石墨烯改性沥青粘结剂综述

邓中杰

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

引言

由于人口的急速增长以及全球商业的发展，近几十年来，世界各地的交通量和路面轴载都在增加。这使得开发新的沥青材料迫在眉睫，以加强路面的相应性能，避免路面过早老化，并使得其在这些恶劣的使用条件下的使用寿命更长。

在众多对于新路面材料的研究之中，石墨烯作为新开发出的一种新材料，多项研究成果表明，石墨烯可以增强水泥砂浆的导电性，提高其刚度、抗拉强度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改变胶结材料的孔隙结构和水化过程[1]。所以石墨烯与沥青结合得到石墨烯改性沥青是一项值得期待的新研究。

一、介绍

(一)石墨烯相关介绍

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

(二)石墨烯沥青相关介绍

对于这些下一代道路材料的开发，研究最多的解决方案之一是使用纳米改性剂来改善沥青材料的力学性能及其应用[2-3]。纳米材料相对于传统材料，因其在尺寸方面的优势而具备了丰富且优良的性能表现，自2004英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov通过胶带剥离石墨片的方式，获得了目前世界上最薄的二维纳米材料石墨烯以来[4-5]，其在建筑工程领域开辟了许多新的研究方向。多项研究表明，石墨烯可以增强水泥砂浆的导电性，提高其刚度、抗拉强度和耐久性，并且已有研究表明石墨烯可以改变胶结材料的孔隙结构和水化过程。

二、国内外研究现状

(一)国外研究现状

虽然石墨烯相对面世较晚，但关于石墨烯与建筑材料结合的的相关研究的开展却非常迅速，国内外大量研究成果表明，在建筑材料领域，石墨烯可以增强水泥砂浆的刚度、抗拉强度等各项指标[6]。尽管如此，由于石墨烯改性沥青材料的应用相对较晚，石墨烯改性沥青材料的研究还比较有限，分析石墨烯对沥青粘结剂力学性能和热性能的真实影响的研究相对较少[7]。

其中，格纳拉达大学的的F.Moreno-Navarro和M.Sol-Sánchez就石墨烯改性沥青粘结剂的力学性能和热性能专门进行研究，其研究成果表明石墨烯添加到沥青粘结剂中，可以在任何给定的温度和频率下增加其复模量和弹性并降低其相位角。结果表明，在较低的温度下，石墨烯纳米薄片的使用可以使平面粘结剂的刚度增加近两倍，并在保持这样的性质的前提下同时提高其强度和应变耐受性。

(二)国内相关研究进展

中国自石墨烯问世以来就非常重视石墨烯材料的研发应用。国家科技重大专项。国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”。“石墨烯基电路制造设备工艺和材料创新”等方向部署了一批重大项目，取得了一批创新成果。国际影响力逐步提升[8]。

现阶段普遍国内对于石墨烯沥青所拥有的共识就是石墨烯可显著提高沥青结合料的黏度、高温稳定性和抗车辙能力，但对低温抗裂性影响并不显著。也可以明显降低沥青结合料的针入度，提高其软化点，但对延度的影响不大。其并不会显著改变沥青结合料的玻璃化转变温度，但可明显提高其交联密度，尤其是对基质沥青。同时对基质沥青的改性效果优于SBS改性沥青。

三、石墨烯沥青研究的关键问题

综合上述研究资料，石墨烯的加入可显著提高沥青结合料的黏度、高温稳定性和抗车辙能力但其缺点也不容忽视，石墨烯纳米薄片的加入不会显著影响中高温下粘结剂的流变特性。此外，由于石墨烯的加入，粘结剂的弹性回收率有所提高。

部分研究也根据石墨烯沥青研究现状提出了一些其发展的局限性，从静息期应力加载下的动态力学响应来看，石墨烯的加入并不像其他常见沥青改性剂那样使得沥青更类似弹性体，更有利于其形变的恢复。

四、未来发展方向展望

当前，越来越多的重载交通和复杂的气候条件使得道路使用者对路面性能的要求越来越高，改性沥青结合料在高等级公路上的应用也越来越广泛。我们还认为石墨烯沥青在未来的研究发展方向应着重于以下几个方向进行：(1)应加强石墨烯与其他功能填料的共混研究，如碳纳米管，纳米纤维素，石墨等；(2)要创新石墨烯沥青复合材料的制备技术，增强石墨烯在沥青体中分散的可控性，并实现绿色化、适于工业化；(3)深入研究石墨烯与沥青在分子层次的相互作用，逐步理解石墨烯沥青复合材料结构与性能之间的关系，从而实现材料性能的理论设计与材料寿命的预测评估等。

五、结论

(1)有关石墨烯沥青的结论如下：使用石墨烯作为沥青改性剂可以增加这些材料的复模量，并可以略微降低它们的相角。从静息期应力加载下的动态力学响应来看，石墨烯的加入并不像弹性体等其他常见沥青改性剂那样，有利于形变的恢复。

(2)现阶段有关石墨烯沥青的部分研究问题以及未来发展进展与改进目标如下：深入研究石墨烯与沥青在分子层次的相互作用，逐步理解石墨烯沥青复合材料结构与性能之间的关系，从而实现材料性能的理论设计与材料寿命的预测评估等。