仿生納米材料對瀝青與集料界面黏附性的影響研究

長安大學 工程機械學院 張中華 晏雙龍 杜書權 解江浩

仿生納米材料對瀝青與集料界面黏附性的影響研究

長安大學 工程機械學院 張中華 晏雙龍 杜書權 解江浩

隨著我國交通量的不斷增長，許多高速公路出現了早期破壞現象，尤其是在水的作用下瀝青與集料之間的黏結力較弱導致的界面破壞，加劇了車轍、疲勞裂縫、松散和坑槽等路面病害的出現。因此，從不同的角度和材料方面認識并提高瀝青與集料之間的黏結力具有重要意義。

一、研究的可行性分析

仿生學是指模仿生物建造技術裝置的科學，是在20世紀中期才出現的一門邊緣科學。仿生學主要研究生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術之中，研發出性能優越的復合材料、儀器、裝置和機器等。仿生學模仿生物的某種特性，可以實現材料的智能化設計，在某些方面超越自然也是有可能的。

2000年，Autumn在Nature上發表的一篇關于壁虎微結構及吸附機理的文章掀起了全球壁虎研究的熱潮。基于壁虎的超強吸附能力，可以模仿壁虎腳掌的復雜結構，人們建立了壁虎腳掌的力學模型，制造出仿壁虎納米材料——碳納米管。

1.碳納米管概述。碳納米管是由一種由六角網狀的石墨烯片卷成的具有螺旋周期的管狀結構。按照石墨烯片的層數，可以將碳納米管分為單臂碳納米管和多臂碳納米管。

2.碳納米管的特性。

（1）具有極好的物理特性。例如，無可匹敵的拉伸強度和彈性模量、低密度（抗拉強度可達50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6）、高比強度、巨大的曲面面積、高傳導性以及驚人的長徑比等優異性能。通常情況下，多壁碳納米管的模數是1.0 TPa，抗張強度為10～60 GPa（比不銹鋼高3 GPa）。這一晶格結構使碳納米管具有很強的導電性，電流密度達到4×109A/cm2，比銅的導電性強1 000倍。并且，在很多情況下，碳納米管還可以彌合結構中的裂痕，保持結構的完整性。

（2）可以增強復合材料的黏結力。碳納米管在與溶樹脂劑混合的過程中，即使其含量非常低，也能夠顯著增加樹脂的黏度，從而增強復合材料的黏結力。由于碳納米管很難在溶劑中分散，人們開發了Nanosolve分散劑，用來將碳納米管與水基或溶劑基聚合物系統結合為一體。這種含有碳納米管的創新產品具有良好的抗扭強度，可以抵抗高沖擊強度。

（3）基于碳納米管的性能，碳纖維可以做的事情完全可以由碳納米管替代。目前，碳纖維在道路行業已經被成熟應用于施工現場，加之碳納米管與樹脂結合具有超強的黏結力，因此將碳纖維用于瀝青混合料中來提高瀝青與集料界面的黏附性，具有廣闊的發展前景。

3.碳納米管的應用前景。由于碳納米管具有優異的物理、化學性能，因此在很多行業都有巨大的應用價值。目前，碳納米管的應用研究主要集中在納米復合材料、塑膠行業、氫氣存儲、電子器件、電池、超級電容器、場發射顯示器、量子導線模板電子槍及傳感器和顯微鏡探頭等領域，并已取得了許多重要進展。為了充分利用碳納米管高彈性模量和高抗拉強度這一優異的機械性能，研發人員一直在探索如何把碳納米管聚合物復合材料作為結構材料來使用，其主要困難是如何將碳納米管均勻地擴散到基體材料中，以使碳納米管和基體材料充分黏合，達到有效的應力傳遞，防止相對滑動。

二、研究內容

基于碳納米管的種種優異特性，人們應從仿生的角度來認識和提高其黏附性，仔細區分某類生物具有超強黏附性的機理與瀝青混合料中瀝青與集料界面黏附性的異同。由于生物的物種特性是經過自然選擇進化的結果，具有超強的適應性，因此探索生物優異特性并將其應用于工程實際中具有重要意義。本文，筆者研究的主要內容是將仿壁虎制成的納米碳管材料混合在瀝青中將其改性，其改性的機理可以模仿碳纖維改性瀝青的做法，采用實驗對比的方法來驗證瀝青與集料界面黏附性的效果，研究并評價瀝青混合料的性能。由于將仿生材料用于道路材料中的實例較少、甚至沒有，研究的最初設想是參考碳纖維的使用方法將碳納米管運用到瀝青混合料中，具體需要注意的問題還有待于進一步地探索。

三、研究步驟和研究方法

首先，將碳納米管濕潤，再用礦物填充料對其進行分散、稀釋，使其順理分散并防止其交纏結合。然后，將處理好的碳納米管材料加入瀝青中，為了使瀝青與集料充分結合可以加入分散劑。由于碳纖維在瀝青混合料中的應用已經比較成熟，碳納米管的摻量可以參照碳纖維在瀝青混合料的摻量（可上下浮動）。最后利用黏附性對比試驗對碳納米管的改性效果進行評價，利用高溫車轍和小梁彎曲等試驗來驗證瀝青混合料的綜合性能。

四、結論

1.將碳納米管材料混合在瀝青中將其改性，不僅可以提高瀝青與集料界面的黏附性和勁度模量，還有助于改善瀝青混合料的高溫性能和低溫性能，因此，碳納米管在未來的道路行業具有廣闊的應用前景。

2.由于碳納米管的造價較高，因此成本問題是其功能化進程中的最大障礙。