纳米材料在路基路面中的应用

（新疆维吾尔自治区公路工程造价管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

随着我国经济的迅速发展，交通出行次数与车辆保有量的不断提升加速了现有道路使用性能的衰减，道路病害问题也日益突出。与此同时，随着科技实力的增强，纳米材料科学也得到快速的发展，道路工作者开始将纳米材料应用在路基路面材料的改性中。

一、纳米材料及其特性

纳米材料是指三维空间中至少有一维结构尺寸处于纳米尺度范围内，或者由它们作为基本结构单元构成的材料。这种材料由于结构特殊，具有特殊的理化性质，因此被广泛用于医疗、工程、军事等领域。高性能新型纳米材料的研发通常在纳米空间尺度内进行，通过自然改变物质原子与分子排列顺序，使其具有纳米材料的特性。纳米微粒具有许多与宏观物体、单个独立原子或分子完全不同的化学、磁学、电学、光学、热学、力学等性质，其特殊的性质也决定了纳米粒子具有特殊的“纳米效应”，纳米粒子主要有5种效应，如表1所示。

二、在路基中的应用

在路基中，纳米材料在淤泥质软土固化处理中得到广泛应用。为了提高淤泥质软土强度，将水泥结合料、淤泥质软土、水和纳米硅粉、纳米Al2O3等其他外掺剂按照一定的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后形成高强度的水泥固化土，这种高性能材料相比普通水泥固化土具有更高的强度和更小的变形量。

表1 纳米材料基本特性

过去为了得到高强度的水泥固化土，在软土中添加较高剂量的水泥，水泥掺配比例过大伴随着水泥固化土地基开裂、造价高等问题，然而近些年来相关科学研究及工程实践表明，纳米SiO2、纳米Al2O3等材料加入水泥基材料中，不仅可以促进水泥水化反应，加强水泥石与骨料的界面微结构，还可以填充水泥基结构中存在的微孔隙，显著提高材料强度及其抗渗性、耐久性等性能指标。水泥土固化土过程如下：

由水泥主要成分硅酸三钙（3CaO·SiO2）在常温条件下与水反应生成水化硅酸钙（C-S-H凝胶）和消石灰氢氧化钙晶体，简称硅酸三钙的水化，硅酸三钙的水化程度决定水泥固化土早期强度：

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

由水泥中硅酸二钙（2CaO·SiO2）在常温条件下与水反应，进一步生成水化硅酸钙（C-S-H凝胶）和消石灰氢氧化钙晶体来提高水泥固化土强度，简称硅酸二钙的水化，硅酸二钙的水化程度主要决定水泥固化土的后期强度：

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

其次由水泥中铝酸三钙（3CaO·Al2O3）也在常温条件下与水反应生成水化铝酸钙晶体，其水化反应速率最快，因此能促进早凝。如果不控制铝酸三钙水化反应速率，将会出现“闪凝”现象，造成水泥材料的浪费：

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）经水化反应生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙晶体，其反应速率比铝酸三钙水化慢一些，但是能促进水泥固化土的早期强度：

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

路基土固化中纳米硅粉、纳米Al2O3作为水泥土外加剂时有良好的改性效果，纳米材料共有的“表面效应”赋予纳米硅粉和纳米Al2O3具有较高的活性，从而使水泥土火山灰反应得到细化，水泥水化产生的消石灰Ca(OH)2晶体得到有效消解。纳米硅粉、纳米Al2O3等纳米材料不仅可以使水泥水化的速度加快，提高水泥水化程度，还可以填充水泥石中的微小孔隙，从而细化水泥石的微观结构。此外，纳米材料掺入到水泥土中可以加强胶凝物质与土颗粒之间的连结作用。

三、在路面中的应用

以前选用聚合物改性沥青是提高沥青路面性能最直接、最有效的技术手段之一，但聚合物改性沥青普遍存在价格昂贵、与沥青相容性差、加工难度大等通病，因此开发既节能又环保高效的道路新型材料意义重大。近年来随着科研人员对纳米改性沥青进行大量的研究，在路面中应用的步伐也随之加快。目前在路面中得到较大规模应用的纳米改性沥青,分为单纯的纳米改性沥青与纳米材料复合改性沥青两类。

（一）纳米改性沥青

单纯的纳米改性沥青改性剂主要有纳米CaCO3、纳米TiO2、纳米Fe3O4、纳米层状硅酸盐等，这类改性剂通过直接在基质沥青中添加一定掺量的纳米改性剂来提高基质沥青各项基本性能，从而达到改善沥青路面使用性能的效果。

据长安大学马峰等人研究成果，零维纳米CaCO3改性剂可以有效改善基质沥青基本性能，添加一定掺量的纳米CaCO3后沥青软化点升高，针入度降低，纳米CaCO3改性沥青混合料动稳定度也有所提高。通过核磁共振与红外光谱实验手段发现，纳米CaCO3与基质沥青只是处在物理共混状态，并未发生化学反应。山东大学张金升等人通过对纳米Fe3O4改性沥青进行研究发现，添加一定比例的纳米Fe3O4后，基质沥青的三大指标都得到显著提高。

武汉理工大学涂瓛等人研究纳米层状硅酸盐蒙脱土改性沥青发现，掺入适量的纳米层状硅酸盐蒙脱土可以有效阻止沥青材料的老化、减少车辙流动变形和减缓疲劳破坏的出现，对于延长沥青路面的使用寿命具有明显的作用。此外，重庆交通大学黄维蓉通过对聚合物改性剂与纳米层状硅酸改性剂对比研究发现，纳米层状硅酸改性剂可以提高沥青混合料高温弹性，改善抗车辙变形能力。

伊斯兰自由大学（Islamic Azad University）贾瓦德坦扎德（Javad Tanzadeh）等人研究纳米TiO2发现，纳米TiO2改性沥青混合料抗车辙因子比普通沥青混合料高，相比普通沥青混合料具有更好的抗车辙能力。通过沥青混合料四点弯曲疲劳试验又发现，纳米TiO2可以有效提高沥青混合料的疲劳强度，纳米TiO2改性沥青比原基质沥青具有更高的硬度与黏度。此外，陕西铁路工程职业技术学院叶超等人的研究成果也表明，掺入适当的纳米TiO2可以提高混合料抗车辙因子，改善高温抵抗变形能力。

（二）纳米材料复合改性沥青

纳米材料复合改性沥青依靠纳米材料与高分子聚合物改性剂，通过物理或化学变化来提高基质沥青基本技术指标，从而达到提高沥青路面综合路用性能的效果。常见的纳米材料复合改性剂有纳米ZnO/SBS复合改性剂、纳米层状硅酸盐/SBS复合改性剂、碳纳米管/SBS复合改性剂等。

广州市交通规划研究院张晓航对碳纳米管/SBS复合改性沥青研究发现，复合改性后基质沥青针入度、软化点和黏度指标提升明显。此外发现，碳纳米管/SBS复合改性的添加有效提高沥青混合料抗车辙因子，降低相位角，复合改性显著提高沥青混合料高温性能。

纳米ZnO因其特有的性质有效改善SBS改性剂在沥青中分散效果，从而提高SBS改性沥青稳定性、高低温与抗老化性能。据中南大学肖鹏等人的研究成果，纳米ZnO不仅可以提高SBS改性剂与沥青界面的结合能力，还可以提高SBS改性沥青的低温韧性与延展性。通过红外光谱实验手段发现，纳米ZnO与沥青发生化学变化，SBS改性剂与沥青仅是物理混合。

长安大学李宇轩等人分别制备了纳米硫/星型SBS改性沥青与纳米硫/线型SBS改性沥青，研究成果表明纳米硫/SBS复合改性沥青混合料拌和温度和压实温度较普通SBS改性沥青混合料高5℃～10℃。张荣辉等人研究纳米CaCO3/橡胶改性沥青后发现，纳米CaCO3也能有效改善橡胶改性沥青混合高温性能及水稳定性。

美国学者艾德(Eidt)等人使用纳米层状硅酸盐改性剂制备了高性能纳米层状硅酸盐/SBS复合改性沥青，试验研究结果表明这种材料可以有效阻止太阳紫外线投射进入沥青混合料，缓解氮气向混合料内部渗透，阻止水分渗入沥青/集料界面，同时减缓路面油渍污染，有效延缓沥青混合料氧化与老化。山东交通学院唐德新等人通过DSC与红外光谱实验手段研究发现，纳米层状硅酸盐可以改善改性剂在沥青中的分布状况，使纳米层状硅酸盐/SBS复合改性沥青成为一个均匀稳定的空间网路结构，不仅提高沥青的高温稳定性、韧性与强度，还保留了沥青材料原有的刚性与强度。虽然纳米层状硅酸盐改性效果显著，但目前国内外在这方面的研究甚少，纳米复合改性沥青开发及应用面临诸多困难。

（三）纳米改性沥青的其他应用

随着我国工业化进程不断推进、环境问题日益突出，科研人员发现纳米TiO2的光催化作用及自清洁的特性可以提高空气质量。相关实验研究表明，掺入纳米TiO2不仅显著改善沥青的抗光老化性能，而且纳米TiO2掺量为60%（占矿粉比例）时的OGFC沥青混合料和掺量为50%时的微表处式混合料具有良好的尾气降解效果。此外，东南大学钱春香等人对纳米TiO2材料的汽车尾气降解效果也开展了试验研究，最终结果表明，掺入一定比例的纳米TiO2在光照作用下与汽车尾气中的碳氧化物、氮氧化物成分发生化学反应，从而使汽车尾气中氮氧化物得到有效降解。在纳米材料开发及应用上，宝业集团浙江省建设产业研究院有限公司余亚超等人研制了改性纳米光催化水泥基材料，该材料也展现出了优良的净化前景。

四、结语

新材料是行业发展与人类生活发展的物质基础，道路行业作为一个传统行业，迫切需要对新材料、新技术进行改造与改进。纳米材料相关的实验研究及工程实践均表明其可作为改善道路使用性能的一种有效技术手段，然而由于纳米材料研发的跨学科性与长期性，国内外相关研究还此较少，纳米材料的开发及应用也因此面临诸多困难。因此需要各大研究机构、政府机构及生产企业等加强合作，降低新材料的研发成本，推进新材料的工程应用，共同推动我国综合国力的进一步提升。