石墨烯在道路材料中的應用與研究綜述

楊博凱　李亞麗　劉愛華

摘? 要：近年來，人們對石墨烯產生了濃厚的興趣，將其運用于物理、化學、材料等各個領域。但由于石墨烯制備成本高，大多應用于高精尖行業，而在道路方向的應用仍處于開發階段。本文通過國內外調研，綜述了石墨烯及氧化石墨烯的加入對道路材料的抗老化、高溫和低溫及抗裂等性能影響的研究現狀。

關鍵詞：石墨烯;道路工程;瀝青

Abstract：In recent years，there has been great interest in graphene and its application in physics，chemistry，materials and other fields.However，due to the high cost of graphene preparation，most of its applications are in high-end industries，while its applications in the road direction are still in the development stage.In this paper，the effects of graphene and go on aging resistance，high temperature and low temperature resistance，crack resistance and other properties of road materials were reviewed.

Key words：graphene;road engineering;asphalt

引言

石墨烯是由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，自從英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機械剝離法成功從石墨中分離出后，石墨烯被廣泛應用于微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等領域。在交通和土木工程行業領域，石墨烯憑借其優異的力學性能、熱穩定性能及與瀝青相似的結構特征進入人們的視野。目前，國內外研究學者對于石墨烯加入瀝青等路面材料所發生的改變有了一定的研究。

1 石墨烯改性材料國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀：

2004年，英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov制取了世界上最薄的二維石墨烯材料。隨后石墨烯在很多方面例如太陽能儲能等方面有廣泛的研究。但在路面結構材料方面的應用研究并不完善。

M.?Marasteanu，J.-L.?Le，M.?Turos等人研究發現在-24℃條件下，當基質瀝青加入6%的石墨烯后，其剛度增加了2倍左右。Habib等人通過向瀝青膠結料中加入最低劑量的石墨烯（0.1125%和 0.225%）后，發現彈性模量有輕微的提高。當溫度降低時，彈性模量的增加會逐漸明顯。

Hafeez.M，Ahmad.N等人通過向瀝青中加入含量為2%和4%的石墨烯納米板，對其三大指標進行了研究。研究表明，針入度分別減少了34%和48%;當摻量為4%時，軟化點提高了19%，摻量為2%時，影響并不明顯。此外，還對改性瀝青的抗車轍能力進行了研究：在55℃條件下摻入4%的石墨烯納米板時，車轍深度從7.3mm降到4.7mm;在40℃條件下摻入2%的石墨烯納米板時，車轍深度從2.8mm降到2.59mm。由此表明石墨烯納米板的加入可以顯著提高瀝青的抗車轍能力。

El?bieta Horszczaruka，Ewa Mijowska等人采用原子力顯微鏡對養護28天后，摻入3%的氧化石墨烯的水泥復合材料的楊氏模量變化情況進行了研究。實驗分成兩組：A組為未摻入氧化石墨烯的水泥材料，B組為摻入后的水泥材料。實驗結果發現A組的楊氏模量分布在1-10Gpa，B組在5-20Gpa之間，表明氧化石墨烯的加入可以提高水泥的力學性能。

Hongjian Du，Hongchen Jacey Gao等人通過向混凝土中加入石墨烯納米板研究其抗氯離子侵蝕的能力。實驗研究了混凝土養護14天和56天時，不同石墨烯納米板含量下氯離子的滲透深度，結果發現，當石墨烯納米板摻量增加到1.5%時，氯離子的滲透深度降到最小，與基準混凝土相比減少了60-70%，此時的氯離子遷移也降到最低，與基準混凝土相比下降了37%，這說明石墨烯納米板有很好的抵抗氯離子侵蝕的能力。

1.2 國內研究現狀

國內的學者對石墨烯在道路材料中的應用也進行了研究和實踐，特別是近幾年的研究，取得了一定的的成果。

世界首條石墨烯復合橡膠改性瀝青路面在廣西省南寧市南寧大橋橋面鋪裝維修中成功鋪筑并投入使用。石墨烯的添加能有效降低路面溫度，路面的高溫動穩定度可以達到1萬以上，低溫抗裂性、路面粘結度、耐老化、抗車轍和抗剪切變形能力均有很大程度的提高，有效地解決鋼箱梁橋面易出現的開裂、車轍、推移、脫層及擁包等病害。

武漢大學的曾文博和吳少鵬等人采用兩種不同摻量氧化石墨烯對瀝青進行改性，對其高溫性能和低溫性能進行了研究。廣西大學的李晶等人對在瀝青中加入石墨烯納米片后的性能進行了研究，對針入度，軟化點，延度這三大指標進行了比較。通過采用摻量在0.03%-0.07%之間，增量為0.01%的五組樣品與非改性瀝青進行對比，結果顯示，當摻量為0.05%時，軟化點達到最大，峰值為89.4℃，延度增加到24.9cm，增加了大約52.7%，表明在一定范圍內，隨著石墨烯納米片摻量的增加，可以提高改性瀝青的塑性，高溫和低溫性能。

中北大學的于瑞恩和祝錫晶等人，將氧化石墨烯/聚氨酯納米復合材料應用于瀝青改性中，在不同石墨烯摻量下，對15℃，0℃和-10℃下的應力應變分別進行了分析，0℃時發現基質瀝青和加入氧化石墨烯后的改性瀝青彈性模量基本相同，在溫度降低后各瀝青混合料模量普遍增大，但基質瀝青與其余改性瀝青相比增幅更顯著，說明氧化石墨烯的加入，能抑制模量增長，提高低溫抗裂性。當溫度增高時，改性瀝青混合料的破壞應力增大，韌性有所增強，提高了混合料的抗疲勞性能和耐久力。

2現狀研究存在的不足

（1）目前主要集中在石墨烯加入瀝青混合料后的性能變化，例如提升了瀝青混合料的抗車轍性能，抗裂性能等，但是否可以考慮從石墨烯導電性能入手引入到對路燈的充電與新能源汽車的推廣等方面的研究

（2）大量的實驗只是將石墨烯類外加劑以單一的形式加入道路材料，未來可以將石墨烯與其他現有的技術成熟的改性想結合，探究其組合方式對道路材料的綜合性影響。

3結語

現如今，國內外的研究團隊將石墨烯加入瀝青材料，主要還集中在研究其抗老化和高低溫性能方面。研究發現隨著石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯納米板的加入，瀝青混合料的抗車轍能力，彈性恢復能力，抗裂性能普遍升高。如今有關石墨烯加入道路材料的研究還主要集中在室內試驗，還沒有大規模的使用。不過隨著我國南寧大橋路面的鋪筑，為未來石墨烯規模化摻入路面材料提供了新的思路，積累了寶貴的經驗。

參考文獻

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作者簡介：楊博凱，1996.8，男，南京，碩士生，材料工程方向。