石墨烯瀝青混凝土制備及電熱性能研究

關鍵詞：石墨烯；改性瀝青；融雪化冰；電熱性能中圖分類號： 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0056-04

Abstract：A graphene asphalt concrete with excellent electrothermal properties was prepared by using graphene doped with graphene and conductive composite fibers as conductive phase materials.Firstly，the ratio of graphene asphalt concrete was optimized，and then the road performance and electric thermal performance of graphene asphalt concrete were analyzed. The test results showed that when the fiber length was 7mm ，the fiber content was 0.4% ， and the graphene content was 3% ，the resistivity of graphene asphalt concrete was about 20Ω·m ，the dynamic stability was 1 634.9 times/ mm ，the indirect tensile strength was 4.772MPa ，the residual stability of the immersed Marshall residue was 91.4% ，thefreeze-thaw fatigue residual strength was 77.4% ，thecumulative indirect tensile deformation was 12.374mm ，and the number of fatigue loads was 41 314 times，showing good electrical conductivity and road performance. Under the voltage conditions of 36，72 and 108V ，the surface temperature of graphene asphalt concrete slabs was raised to 0℃for less than ，showing good electrothermal performance Key words ：graphene ；modified asphalt ； melting snow and ice ；electric heating performance

隨著現代道路交通運輸事業的高速發展，對道路建設也有了更高的要求。部分寒區在冬季存在嚴重的道路結冰問題，給人們的出行帶來了嚴重不便，還可能造成一些安全隱患，影響人民群眾的生命財產安全。面對嚴峻的道路結冰問題，傳統的融雪方法存在諸多不足，無法滿足現代道路需求。尋找一種安全有效的解決寒區道路結冰問題對道路建設的發展有重要意義。對此，部分學者也進行了很多研究，如宋云連[1]嘗試在路用瀝青混合料拌合過程中加入相變調溫材料，增強瀝青混合料的融雪化冰能力。鄒卓辰以改性明膠融雪微膠囊為添加料，制備了新型抗凝冰瀝青混凝土，嘗試犧牲部分高溫穩定性，增強瀝青混凝土的融冰能力[2]。盧國菊以導電性良好的碳纖維為主要原料，制作發熱碳纖維電纜鋪設在混凝土路面的中面層，通過碳纖維電纜通電發熱起到融冰化冰作用[3]。紀括以感應加熱瀝青混合料為主要研究對象，對感應加熱瀝青混合料加熱特性、路用性能及融雪化冰性能研究成果進行了綜述，為感應加熱瀝青混合料融雪化冰技術的實用化與智能化提供了理論依據[4]。以上學者的研究為解決寒區道路結冰問題提供了參考，但這些方法的應用還存在很多問題，如融雪化冰效果較差，或無法兼顧融雪化冰和路用性能等。為進一步探究有效解決寒區道路結冰問題的方法，本試驗以宋鵬[5]和吳永康論文為參考，制備了一種具備優異電熱性能的石墨烯瀝青混凝土，并對其路用性能及融雪化冰效果進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：瀝青（SBS）（鴻瑞佳建筑工程）；石墨烯（納米級，玖鑫新材料）；三氯丙烯（AR，威振化工）；碎石（一級品，旭昂礦產品）；導電復合材料纖維（工業級，高科復合材料）。

主要設備：HLY-100A型電阻測試儀（華電高科電氣設備）；RE-1002型旋轉蒸發儀（科興儀器）；WES-300B型萬能試驗機（中儀儀器）；JSM-RCG-600型加熱攪拌鍋（杰西瑪機械科技）；YDT-II型數控多功能電動擊實儀（澤睿試驗儀器）。

1.2 試驗方法

纖維－石墨烯瀝青混凝土的制備：參照JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[7-8]進行石墨烯瀝青混凝土配合比設計，確定油石比為 4.9% ，礦粉用量為100質量份，具體制備過程為：

（1）分別將瀝青和石墨烯分散在三氯內烯中，然后將瀝青三氯丙烯溶液和石墨烯三氯丙烯溶液進行混合，充分攪拌后在旋轉蒸發儀的作用下蒸發溶劑，得到均勻分散的石墨烯瀝青；

（2）依次將碎石和導電復合材料纖維放入攪拌鍋內，攪拌 2min 使其混合均勻；

（3）在加熱條件下將碎石與導電復合材料纖維的混合物料與均勻分散的石墨烯瀝青混合攪拌，攪拌溫度和時間分別為 和 2min ：

（4）維持該溫度繼續加入礦粉攪拌 2min ，得到導電瀝青拌合物；

（5）將模具預熱至 后倒入導電瀝青拌合物，在倒料的過程中應采用多次倒料并充分插搗的方式使拌合料在模具中分散均勻；

（4）在倒料完成后插入溫度計，待溫度達到擊實溫度后將模具放在擊實臺上進行擊實成型處理，擊實結束后脫模得到纖維-石墨烯瀝青混凝土，下文簡稱石墨烯瀝青混凝土。

1.3 性能測試

1.3.1 電阻率測試

使用雙電極法，通過電阻率測試儀對石墨烯瀝青混凝土電阻率進行測試[9]

1.3.2 高溫穩定性

通過車轍實驗對制備的石墨烯瀝青混凝土高溫穩定性進行分析[10-11] 。

1.3.3 低溫抗裂性

通過間接拉伸試驗對石墨烯瀝青混凝土的低溫抗裂性能和抗疲勞性能進行表征[12] 。

1.3.4 水穩定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行水穩定性評價[13-14] 。

1.3.5 室內升溫試驗

通過在石墨烯瀝青混凝土兩端施加電壓，提升板件溫度，測試板件表面溫度達到0℃的時間[15]

1.3.6升溫融雪試驗

在冰柜內進行室內模擬融雪試驗，控制冰柜溫度為 。

2 結果與討論

2.1 配比優化

2.1.1 纖維長度優化

導電復合材料纖維長度是影響石墨烯瀝青混凝土導電性能的重要因素，以石墨烯瀝青混凝土電阻率為指標對纖維長度進行優化，結果見圖1。

由圖1可知，隨纖維長度的增加，石墨烯瀝青混凝土電阻率表現出先下降后趨于平衡的變化趨勢。這是因為隨纖維長度的增加，在混凝土內部搭接概率增加，越容易形成導電通路，增強其導電效果[16]但長纖維易在混凝土內部相互纏繞發生團聚，影響纖維分散度，進而影響石墨烯瀝青混凝土的導電效果[17]。當纖維長度為 7mm 時，石墨烯瀝青混凝土的電阻率基本達到最低，說明此長度的纖維既能在混凝土內部很好的搭接導電通路，又能很好的在混凝土內部分散。因此，選擇適合的纖維長度為 7mm 。

2.1.2纖維摻量優化

纖維摻量對石墨烯瀝青混凝土電阻率的影響見 圖2。

由圖2可知，隨纖維摻量的增加，石墨烯瀝青混凝王電阻率表現出先下降后略微上升的變化趨勢。這是因為混凝土體系內含有的纖維摻量越多，越容易相互搭建行成導電通路，增加石墨烯瀝青混凝土的導電性能，降低其電阻率[18]。但纖維摻量過多，會在混凝土內部發生團聚，對石墨烯瀝青混凝土的導電效果產生不良影響。當纖維摻量為0.4%時，石墨烯瀝青混凝土的電阻率最低，因此選擇適合的纖維摻量為 0.4% 。

2.1.3石墨烯摻量優化

石墨烯摻量對石墨烯瀝青混凝土電阻率的影響見圖3。

由圖3可知，隨石墨烯摻量的增加，石墨烯瀝青混凝土的電阻率先快速下降，再趨于平衡的變化趨勢。結合圖2、圖3可知，單一摻入石墨烯制備的石墨烯瀝青混凝土（纖維摻量為0%）電阻率超過10Ω·m，而單一摻入纖維的石墨烯瀝青混凝土（石墨烯摻量為0%）電阻率超過300Ω·m。這是因為石墨烯本身為顆粒狀，無法完全依靠石墨烯在瀝青中搭建導電通路，只能作為輔助導電填料，起到輔助導電作用。當石墨烯摻量為3%時，石墨烯瀝青混凝土電阻率最低。這是因為適量的石墨烯可以在纖維間起到搭橋的作用，可連接相鄰的纖維，增加帶電粒子的傳導，使石墨烯瀝青混凝土的電阻率顯著降低。但混凝土體系內纖維間空隙有限，多余的石墨烯對繼續增強碳纖維間的接觸意義不大。因此，選擇適合的石墨烯用量為3%。綜上，最優配比制備的石墨烯瀝青混凝土電阻率約為20Ω·m，表現出良好的導電性能。

2.2 路用性能分析

2.2.1 高溫穩定性

通過車轍實驗對制備的石墨烯瀝青混凝土高溫穩定性進行分析，結果見表1。

由表1可知，本試驗制備的石墨烯瀝青混凝土動穩定度明顯高于普通瀝青混凝土。這是因為在石墨烯瀝青混凝土內部均勻分散有導電復合材料纖維和石墨烯。纖維在混凝土內部起到應力傳遞、加筋和增強界面粘附的作用，既增加了結構瀝青的比例，提升粘接力，又增強了瀝青混凝土的抗變形能力。另一方面，石墨烯對瀝青中的輕質油份有吸收作用，結構瀝青比例增加，瀝青硬度增加，抗變形能力增加。

2.2.2 低溫抗裂性

在某些寒冷地區，溫差較大，在溫度驟降的過程中會產生較大的溫度應力，而瀝青混凝土在低溫條件下表現出硬脆特性，在這種溫度應力的作用下易產生開裂，對瀝青路面的耐久性產生嚴重的影響。通過間接拉伸試驗對石墨烯瀝青混凝土的低溫抗裂性能進行表征，結果見表2。

由表2可知，石墨烯瀝青混凝土的低溫抗裂性能明顯高于普通瀝青混凝土。這是因為導電復合材料纖維在石墨烯瀝青混凝土內部均勻分散，形成穩定的三維網狀結構，增加了石墨烯瀝青混凝土的勁度模量，進而增加了石墨烯瀝青混凝土的低溫抗裂性能[19]

2.2.3 水穩定性分析

瀝青路水損壞一般包括流動水進人路面結構后，在車輛載荷作用下產生動水沖刷破壞和在低溫條件下進入路面結構的水分發生凍融循環的破壞。因此，通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行水穩定性評價，結果見表3。

由表3可知，石墨烯瀝青混凝土的殘留穩定度和殘留強度均較普通瀝青混凝土有所下降。這可能是因為高比表面積的石墨烯進入石墨烯瀝青混凝土體系后，增加了混凝土內部空隙率，使其抗水損害能力有所降低。但總體來說，石墨烯瀝青混凝土的殘留穩定度和殘留強度均滿足JTGD50—2017《公路瀝青路面設計規范》規定[20] 。

2.2.4 抗疲勞特性

采用間接拉伸法對石墨烯瀝青混凝土的抗疲勞特性進行分析，結果見表4。

由表4可知，石墨烯瀝青混凝土的累計變形長度和疲勞載荷作用次數均明顯高于普通瀝青混凝土，表現出良好的抗疲勞性能。這是因為纖維的加筋作用抑制了應力集中的現象，避免了混凝土內部微裂紋進一步擴展并相互貫通，進而增強了石墨烯瀝青混凝土的抗疲勞性能。

綜上，石墨烯瀝青混凝土表現出良好的路用性能，其中動穩定度為1634.9次/mm，間接拉伸強度為4.772MPa，浸水馬歇爾殘留穩定度為91.4%，凍融抗疲勞殘留強度為77.4%，間接拉伸累計變形量為12.374mm，疲勞荷載作用次數為41314次。

2.3 電熱性能分析

2.3.1 室內升溫試驗

通過在石墨烯瀝青混凝土兩端施加電壓，提升板件溫度。當溫度超過冰雪融點，覆蓋在板件表面的積雪吸收熱量開始融化，進而達到通電融雪的目的。通過室內升溫實驗，探究電壓與板件升溫速率的關系，結果見表5。

由表5可知，向石墨烯瀝青混凝土施加電壓后，板件表面溫度明顯提升，且隨施加電壓的增加，板件表面溫度提升至 0% 的時間也明顯縮短。說明本試驗制備的石墨烯瀝青混凝土具備良好的電熱性能，在路用過程中，表現出優異的融冰化雪能力。且可根據實際需求，適當增加融雪電壓，以求達到更好的融雪化冰效果。

2.3.2室內融雪試驗

結合2.3.1結論可知，36V安全電壓的融雪效率較低，融雪過程較為緩慢。因此在室內融雪試驗時，選擇融雪電壓為72V，對中雪積雪（積雪厚度 ？1cm 和大雪積雪（積雪厚度 ${＼geqslant}3{＼mathrm{～cm}}$ ）進行融雪試驗，結果見表6。

由表6可知，在72V電壓條件下，石墨烯瀝青混凝土對中雪積雪的融化時間約為 35min ，對大雪積雪的融化時間約為 50min ，表現出良好的融雪效率，具備良好的工程應用前景。

3結語

（1）纖維可在瀝青混凝土內部均勻分散，搭接導電通路，提升瀝青混凝土的導電性能。石墨烯本身為顆粒狀，無法完全依靠石墨烯在瀝青中搭建起導電通路，只能作為輔助導電填料，起到輔助導電作用；

（2）在導電復合纖維和石墨烯的協同作用下，石墨烯瀝青混凝土的勁度模量和粘接力增加、應力集中的現象被抑制，在高溫穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能方面均明顯優于普通瀝青混凝土；（3）石墨烯瀝青混凝土具備良好的電熱性能，且電熱速率的提升與電壓的增加呈正比。在72V電壓條件下，石墨烯瀝青混凝土對中雪積雪和大雪積雪的融化時間均控制在1h內，表現出良好的融雪效率，具備良好的工程應用前景。

【參考文獻】

[1］宋云連，劉岳森.相變材料對瀝青混合料融雪化冰效果的影響[J].化工新型材料，2023，51（12）：241-246.

[2]鄒卓辰，謝暉，楊庭樹，等.寒區環境下新型橋面抗凝冰瀝青混合料制備方法與性能［J].化學與粘合，2023，45（4） ：347-350.

[3]盧國菊，張哲瑞，趙永芳，等.瀝青混凝土面層碳纖維發熱電纜融雪化冰試驗研究［J].科學技術創新，2023（2） ：196-200.

[4]紀括，熊銳，李科宏，等.感應加熱瀝青混合料融雪化冰性能研究進展［J].應用化工，2021，50（2）：450-454.

[5]宋鵬.石墨烯導電瀝青混凝土制備及性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2019.

[6]吳永康.嚴寒環境下石墨烯導電瀝青再生透水混凝土路用及電熱性能研究[D].常州：常州大學，2022.

[7]李秋實，單朝暉，張海濤，等.寒區道路瀝青選用及路用性能評價［J].重慶理工大學學報（自然科學），2022，36（8） ：217-223.

[8］劉彥召.環氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的路用性能研究［J].粘接，2024，51（3）：93-95.

[9]袁玉卿，張業，郭斌，等.預埋碳纖維發熱線橋面升溫性能影響因素分析［J].河南大學學報（自然科學版），2020，50（1）：100-107.

[10]黃維蓉，楊玉柱，宋鵬，等.石墨烯-碳纖維導電瀝青混凝土電熱性能研究［J].化工新型材料，2021，49（8）：269-273.

[11] 陳洪飛，孫嬌娜，李茜茜.聚氨酯材料用于提高寒區路面瀝青混合料性能分析［J].建筑結構，2022，52（S1） ：1621-1626.

[12]] 熊濤，趙又玨.水性環氧樹脂改性乳化瀝青在公路養護中的應用研究［J].粘接，2024，51（2）：84-87.

[13] 王黎明，王云龍，敖彩.碳纖維導電瀝青路面融雪化冰影響因素仿真分析[J].功能材料，2022，53（8）：8017-8023.

[14］楊彥海，朱曉，楊野，等.寒區冷補瀝青液的制備及優化設計［J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2023，39（2） ：305-313.

[15]毛楠，翟健梁，賴溴，等.寒區瀝青混合料阻裂性能研究進展［J].應用化工，2024，53（2）：458-462.

[16] 王壯，馮振剛，姚冬冬，等.導電瀝青混凝土研究進展[J].吉林大學學報（工學版），2024，54（1）：1-21.

[17] 許珊珊，王碩，王鵬，等.石墨烯-SBS改性瀝青混合料壓縮變形對電阻率的影響［J].黑龍江科技大學學報，2022，32（3）：351-354.

[18]金嬌，彭梧桐，潘杰，等.瀝青混凝土路面損傷監測的碳基及其復合材料進展［J].北京工業大學學報，2022，48（6） ：691-702.

[19]李蓬.石墨烯改性瀝青流變性能及其博格斯流變模型研究［J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（1） ：72-77.

[20]謝明君，溫宇彤，徐玲琳，等.木質素/玻璃纖維復合改性瀝青混凝土路用性能提升效果研究［J].建筑材料學報，2023，26（11）：1200-1206.

（責任編輯：蘇慢）