石墨烯改性瀝青粘結劑綜述

鄧中杰

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

引言

由于人口的急速增長以及全球商業的發展，近幾十年來，世界各地的交通量和路面軸載都在增加。這使得開發新的瀝青材料迫在眉睫，以加強路面的相應性能，避免路面過早老化，并使得其在這些惡劣的使用條件下的使用壽命更長。

在眾多對于新路面材料的研究之中，石墨烯作為新開發出的一種新材料，多項研究成果表明，石墨烯可以增強水泥砂漿的導電性，提高其剛度、抗拉強度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改變膠結材料的孔隙結構和水化過程[1]。所以石墨烯與瀝青結合得到石墨烯改性瀝青是一項值得期待的新研究。

一、介紹

(一)石墨烯相關介紹

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

(二)石墨烯瀝青相關介紹

對于這些下一代道路材料的開發，研究最多的解決方案之一是使用納米改性劑來改善瀝青材料的力學性能及其應用[2-3]。納米材料相對于傳統材料，因其在尺寸方面的優勢而具備了豐富且優良的性能表現，自2004英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov通過膠帶剝離石墨片的方式，獲得了目前世界上最薄的二維納米材料石墨烯以來[4-5]，其在建筑工程領域開辟了許多新的研究方向。多項研究表明，石墨烯可以增強水泥砂漿的導電性，提高其剛度、抗拉強度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改變膠結材料的孔隙結構和水化過程。

二、國內外研究現狀

(一)國外研究現狀

雖然石墨烯相對面世較晚，但關于石墨烯與建筑材料結合的的相關研究的開展卻非常迅速，國內外大量研究成果表明，在建筑材料領域，石墨烯可以增強水泥砂漿的剛度、抗拉強度等各項指標[6]。盡管如此，由于石墨烯改性瀝青材料的應用相對較晚，石墨烯改性瀝青材料的研究還比較有限，分析石墨烯對瀝青粘結劑力學性能和熱性能的真實影響的研究相對較少[7]。

其中，格納拉達大學的的F.Moreno-Navarro和M.Sol-Sánchez就石墨烯改性瀝青粘結劑的力學性能和熱性能專門進行研究，其研究成果表明石墨烯添加到瀝青粘結劑中，可以在任何給定的溫度和頻率下增加其復模量和彈性并降低其相位角。結果表明，在較低的溫度下，石墨烯納米薄片的使用可以使平面粘結劑的剛度增加近兩倍，并在保持這樣的性質的前提下同時提高其強度和應變耐受性。

(二)國內相關研究進展

中國自石墨烯問世以來就非常重視石墨烯材料的研發應用。國家科技重大專項。國家973計劃圍繞“石墨烯宏量可控制備”。“石墨烯基電路制造設備工藝和材料創新”等方向部署了一批重大項目，取得了一批創新成果。國際影響力逐步提升[8]。

現階段普遍國內對于石墨烯瀝青所擁有的共識就是石墨烯可顯著提高瀝青結合料的黏度、高溫穩定性和抗車轍能力，但對低溫抗裂性影響并不顯著。也可以明顯降低瀝青結合料的針入度，提高其軟化點，但對延度的影響不大。其并不會顯著改變瀝青結合料的玻璃化轉變溫度，但可明顯提高其交聯密度，尤其是對基質瀝青。同時對基質瀝青的改性效果優于SBS改性瀝青。

三、石墨烯瀝青研究的關鍵問題

綜合上述研究資料，石墨烯的加入可顯著提高瀝青結合料的黏度、高溫穩定性和抗車轍能力但其缺點也不容忽視，石墨烯納米薄片的加入不會顯著影響中高溫下粘結劑的流變特性。此外，由于石墨烯的加入，粘結劑的彈性回收率有所提高。

部分研究也根據石墨烯瀝青研究現狀提出了一些其發展的局限性，從靜息期應力加載下的動態力學響應來看，石墨烯的加入并不像其他常見瀝青改性劑那樣使得瀝青更類似彈性體，更有利于其形變的恢復。

四、未來發展方向展望

當前，越來越多的重載交通和復雜的氣候條件使得道路使用者對路面性能的要求越來越高，改性瀝青結合料在高等級公路上的應用也越來越廣泛。我們還認為石墨烯瀝青在未來的研究發展方向應著重于以下幾個方向進行：(1)應加強石墨烯與其他功能填料的共混研究，如碳納米管，納米纖維素，石墨等；(2)要創新石墨烯瀝青復合材料的制備技術，增強石墨烯在瀝青體中分散的可控性，并實現綠色化、適于工業化；(3)深入研究石墨烯與瀝青在分子層次的相互作用，逐步理解石墨烯瀝青復合材料結構與性能之間的關系，從而實現材料性能的理論設計與材料壽命的預測評估等。

五、結論

(1)有關石墨烯瀝青的結論如下：使用石墨烯作為瀝青改性劑可以增加這些材料的復模量，并可以略微降低它們的相角。從靜息期應力加載下的動態力學響應來看，石墨烯的加入并不像彈性體等其他常見瀝青改性劑那樣，有利于形變的恢復。

(2)現階段有關石墨烯瀝青的部分研究問題以及未來發展進展與改進目標如下：深入研究石墨烯與瀝青在分子層次的相互作用，逐步理解石墨烯瀝青復合材料結構與性能之間的關系，從而實現材料性能的理論設計與材料壽命的預測評估等。