納米材料在路基路面中的應用

（新疆維吾爾自治區公路工程造價管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著我國經濟的迅速發展，交通出行次數與車輛保有量的不斷提升加速了現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，隨著科技實力的增強，納米材料科學也得到快速的發展，道路工作者開始將納米材料應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構尺寸處于納米尺度范圍內，或者由它們作為基本結構單元構成的材料。這種材料由于結構特殊，具有特殊的理化性質，因此被廣泛用于醫療、工程、軍事等領域。高性能新型納米材料的研發通常在納米空間尺度內進行，通過自然改變物質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、單個獨立原子或分子完全不同的化學、磁學、電學、光學、熱學、力學等性質，其特殊的性質也決定了納米粒子具有特殊的“納米效應”，納米粒子主要有5種效應，如表1所示。

二、在路基中的應用

在路基中，納米材料在淤泥質軟土固化處理中得到廣泛應用。為了提高淤泥質軟土強度，將水泥結合料、淤泥質軟土、水和納米硅粉、納米Al2O3等其他外摻劑按照一定的比例進行機械攪拌，攪拌均勻后形成高強度的水泥固化土，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、造價高等問題，然而近些年來相關科學研究及工程實踐表明，納米SiO2、納米Al2O3等材料加入水泥基材料中，不僅可以促進水泥水化反應，加強水泥石與骨料的界面微結構，還可以填充水泥基結構中存在的微孔隙，顯著提高材料強度及其抗滲性、耐久性等性能指標。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，進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生成水化鋁酸鈣晶體，其水化反應速率最快，因此能促進早凝。如果不控制鋁酸三鈣水化反應速率，將會出現“閃凝”現象，造成水泥材料的浪費：

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

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

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有良好的改性效果，納米材料共有的“表面效應”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得到細化，水泥水化產生的消石灰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，從而細化水泥石的微觀結構。此外，納米材料摻入到水泥土中可以加強膠凝物質與土顆粒之間的連結作用。

三、在路面中的應用

以前選用聚合物改性瀝青是提高瀝青路面性能最直接、最有效的技術手段之一，但聚合物改性瀝青普遍存在價格昂貴、與瀝青相容性差、加工難度大等通病，因此開發既節能又環保高效的道路新型材料意義重大。近年來隨著科研人員對納米改性瀝青進行大量的研究，在路面中應用的步伐也隨之加快。目前在路面中得到較大規模應用的納米改性瀝青,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瀝青中添加一定摻量的納米改性劑來提高基質瀝青各項基本性能，從而達到改善瀝青路面使用性能的效果。

據長安大學馬峰等人研究成果，零維納米CaCO3改性劑可以有效改善基質瀝青基本性能，添加一定摻量的納米CaCO3后瀝青軟化點升高，針入度降低，納米CaCO3改性瀝青混合料動穩定度也有所提高。通過核磁共振與紅外光譜實驗手段發現，納米CaCO3與基質瀝青只是處在物理共混狀態，并未發生化學反應。山東大學張金升等人通過對納米Fe3O4改性瀝青進行研究發現，添加一定比例的納米Fe3O4后，基質瀝青的三大指標都得到顯著提高。

武漢理工大學涂瓛等人研究納米層狀硅酸鹽蒙脫土改性瀝青發現，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、減少車轍流動變形和減緩疲勞破壞的出現，對于延長瀝青路面的使用壽命具有明顯的作用。此外，重慶交通大學黃維蓉通過對聚合物改性劑與納米層狀硅酸改性劑對比研究發現，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（Islamic Azad University）賈瓦德坦扎德（Javad Tanzadeh）等人研究納米TiO2發現，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彎曲疲勞試驗又發現，納米TiO2可以有效提高瀝青混合料的疲勞強度，納米TiO2改性瀝青比原基質瀝青具有更高的硬度與黏度。此外，陜西鐵路工程職業技術學院葉超等人的研究成果也表明，摻入適當的納米TiO2可以提高混合料抗車轍因子，改善高溫抵抗變形能力。

（二）納米材料復合改性瀝青

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

廣州市交通規劃研究院張曉航對碳納米管/SBS復合改性瀝青研究發現，復合改性后基質瀝青針入度、軟化點和黏度指標提升明顯。此外發現，碳納米管/SBS復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改性瀝青穩定性、高低溫與抗老化性能。據中南大學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。通過紅外光譜實驗手段發現，納米ZnO與瀝青發生化學變化，SBS改性劑與瀝青僅是物理混合。

長安大學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復合改性瀝青混合料拌和溫度和壓實溫度較普通SBS改性瀝青混合料高5℃～10℃。張榮輝等人研究納米CaCO3/橡膠改性瀝青后發現，納米CaCO3也能有效改善橡膠改性瀝青混合高溫性能及水穩定性。

美國學者艾德(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復合改性瀝青，試驗研究結果表明這種材料可以有效阻止太陽紫外線投射進入瀝青混合料，緩解氮氣向混合料內部滲透，阻止水分滲入瀝青/集料界面，同時減緩路面油漬污染，有效延緩瀝青混合料氧化與老化。山東交通學院唐德新等人通過DSC與紅外光譜實驗手段研究發現，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復合改性瀝青成為一個均勻穩定的空間網路結構，不僅提高瀝青的高溫穩定性、韌性與強度，還保留了瀝青材料原有的剛性與強度。雖然納米層狀硅酸鹽改性效果顯著，但目前國內外在這方面的研究甚少，納米復合改性瀝青開發及應用面臨諸多困難。

（三）納米改性瀝青的其他應用

隨著我國工業化進程不斷推進、環境問題日益突出，科研人員發現納米TiO2的光催化作用及自清潔的特性可以提高空氣質量。相關實驗研究表明，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）時的OGFC瀝青混合料和摻量為50%時的微表處式混合料具有良好的尾氣降解效果。此外，東南大學錢春香等人對納米TiO2材料的汽車尾氣降解效果也開展了試驗研究，最終結果表明，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、氮氧化物成分發生化學反應，從而使汽車尾氣中氮氧化物得到有效降解。在納米材料開發及應用上，寶業集團浙江省建設產業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，該材料也展現出了優良的凈化前景。

四、結語

新材料是行業發展與人類生活發展的物質基礎，道路行業作為一個傳統行業，迫切需要對新材料、新技術進行改造與改進。納米材料相關的實驗研究及工程實踐均表明其可作為改善道路使用性能的一種有效技術手段，然而由于納米材料研發的跨學科性與長期性，國內外相關研究還此較少，納米材料的開發及應用也因此面臨諸多困難。因此需要各大研究機構、政府機構及生產企業等加強合作，降低新材料的研發成本，推進新材料的工程應用，共同推動我國綜合國力的進一步提升。