導入: 滑走路工学の新しいフロンティア

空港滑走路端は、極端な機械的負荷、熱循環、燃料流出、および天候の摩耗に耐える。 従来の舗装材は、信頼性の高い一方で、寿命と性能の限界に直面します。 ナノテクノロジー - 原子スケールで材料の操作 - 原子のシフトをoffers。 設計者をアスファルトやコンクリートに埋め込むことにより、エンジニアは、より強力で柔軟性のある表面を作成でき、そして劣化を招く力に対して本質的に耐性のある材料を生成することができます。 これにより、将来の技術は、ナノ粒子を延ばし、将来の技術、技術が拡張し、将来の技術は、将来の技術、将来の技術、および技術が拡張します。

建築材料のナノテクノロジーの理解

ナノテクノロジーは、ナノメートルの粒子で動作します。このスケールでは、表面面積、化学反応、機械的強度変化などの材料特性が劇的に変化します。例えば、シリカまたは粘土のナノサイズの粒子は、そのバルクカウンターよりもはるかに大きい表面対容積比を持ち、周囲のマトリックスとの強い結合を可能にします。舗装工学では、これは、マイクロ構造をデンザー化し、気孔率を削減し、そして、そして、腐食をクラックおよび湿気に抵抗を増強することを可能にします。

滑走路の舗装で使用される共通のナノ材料

いくつかのナノマテリアルは、特定の約束を示しました。

  • ナノシリカ(SiO2):[]コンクリートの顕微鏡の空隙を埋め、圧縮強度を改善し、透過性を削減する高活性ポゾラン。
  • ナノクレイ(モンモリロナイト):[]アスファルトバインダバインを強化し、高温での打撲の剛さと抵抗を高めるプレート状の粒子。
  • カーボンナノチューブ(CNT):[]] 円筒形の炭素構造は、優れた引張強さを有する。アスファルトに分散すると、微小亀裂を橋渡し、疲労障害を遅らせる。
  • グラフェンオキシド:] 、 分離型炭素シートは、凝集とバインダー間の接着性を高め、スキッド抵抗調整のための自己潤滑特性を提供します。
  • チタニウム二酸化物(TiO2):[] 有機汚染物質を分解し、赤外線放射を反映することにより、表面温度を削減する光触媒ナノ粒子。

ナノモダフィによる滑走路の耐久性の向上

滑走路舗装は、主に疲労のクラック、腐敗、および湿気の損傷によって失敗します。ナノマテリアルは、分子レベルで各故障モードに対処します。

耐亀裂・耐疲労・寿命

溶融アスファルトでは、従来のポリマー修飾子は、UV暴露の下で柔軟性を向上させますが、劣化します。ナノシリカとカーボンナノチューブは、三次元補強ネットワークを作成します。 ]による研究は、建設材料(2020)[]]]は、瀝青の体重によって3%ナノシリカを追加することで、アスファルト混合物の疲労寿命が40%以上を繰り返した負荷下が増加しました。 ナノ粒子は、それらがマイクロスケールの低下や、それらのエネルギーの低下を遅らせるために、それらが低下するのに障害を遅らせることを明らかにしました。

防水および凍結-牽引の保護

水分浸入は、アバターバインドが集約から分離するストリッピングの第一次原因です。 疎水性ナノコートは、表面を集約したり、分子レベルでバインダーレペル水に混合したりに適用されます。 ナノクライ粒子は、その高いアスペクト比で、水分子の激しいパスを作成したり、浸透性を劇的に低下させます。 コンクリートの滑走路では、ナノシリカは、追加のカルシウム-ケイ酸-シリカを配合し、水分を吸収し、吸収するゲルを最大60%まで吸収します。

摩耗および摩耗の抵抗

航空機のタイヤの摩擦、ジェット機の送風および滑走路の掃除人の次第に表面を風化して下さい。2年が制御セクションと比較されるの後で(総計の損失)をかみ砕くことのようなナノ粒子は表面の硬度を高めます。ナノ補強はまた、より長いマクロメーリングのための維持のタイヤの磨く効果を、最小にします。

性能は耐久性を超えて強化します

ナノテクノロジーは、命を延ばすだけでなく、安全・運用コストに影響を及ぼす、測定可能な方法での滑走路の機能性能を向上します。

スキッド抵抗と摩擦管理

スキッド抵抗は、特に湿った滑走路上でブレーキと方向制御のために不可欠です。ナノ構造の表面のテクスチャは、マクロテクスチャ(排水)とマイクロテクスチャ(摩擦)のバランスを最適化するために、ミクロンスケールで設計することができます。例えば、スプレーオンナノ粒子を含むナノコーティングは、15–20%による摩擦係数を改善し、摩擦係数を向上する硬質で粗い表面を作成することができます。ナノ添加剤は、水路を促進することによって、ナノナノチャネルのハイドロプランを削減します。

温度調整とヒートアイランドの緩和

滑走路端は太陽放射を吸収し、60°C (140°F)上の表面温度に達することができます 夏に、熱割れおよび高められたタイヤの分解に導きます。 光触媒チタン二酸化ナノ粒子は、ほぼ赤外線光を反映し、ピーク表面温度を5–10°Cで下げます。 これは、熱応力を減らすだけでなく、空港周辺の都市熱島効果をカットします。 さらに、着用コースに組み込まれた相変化ナノカプセルは、夜間の放熱と夜間の疲労を引き起こします。

化学攻撃への抵抗

燃料流出、非焼成液、および油圧オイルは、化学的にアスファルト結合剤を攻撃し、それらを柔らかくし、解砕に導く。ナノコートは、溶媒浸透に抵抗する障壁を作成します。 による実験室試験[FLT:]エアクラフトエンジニアリングと航空宇宙技術(2016)は、ナノケイ酸修飾バインダバインダは、特に、72時間ジェット燃料に浸した後、その質量の10%を失ったことを示した、この耐衝撃性は、特に、耐衝撃性が30%である。

応用方法と実践的検討

ナノマテリアルを滑走路構造に統合するには、凝集(クラムピング)なしで均一分散を確実にするために慎重に処理する必要があります。 3つの主な方法は、使用されます。

  • 直接ブレンド:]ナノ粒子は、混合中に瀝青またはセメントに追加されます。 これは最も簡単な方法ですが、クラスターを避けるために高層混合が必要です。
  • ナノコート:]]] ナノ粒子の液液懸濁液が、新しくまたは硬化した舗装面にスプレーされます。 コーティングは通常0.5〜2 mm厚で、湿気やUVに対して表面をシールします。
  • ナノ修飾集合体:[粗い集合体は、バインダーとの結合を改善するためにナノ粒子で事前にコーティングされます。 この方法は、コンクリートの異物遷移ゾーンを強化します。

各方法は、コスト、耐久性、およびアプリケーションを容易にするトレードオフを持っています。 滑走路のリハビリテーションのために、スプレーオンナノコートは、徹底的な再構築を必要としない定期的な溝操作中に適用することができる低コストのアップグレードを提供します。

事例・試験プロジェクト

デンバー国際空港(アメリカ)

2019年、デンバーはタクシーのセグメントにグラフェン注入アスファルトオーバーレイをテストしました。 2年以上にわたり、ナノ修正セクションは、25%の低燃性および18%の少ない表面亀裂を制御よりも示しました。 空港では、グラフェン添加が材料コストに7%だけ追加したと報告したが、寿命を5年間延ばすために投影され、ライフサイクルコストを大幅に削減しました。

シンガポール チャンギ空港

Changiは、滑走路スラブでナノシリカコンクリート修復システムを試しました。ナノ修復パッチは、従来の高速設定コンクリート用40MPaと比較して、70MPaの圧縮強度を達成しました。これにより、7日以内にサービスに戻ることができ、忙しいハブにとって重要な利点が得られます。

課題と限界

約束にもかかわらず、広スプレッドの採用はハードルに直面しています。

  • Cost:]]] 高純度ナノマテリアルは高価です。 カーボンナノチューブは、生産規模として価格が低下しているが、グラムあたり$ 100〜$ 500をコストします。
  • 分散の問題:]]ナノ粒子は、ファンダーワーズ力による凝集性がちです。 貧しい分散は、実際に性能を低下させることができる弱点を作成します。 超音波分散と表面機能化が必要です。プロセス複雑性を追加します。
  • 健康と安全:]]]空気媒介ナノ粒子の吸入は、呼吸器リスクを伴います。 アプリケーションメソッドは、作業者を保護するために、ほこり制御、カプセル化、または湿潤プロセスを含める必要があります。
  • 長期老化データ:[]ナノモディファイド舗装は数年間しか監視されていません。 20年の性能を予測するには、実際の条件を完全に再現しない可能性のある老化テストが加速されます。
  • 再生性:]] 滑走路面は、最終的に新しい舗装で粉砕および再使用されます。 リサイクルプロセスのナノ粒子の効果はまだ調査下にあります。 一部のナノマテリアルは、老化したバインドの若返りを妨げる可能性があります。

未来の展望:スマートでセルフヒーリングの滑走路

次のフロンティアは、アクティブナノマテリアルシステムです。 研究は、ナノの若返りに満たされたマイクロカプセルを含む自己治癒アスファルトの進行中です。 亀裂が形成されると、カプセルの破裂とバインダー特性を回復する癒しの代理店を解放します。 もう一つの作業ラインは、誘導によって加熱されるときに埋め込まれたナノ粒子と形状記憶ポリマーを使用して、空港車両誘導ループから潜水。

構造体健康モニタリングとの統合も新登場。CNTのような導電性ナノ粒子は、全舗装をセンサーに変えることができます。電気抵抗の変化を測定することで、オペレータは、表面の下に微小ラックや湿気の侵入が見える前に見つけることができます。連邦航空局は、このような「スマート滑走路」コンセプトに関する実現可能性調査に資金を供給しました [空港技術研究開発ブランチ]。

コンテンツ

ナノテクノロジーは、滑走路の耐久性と性能を向上させる強力なツールキットを提供しています。 耐圧防食アスファルトと防水コンクリートからセルフクリーニングの表面と温度規制まで、利点は有形で、ますますます費用対効果が高まります。 分散、コスト、および健康の安全の課題は、継続的な研究とパイロットの展開は、より広範な採用のための方法舗装です。 これらのイノベーションを受け入れる空港は、今、より安全で長持ちする舗装と、将来の操業が進む前に、ナノテクノロジーは、ナノテクノロジーが構築される予定です。

舗装工学のナノ材料のさらなる読書については、 FHWA’sアスファルト研究プログラム[]]とナノ材料のジャーナル’ 建設アプリケーションに関する特別な問題。