使用优化的纳米二氧化硅和甘蔗渣灰改性浆体对半刚性路面性能的试验研究

把农场废料变成更坚固的道路

现代道路面临双重挑战：它们既要承受重型卡车、恶劣天气和燃料泄漏的考验，同时社会也在推动降低建设的碳足迹。这项研究展示了如何将制糖过程中的一种农业废弃物与一种称为纳米二氧化硅的超细颗粒结合，用于建造更坚固、更耐久的路面。通过重新思考路面结构与填充其孔隙的水泥状材料配方，研究人员指向了既更结实又更可持续的高速公路和工业场地表面。

混合路面结构如何工作

传统沥青路面有弹性，但在高温和燃料泄漏下可能车辙、开裂或软化。混凝土较硬且更耐久，但行驶噪音更大、舒适性较差且也易出现自身的裂缝问题。团队关注一种介于两者之间的解决方案——半刚性路面。在这种设计中，一层非常疏松、骨料含量高且具有大量连通孔隙的沥青充当骨架。然后用高度流动性的水泥基浆体饱和这些孔隙。结果是一种将沥青的平顺性和弹性与水泥基材料的强度和化学抗性结合在一起的路面表面。

循环利用甘蔗灰并使用微量添加剂

为了使这种混合表面更具气候与资源友好性，研究人员用甘蔗渣灰部分替代了普通波特兰水泥，后者是工业二氧化碳的重要来源。该灰是制糖和乙醇厂燃烧甘蔗残渣产生的废弃物，全球每年产生量以千万吨计。经过仔细干燥、受控燃烧和精细研磨后，该灰表现出类似反应性矿物的特性，可帮助浆体硬化并致密化。研究团队还加入少量纳米二氧化硅，其超细颗粒作为“成核”作用，加速硬化并帮助更紧密地填充微观结构。

强度、水害、交通与燃料破坏的测试

科学家们首先优化了浆体配方，使其既能流入沥青孔隙又能硬化成高强度网络。他们发现使用10%甘蔗渣灰和1%纳米二氧化硅、相对较低含水量并配合化学减水剂的混合物，其抗压强度比传统浆体约高出22%。显微镜与X射线分析显示，该配方形成了更致密的内部结构，孔隙更少，且结合凝胶（赋予水泥基材料强度的物质）含量更高。随后，用这种优化浆体制成的半刚性路面试块在实验室中与标准热拌沥青进行了比较。

在重载与苛刻条件下的表现

在承载力测试中，半刚性表面远超普通沥青。其稳定性约高出88%，回弹模量超过5000兆帕，表明在承载重交通时抵抗永久变形的能力大大增强。在模拟车辙的轮迹试验中，半刚性混合料产生的车辙深度仅为传统沥青的约30%。在潮湿条件下，半刚性试件保留了约92%的抗拉强度，而标准混合料约为88%，这得益于浆体封堵了水的渗透通道。更为显著的是，在将样品浸入柴油、随后刷洗或复测强度的试验中，半刚性路面质量损失低于5%，强度保留约93%；而普通沥青劣化更显著，质量损失接近20%，强度仅保留约80%。

更聪明材料带来的气候效益

除了性能，研究人员还评估了用甘蔗渣灰部分替代水泥并添加少量纳米二氧化硅对气候的影响。按每立方米浆体计算，与传统全水泥配方相比，改性配方可将二氧化碳排放减少约8.4%，同时将农业废弃物从弃置中回收利用。综合来看，研究结果表明，用甘蔗渣灰和纳米二氧化硅浆体构建的半刚性路面，能够为工业场地、公交车场和机场跑道等高要求场所提供更强、对车辙和燃料更具抵抗力的路面，同时在一定程度上降低建设的碳成本。

引用: Sajid, M.A., Al-Nawasir, R., Khan, M.I. et al. Experimental investigation of semi-flexible pavement performance using optimized nano-silica and sugarcane bagasse ash modified grouts. Sci Rep 16, 13903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50120-1

关键词: 半刚性路面, 甘蔗渣灰, 纳米二氧化硅, 可持续道路, 沥青性能