淺談石墨烯新材料在瀝青混凝土路面中的應用

管志飛

（華匯工程設計集團股份有限公司杭州博約分公司，浙江杭州 310000）

0 引言

在人們的日常生活中，道路交通占據了十分關鍵的地位，隨著我國社會經濟水平的提升，人們對道路舒適性、低噪性以及耐久性也提出更高的要求。現階段，在道路使用的過程中，往往會出現病害、老化、性能衰減等問題，而傳統使用的道路建設材料也存在著質量不穩定、粘度大、抗裂性弱等弊端。面對這樣的問題，道路交通行業急需一種環保、優質、美觀新型產品，進而為提升交通運行質量打下基礎。

1 石墨烯新材料的應用背景與應用優勢

1.1 應用背景

當前，我國針對石墨烯應用的研究不斷深入，尤其是在道路工程建設領域，通過尋找分散劑來對石墨烯進行分散，進而有效加入到瀝青混凝土當中來實現道路性能的顯著提升。作為一種應用十分廣泛的新型納米材料，石墨烯在我國工業化發展過程中發揮十分關鍵的作用，相關研究人員也應不斷加強研究，從而有效實現石墨烯生產工藝的優化以及制備成本的降低，為其更廣泛的應用打下基礎。我國石墨烯原料儲備十分豐富，同時也建立了相關的技術研究中心，進而在工程、交通等領域獲取更為豐富的應用成果。現階段，道路使用過程中很容易出現車轍、老化、開裂等問題，對公路的使用壽命以及交通整體運行情況都會造成十分不利的影響，因此如何進一步提升瀝青路面的交通承載能力也成為相關部門急需思考與解決的問題[1]。結合現階段的研究成果來看，加強改性瀝青的應用可以顯著提升道路的高溫穩定性和低溫抗裂性，而將石墨烯添加到瀝青中則是進行瀝青改性的良好手段，其性能也會大大超過傳統的改性瀝青。因此，應不斷加強瀝青摻石墨烯改性的相關研究，進而為提升路面使用性能、推動我國交通運輸行業發展奠定堅實基礎。

1.2 應用優勢

一直以來，石墨烯增強型瀝青性能相關研究都在持續開展并已經取得良好的成效，研究人員發現，將石墨烯添加到瀝青結合料和混合料當中對提升其機械性能和致密性能起到了十分顯著的作用。與此同時，在瀝青中添加石墨烯還可以顯著提高材料在低溫下的撓曲強度，進而降低瀝青混合料中出現孔隙的概率，有效延長道路的使用壽命。而且在添加石墨烯以后，瀝青材料各方面的機械性能、壓實性能都可以得到進一步提升，保證瀝青路面的整體性能可以有效符合道路交通運行需求。若站在環保的角度上來看，在傳統的瀝青混凝土行業發展過程中會產生大量的溫室氣體，而石墨烯的使用有助于進一步減少道路中混凝土的使用量，減少溫室氣體的排放。此外，研究團隊將石墨烯作為添加劑加入到建設材料當中，得出相較于傳統的建設材料，注入石墨烯的混凝土固化時間更短且所需要的使用量更少，可以有效預防材料過早失效，對抵御自然災害起到了十分良好的效果。

2 石墨烯新材料性能發揮與發展趨勢

2.1 性能分析

在原有建設材料當中加入石墨烯復合材料以后，相較于傳統的SBS 改性瀝青在硬度上得到較大的提升，同時抗變形能力也得到顯著增強。與此同時，針對延度指標的測定可以在一定程度上表現出瀝青材料的低溫性能，而在加入石墨烯材料之后，其延度值最多可以提升60%，進而也有效表明石墨烯材料的加入對提升瀝青原材料的高溫穩定性能起到了十分突出的作用[2]。另外，針對軟化點指標的測定可以得出加入石墨烯材料的瀝青性能保持在SBS 改性瀝青和橡膠瀝青之間，進而在瀝青高溫穩定性及高溫抗變形方面都具備著較強的穩定性。而針對運動粘度指標的測定可以有效反映出瀝青材料的施工特性，從分析結果上來看，相較于橡膠瀝青，石墨烯復合改性瀝青的運動粘度有所降低，因此也進一步提升了原瀝青材料的施工和易性。此外，加入石墨烯材料前后，瀝青的狀態對比如圖1所示。

圖1 加入石墨烯前后瀝青狀態對比

2.2 設計配比

在進行石墨烯復合橡膠改性瀝青配備的時候應經過多個實驗環節，為進一步確保其配比的合理性，應充分保證集料試驗、級配優化設計、瀝青用量定量以及混合料配合比設計等環節的合理性與準確性。在進行瀝青混合料配合比設計的過程中，應最大限度地滿足基本試驗要求，同時完成與常規SBS 改性瀝青混合料的配比對比。結合相應的配比對比結果可以看出，石墨烯復合改性瀝青當中瀝青的用量為5.2%，而SBS 改性瀝青混合料的瀝青用量為4.7%，同時在參與以上的結果進行配比之后，瀝青混合料的各項體積指標也逐步呈現出相對平穩的狀態。

2.3 改性機理

結合當前的研究結果來看，在瀝青材料當中添加石墨烯屬于高分子材料的共混改性，而現階段相應的分析理論只有界面和溶解度兩種，進而在微觀水平上從兩個不同的角度出發完成高分子材料共混改性的機理解釋。在針對改性機理的研究過程中，還可以進一步借助掃描電鏡、紅外光譜等精密儀器，從而有效開展更為深入的研究。綜合紅外光譜觀測的情況來看，氧化石墨烯在改性的過程中并沒有發生相應的化學變化，而是以物理形式以及自身納米性能來改善瀝青性能[3]。在完成改性以后，摻入石墨烯后橡膠改性瀝青內部成分之間會存在一定的相互作用，并不能表示產生了相應的化學鍵。除紅外光譜外，掃描電鏡也可以對瀝青改性前后的斷面形貌進行觀測，從而有效明確其受力性能的改變。

2.4 應用趨勢

一直以來，道路交通都被認定為一個靜態基礎設施，通過發揮其重要的承載能力來推動社會的整體運行。隨著我國信息化、智能化水平的不斷提升，道路交通建設也面臨著全新的發展機遇。在發展的過程中，如何進一步提升路的承載能力，提高道路的使用壽命一直以來都是相關部門需要思考的問題，而如何在養護的過程中節約成本，提高效率也是新型材料應用過程中的重要挑戰。在此過程中，石墨烯憑借其優異的性能得到了廣泛的關注。在路面建設使用的過程中，石墨烯展現出環保、高效、節能等一系列優點，并可以有效節約水泥、鋼材等傳統資源的使用量。除此以外，石墨烯還可以添加到梁、板、柱等建筑材料中，從而有效起到優化道路結構強度、減輕結構自重、節約工程造價等重要作用。

2.5 可行性分析

結合實際應用情況來看，石墨烯復合橡膠改性瀝青具備十分突出的可行性，其中主要包括以下方面：①相較于橡膠瀝青，完成改性以后的瀝青在各方面性能上均得到顯著提升；②石墨烯復合橡膠改性瀝青可以在保證低溫性能穩定的基礎上提升高溫性能與水穩定性；③完成改性以后的瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能；④結合實體工程現場的檢測結果來看，石墨烯復合橡膠改性瀝青的應用有效滿足了相應的技術設計與規范要求，因此在未來的應用過程中具備廣闊的發展空間。

2.6 提升空間

石墨烯在應用的過程中對提升道路性能起到十分關鍵的作用，但結合研究與應用實際來看，石墨烯的應用依然存在著一定的提升空間，其中主要涉及兩方面的內容：①在道路領域應用過程中如何完成石墨烯的有效分散依然是相關部門需要思考的問題，可以以分子動力學為基礎對相關材料進行模擬試驗，同時結合數學有限元模型完成對材料分散性的有效評價；②現階段常見的分散方法是使用分散劑，但考慮到石墨烯的比表面積很大，這也大大提升了石墨烯有效分散的困難程度。要想讓石墨烯在瀝青中可以發揮出有效作用，應充分保證石墨烯在穩定分散的同時不受到破壞。因此在道路交通運行的過程中，應有效建立相應的數據收集系統，將路面出現的破壞情況以及各時段交通承載力的差異進行獲取與分析，進而有針對性地選擇合適的石墨烯材料，構建科學的新型材料應用體系。

3 結語

綜上所述，石墨烯新材料在提升道路性能，促進交通發展方面做出了十分突出的貢獻，在道路建設材料中加入石墨烯主要作用是為了促進水化產物生長、減小孔隙率，進而有效實現瀝青混凝土的增強增韌。與此同時，石墨烯新材料的使用還可以減少傳統混凝土的使用量以及其他原材料的消耗，因此無論是在環保角度還是經濟角度來說，在原料中加入適量的石墨烯都是推動我國道路交通運行水平的良好手段。