石墨烯改性瀝青粘結(jié)劑綜述

鄧中杰

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

引言

由于人口的急速增長以及全球商業(yè)的發(fā)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(fā)新的瀝青材料迫在眉睫，以加強(qiáng)路面的相應(yīng)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(fā)出的一種新材料，多項(xiàng)研究成果表明，石墨烯可以增強(qiáng)水泥砂漿的導(dǎo)電性，提高其剛度、抗拉強(qiáng)度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改變膠結(jié)材料的孔隙結(jié)構(gòu)和水化過程[1]。所以石墨烯與瀝青結(jié)合得到石墨烯改性瀝青是一項(xiàng)值得期待的新研究。

一、介紹

(一)石墨烯相關(guān)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(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。

(二)石墨烯瀝青相關(guān)介紹

對于這些下一代道路材料的開發(fā)，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(xué)性能及其應(yīng)用[2-3]。納米材料相對于傳統(tǒng)材料，因其在尺寸方面的優(yōu)勢而具備了豐富且優(yōu)良的性能表現(xiàn)，自2004英國曼徹斯特大學(xué)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(lǐng)域開辟了許多新的研究方向。多項(xiàng)研究表明，石墨烯可以增強(qiáng)水泥砂漿的導(dǎo)電性，提高其剛度、抗拉強(qiáng)度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改變膠結(jié)材料的孔隙結(jié)構(gòu)和水化過程。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)國外研究現(xiàn)狀

雖然石墨烯相對面世較晚，但關(guān)于石墨烯與建筑材料結(jié)合的的相關(guān)研究的開展卻非常迅速，國內(nèi)外大量研究成果表明，在建筑材料領(lǐng)域，石墨烯可以增強(qiáng)水泥砂漿的剛度、抗拉強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)[6]。盡管如此，由于石墨烯改性瀝青材料的應(yīng)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(jié)劑力學(xué)性能和熱性能的真實(shí)影響的研究相對較少[7]。

其中，格納拉達(dá)大學(xué)的的F.Moreno-Navarro和M.Sol-Sánchez就石墨烯改性瀝青粘結(jié)劑的力學(xué)性能和熱性能專門進(jìn)行研究，其研究成果表明石墨烯添加到瀝青粘結(jié)劑中，可以在任何給定的溫度和頻率下增加其復(fù)模量和彈性并降低其相位角。結(jié)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(jié)劑的剛度增加近兩倍，并在保持這樣的性質(zhì)的前提下同時提高其強(qiáng)度和應(yīng)變耐受性。

(二)國內(nèi)相關(guān)研究進(jìn)展

中國自石墨烯問世以來就非常重視石墨烯材料的研發(fā)應(yīng)用。國家科技重大專項(xiàng)。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(shè)備工藝和材料創(chuàng)新”等方向部署了一批重大項(xiàng)目，取得了一批創(chuàng)新成果。國際影響力逐步提升[8]。

現(xiàn)階段普遍國內(nèi)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(jié)合料的黏度、高溫穩(wěn)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(jié)合料的針入度，提高其軟化點(diǎn)，但對延度的影響不大。其并不會顯著改變?yōu)r青結(jié)合料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但可明顯提高其交聯(lián)密度，尤其是對基質(zhì)瀝青。同時對基質(zhì)瀝青的改性效果優(yōu)于SBS改性瀝青。

三、石墨烯瀝青研究的關(guān)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(jié)合料的黏度、高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力但其缺點(diǎn)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(jié)劑的流變特性。此外，由于石墨烯的加入，粘結(jié)劑的彈性回收率有所提高。

部分研究也根據(jù)石墨烯瀝青研究現(xiàn)狀提出了一些其發(fā)展的局限性，從靜息期應(yīng)力加載下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)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(fù)。

四、未來發(fā)展方向展望

當(dāng)前，越來越多的重載交通和復(fù)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(jié)合料在高等級公路上的應(yīng)用也越來越廣泛。我們還認(rèn)為石墨烯瀝青在未來的研究發(fā)展方向應(yīng)著重于以下幾個方向進(jìn)行：(1)應(yīng)加強(qiáng)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(chuàng)新石墨烯瀝青復(fù)合材料的制備技術(shù)，增強(qiáng)石墨烯在瀝青體中分散的可控性，并實(shí)現(xiàn)綠色化、適于工業(yè)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的理論設(shè)計與材料壽命的預(yù)測評估等。

五、結(jié)論

(1)有關(guān)石墨烯瀝青的結(jié)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(fù)模量，并可以略微降低它們的相角。從靜息期應(yīng)力加載下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)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(fù)。

(2)現(xiàn)階段有關(guān)石墨烯瀝青的部分研究問題以及未來發(fā)展進(jìn)展與改進(jìn)目標(biāo)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的理論設(shè)計與材料壽命的預(yù)測評估等。