展理念，具有一定經(jīng)濟效應(yīng)。但使用單一石膏加固土壤，存在防水性差、強度低等問題，難以適應(yīng)于當今交通道路發(fā)展需求。將納米材料與石膏相結(jié)合生產(chǎn)耐水性和力學性能得到改善的復(fù)合材料，具有廣闊的應(yīng)用范圍和前景。

于洋[9]將納米SiO2摻入磷石膏研究復(fù)合材料的物理性能，納米SiO2填充在石膏內(nèi)部孔洞內(nèi)，形成釘扎效應(yīng)，起到強化作用，從而阻礙了改性石膏內(nèi)部紋裂的產(chǎn)生和擴展。王若愚等[10]研究人員探索了納米SiO2對超硫酸鹽水泥中石膏最佳摻入量的影響，單一的納米SiO2對超硫酸鹽水泥強度具有提高作用，但是會抑制石膏與鋁相水化反應(yīng)，納米SiO2的摻入能延緩石膏消耗和抑制鈣礬石生成，并且對石膏的最終消耗量需求增加，為石膏利用的綠色低碳性提供新思路。李曉東等[11]研究人員將纖維與納米材料摻入高強石膏基膠凝材料中，研究對材料軟化系數(shù)的影響。纖維和納米材料的加入增加了膠凝材料的凝聚力，使得改性后的膠凝材料抗折軟化系數(shù)得到提高。納米材料能提高石膏的力學性能和耐久性，同時也能增加石膏的功能性，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

3.4 納米材料與石灰結(jié)合的道路材料

土壤中摻入石灰固化土壤具有成本較低和施工工藝簡單等優(yōu)點，是土壤固化常用的工程技術(shù)之一。但是使用單一的普通石灰存在形成膠結(jié)物速度慢、早期強度較低等缺點，因此需要尋求環(huán)境友好的新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石灰是今后的發(fā)展趨勢。納米材料可以通過物理或者化學手段制備，具有特殊的納米效應(yīng)，使用納米材料改性的石灰固化土壤能顯著提高土壤的力學性能，滿足道路交通工程需求。

王悅等[12]研究人員系統(tǒng)研究了納米SiO2對水硬性石灰膠凝性能的影響，在納米SiO2摻入量為9%時，改性水硬性石灰的抗壓強度和抗折強度最高，能有效改善天然水硬性石灰水化較慢、開裂、耐水性差等問題，研究表明納米SiO2摻入填充至水硬性石灰的間隙中，生成C-S-H凝膠，使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，提升材料硬化后的強度。鳳翔等[13]研究人員探索納米MgO改性石灰對固化黃土路基的影響，對試驗數(shù)據(jù)進行標準化處理和回歸擬合，建立無側(cè)限抗壓強度、回彈模量和承載比強度預(yù)測模型和確定了其之間的換算關(guān)系，為納米MgO-石灰固化黃土路基的工程建設(shè)和強度評價提供了參考。賈亮等[14]研究人員將納米SiO2改性的石灰對固化黃土路基進行了研究，在綜合考慮性能與經(jīng)濟等因素，黃土固化推薦配合比為3%石灰和0.2%納米SiO2，此時黃土路基無側(cè)限抗壓強度、承載比和回彈模量的力學性能最優(yōu)。

3.5 納米材料與磚結(jié)合的道路材料

道路材料眾多，磚是常見的一種道路材料，目前常見的道路磚是由礦渣、尾礦和建筑垃圾等固體廢物與水泥混合經(jīng)過高壓振搗而成。但是生產(chǎn)的普通磚為保證其透氣性能，保留了較大的氣孔尺寸，導致普通磚強度較低，抗沖刷能力較差，不能滿足現(xiàn)代道路需求，制約普通磚的應(yīng)用。在生產(chǎn)普通磚過程中添加納米材料，能提高其抗侵蝕性、抗熱震性和透氣性等。

張建強等[15]研究人員使用納米超細氧化物對環(huán)氧樹脂砂基透水磚進行改性，試驗結(jié)果表明在偶聯(lián)劑為5%、石灰石粉摻加量為4%和納米SiO2的用量為2%時，改性的樹脂砂基透水磚的強度和耐磨性達到最佳效果。蘇玉慶等[16]研究人員為了改善剛玉質(zhì)彌散型透氣磚的性能，向其中摻加納米CaCO3，研究發(fā)現(xiàn)在納米CaCO3的摻加量為1.5%時，改性的剛玉質(zhì)彌散型透氣磚體積密度下降、高溫抗折強度升高。通過XRD晶體分析、SEM物相分析表明納米CaCO3摻加量增加導致CA6生成量增加，CA6交錯鏈接封閉部分氣孔，從而影響透氣磚的氣孔尺寸。

4 結(jié)語

道路材料是構(gòu)筑道路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，不同種類的道路材料具有不同的強度和力學性質(zhì)，我國幅員遼闊，有廣闊的平原、縱橫交錯的山脈、群山環(huán)繞的盆地和高寒的高原等，需要多種道路材料才能滿足道路交通工程的需求。納米材料、納米科技帶來了許多前所未有的優(yōu)勢，將納米材料與傳統(tǒng)道路材料相結(jié)合能夠增強道路安全性，但是在納米科技應(yīng)用到道路材料中還需要注意其可行性和經(jīng)濟性，正確評估納米材料改性的真實效果和經(jīng)濟效益，只有經(jīng)濟可行才能得到廣泛使用。目前使用納米材料改性道路材料還停留在試驗階段，距離大規(guī)模實際應(yīng)用仍有廣泛的研究空間。

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