浅谈石墨烯新材料在沥青混凝土路面中的应用

管志飞

（华汇工程设计集团股份有限公司杭州博约分公司，浙江杭州 310000）

0 引言

在人们的日常生活中，道路交通占据了十分关键的地位，随着我国社会经济水平的提升，人们对道路舒适性、低噪性以及耐久性也提出更高的要求。现阶段，在道路使用的过程中，往往会出现病害、老化、性能衰减等问题，而传统使用的道路建设材料也存在着质量不稳定、粘度大、抗裂性弱等弊端。面对这样的问题，道路交通行业急需一种环保、优质、美观新型产品，进而为提升交通运行质量打下基础。

1 石墨烯新材料的应用背景与应用优势

1.1 应用背景

当前，我国针对石墨烯应用的研究不断深入，尤其是在道路工程建设领域，通过寻找分散剂来对石墨烯进行分散，进而有效加入到沥青混凝土当中来实现道路性能的显著提升。作为一种应用十分广泛的新型纳米材料，石墨烯在我国工业化发展过程中发挥十分关键的作用，相关研究人员也应不断加强研究，从而有效实现石墨烯生产工艺的优化以及制备成本的降低，为其更广泛的应用打下基础。我国石墨烯原料储备十分丰富，同时也建立了相关的技术研究中心，进而在工程、交通等领域获取更为丰富的应用成果。现阶段，道路使用过程中很容易出现车辙、老化、开裂等问题，对公路的使用寿命以及交通整体运行情况都会造成十分不利的影响，因此如何进一步提升沥青路面的交通承载能力也成为相关部门急需思考与解决的问题[1]。结合现阶段的研究成果来看，加强改性沥青的应用可以显著提升道路的高温稳定性和低温抗裂性，而将石墨烯添加到沥青中则是进行沥青改性的良好手段，其性能也会大大超过传统的改性沥青。因此，应不断加强沥青掺石墨烯改性的相关研究，进而为提升路面使用性能、推动我国交通运输行业发展奠定坚实基础。

1.2 应用优势

一直以来，石墨烯增强型沥青性能相关研究都在持续开展并已经取得良好的成效，研究人员发现，将石墨烯添加到沥青结合料和混合料当中对提升其机械性能和致密性能起到了十分显著的作用。与此同时，在沥青中添加石墨烯还可以显著提高材料在低温下的挠曲强度，进而降低沥青混合料中出现孔隙的概率，有效延长道路的使用寿命。而且在添加石墨烯以后，沥青材料各方面的机械性能、压实性能都可以得到进一步提升，保证沥青路面的整体性能可以有效符合道路交通运行需求。若站在环保的角度上来看，在传统的沥青混凝土行业发展过程中会产生大量的温室气体，而石墨烯的使用有助于进一步减少道路中混凝土的使用量，减少温室气体的排放。此外，研究团队将石墨烯作为添加剂加入到建设材料当中，得出相较于传统的建设材料，注入石墨烯的混凝土固化时间更短且所需要的使用量更少，可以有效预防材料过早失效，对抵御自然灾害起到了十分良好的效果。

2 石墨烯新材料性能发挥与发展趋势

2.1 性能分析

在原有建设材料当中加入石墨烯复合材料以后，相较于传统的SBS 改性沥青在硬度上得到较大的提升，同时抗变形能力也得到显著增强。与此同时，针对延度指标的测定可以在一定程度上表现出沥青材料的低温性能，而在加入石墨烯材料之后，其延度值最多可以提升60%，进而也有效表明石墨烯材料的加入对提升沥青原材料的高温稳定性能起到了十分突出的作用[2]。另外，针对软化点指标的测定可以得出加入石墨烯材料的沥青性能保持在SBS 改性沥青和橡胶沥青之间，进而在沥青高温稳定性及高温抗变形方面都具备着较强的稳定性。而针对运动粘度指标的测定可以有效反映出沥青材料的施工特性，从分析结果上来看，相较于橡胶沥青，石墨烯复合改性沥青的运动粘度有所降低，因此也进一步提升了原沥青材料的施工和易性。此外，加入石墨烯材料前后，沥青的状态对比如图1所示。

图1 加入石墨烯前后沥青状态对比

2.2 设计配比

在进行石墨烯复合橡胶改性沥青配备的时候应经过多个实验环节，为进一步确保其配比的合理性，应充分保证集料试验、级配优化设计、沥青用量定量以及混合料配合比设计等环节的合理性与准确性。在进行沥青混合料配合比设计的过程中，应最大限度地满足基本试验要求，同时完成与常规SBS 改性沥青混合料的配比对比。结合相应的配比对比结果可以看出，石墨烯复合改性沥青当中沥青的用量为5.2%，而SBS 改性沥青混合料的沥青用量为4.7%，同时在参与以上的结果进行配比之后，沥青混合料的各项体积指标也逐步呈现出相对平稳的状态。

2.3 改性机理

结合当前的研究结果来看，在沥青材料当中添加石墨烯属于高分子材料的共混改性，而现阶段相应的分析理论只有界面和溶解度两种，进而在微观水平上从两个不同的角度出发完成高分子材料共混改性的机理解释。在针对改性机理的研究过程中，还可以进一步借助扫描电镜、红外光谱等精密仪器，从而有效开展更为深入的研究。综合红外光谱观测的情况来看，氧化石墨烯在改性的过程中并没有发生相应的化学变化，而是以物理形式以及自身纳米性能来改善沥青性能[3]。在完成改性以后，掺入石墨烯后橡胶改性沥青内部成分之间会存在一定的相互作用，并不能表示产生了相应的化学键。除红外光谱外，扫描电镜也可以对沥青改性前后的断面形貌进行观测，从而有效明确其受力性能的改变。

2.4 应用趋势

一直以来，道路交通都被认定为一个静态基础设施，通过发挥其重要的承载能力来推动社会的整体运行。随着我国信息化、智能化水平的不断提升，道路交通建设也面临着全新的发展机遇。在发展的过程中，如何进一步提升路的承载能力，提高道路的使用寿命一直以来都是相关部门需要思考的问题，而如何在养护的过程中节约成本，提高效率也是新型材料应用过程中的重要挑战。在此过程中，石墨烯凭借其优异的性能得到了广泛的关注。在路面建设使用的过程中，石墨烯展现出环保、高效、节能等一系列优点，并可以有效节约水泥、钢材等传统资源的使用量。除此以外，石墨烯还可以添加到梁、板、柱等建筑材料中，从而有效起到优化道路结构强度、减轻结构自重、节约工程造价等重要作用。

2.5 可行性分析

结合实际应用情况来看，石墨烯复合橡胶改性沥青具备十分突出的可行性，其中主要包括以下方面：①相较于橡胶沥青，完成改性以后的沥青在各方面性能上均得到显著提升；②石墨烯复合橡胶改性沥青可以在保证低温性能稳定的基础上提升高温性能与水稳定性；③完成改性以后的沥青混合料具有良好的抗疲劳性能；④结合实体工程现场的检测结果来看，石墨烯复合橡胶改性沥青的应用有效满足了相应的技术设计与规范要求，因此在未来的应用过程中具备广阔的发展空间。

2.6 提升空间

石墨烯在应用的过程中对提升道路性能起到十分关键的作用，但结合研究与应用实际来看，石墨烯的应用依然存在着一定的提升空间，其中主要涉及两方面的内容：①在道路领域应用过程中如何完成石墨烯的有效分散依然是相关部门需要思考的问题，可以以分子动力学为基础对相关材料进行模拟试验，同时结合数学有限元模型完成对材料分散性的有效评价；②现阶段常见的分散方法是使用分散剂，但考虑到石墨烯的比表面积很大，这也大大提升了石墨烯有效分散的困难程度。要想让石墨烯在沥青中可以发挥出有效作用，应充分保证石墨烯在稳定分散的同时不受到破坏。因此在道路交通运行的过程中，应有效建立相应的数据收集系统，将路面出现的破坏情况以及各时段交通承载力的差异进行获取与分析，进而有针对性地选择合适的石墨烯材料，构建科学的新型材料应用体系。

3 结语

综上所述，石墨烯新材料在提升道路性能，促进交通发展方面做出了十分突出的贡献，在道路建设材料中加入石墨烯主要作用是为了促进水化产物生长、减小孔隙率，进而有效实现沥青混凝土的增强增韧。与此同时，石墨烯新材料的使用还可以减少传统混凝土的使用量以及其他原材料的消耗，因此无论是在环保角度还是经济角度来说，在原料中加入适量的石墨烯都是推动我国道路交通运行水平的良好手段。