淺談石墨烯新材料在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用

管志飛

（華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)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(jù)了十分關(guān)鍵的地位，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升，人們對(duì)道路舒適性、低噪性以及耐久性也提出更高的要求。現(xiàn)階段，在道路使用的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)病害、老化、性能衰減等問(wèn)題，而傳統(tǒng)使用的道路建設(shè)材料也存在著質(zhì)量不穩(wěn)定、粘度大、抗裂性弱等弊端。面對(duì)這樣的問(wèn)題，道路交通行業(yè)急需一種環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、美觀新型產(chǎn)品，進(jìn)而為提升交通運(yùn)行質(zhì)量打下基礎(chǔ)。

1 石墨烯新材料的應(yīng)用背景與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 應(yīng)用背景

當(dāng)前，我國(guó)針對(duì)石墨烯應(yīng)用的研究不斷深入，尤其是在道路工程建設(shè)領(lǐng)域，通過(guò)尋找分散劑來(lái)對(duì)石墨烯進(jìn)行分散，進(jìn)而有效加入到瀝青混凝土當(dāng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)道路性能的顯著提升。作為一種應(yīng)用十分廣泛的新型納米材料，石墨烯在我國(guó)工業(yè)化發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮十分關(guān)鍵的作用，相關(guān)研究人員也應(yīng)不斷加強(qiáng)研究，從而有效實(shí)現(xiàn)石墨烯生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及制備成本的降低，為其更廣泛的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。我國(guó)石墨烯原料儲(chǔ)備十分豐富，同時(shí)也建立了相關(guān)的技術(shù)研究中心，進(jìn)而在工程、交通等領(lǐng)域獲取更為豐富的應(yīng)用成果?，F(xiàn)階段，道路使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)車轍、老化、開裂等問(wèn)題，對(duì)公路的使用壽命以及交通整體運(yùn)行情況都會(huì)造成十分不利的影響，因此如何進(jìn)一步提升瀝青路面的交通承載能力也成為相關(guān)部門急需思考與解決的問(wèn)題[1]。結(jié)合現(xiàn)階段的研究成果來(lái)看，加強(qiáng)改性瀝青的應(yīng)用可以顯著提升道路的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，而將石墨烯添加到瀝青中則是進(jìn)行瀝青改性的良好手段，其性能也會(huì)大大超過(guò)傳統(tǒng)的改性瀝青。因此，應(yīng)不斷加強(qiáng)瀝青摻石墨烯改性的相關(guān)研究，進(jìn)而為提升路面使用性能、推動(dòng)我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

一直以來(lái)，石墨烯增強(qiáng)型瀝青性能相關(guān)研究都在持續(xù)開展并已經(jīng)取得良好的成效，研究人員發(fā)現(xiàn)，將石墨烯添加到瀝青結(jié)合料和混合料當(dāng)中對(duì)提升其機(jī)械性能和致密性能起到了十分顯著的作用。與此同時(shí)，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(qiáng)度，進(jìn)而降低瀝青混合料中出現(xiàn)孔隙的概率，有效延長(zhǎng)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(jī)械性能、壓實(shí)性能都可以得到進(jìn)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(yùn)行需求。若站在環(huán)保的角度上來(lái)看，在傳統(tǒng)的瀝青混凝土行業(yè)發(fā)展過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，而石墨烯的使用有助于進(jìn)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(tuán)隊(duì)將石墨烯作為添加劑加入到建設(shè)材料當(dāng)中，得出相較于傳統(tǒng)的建設(shè)材料，注入石墨烯的混凝土固化時(shí)間更短且所需要的使用量更少，可以有效預(yù)防材料過(guò)早失效，對(duì)抵御自然災(zāi)害起到了十分良好的效果。

2 石墨烯新材料性能發(fā)揮與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 性能分析

在原有建設(shè)材料當(dāng)中加入石墨烯復(fù)合材料以后，相較于傳統(tǒng)的SBS 改性瀝青在硬度上得到較大的提升，同時(shí)抗變形能力也得到顯著增強(qiáng)。與此同時(shí)，針對(duì)延度指標(biāo)的測(cè)定可以在一定程度上表現(xiàn)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(jìn)而也有效表明石墨烯材料的加入對(duì)提升瀝青原材料的高溫穩(wěn)定性能起到了十分突出的作用[2]。另外，針對(duì)軟化點(diǎn)指標(biāo)的測(cè)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(jìn)而在瀝青高溫穩(wěn)定性及高溫抗變形方面都具備著較強(qiáng)的穩(wěn)定性。而針對(duì)運(yùn)動(dòng)粘度指標(biāo)的測(cè)定可以有效反映出瀝青材料的施工特性，從分析結(jié)果上來(lái)看，相較于橡膠瀝青，石墨烯復(fù)合改性瀝青的運(yùn)動(dòng)粘度有所降低，因此也進(jìn)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(tài)對(duì)比如圖1所示。

圖1 加入石墨烯前后瀝青狀態(tài)對(duì)比

2.2 設(shè)計(jì)配比

在進(jìn)行石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青配備的時(shí)候應(yīng)經(jīng)過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步確保其配比的合理性，應(yīng)充分保證集料試驗(yàn)、級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)、瀝青用量定量以及混合料配合比設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的合理性與準(zhǔn)確性。在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)最大限度地滿足基本試驗(yàn)要求，同時(shí)完成與常規(guī)SBS 改性瀝青混合料的配比對(duì)比。結(jié)合相應(yīng)的配比對(duì)比結(jié)果可以看出，石墨烯復(fù)合改性瀝青當(dāng)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(shí)在參與以上的結(jié)果進(jìn)行配比之后，瀝青混合料的各項(xiàng)體積指標(biāo)也逐步呈現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

2.3 改性機(jī)理

結(jié)合當(dāng)前的研究結(jié)果來(lái)看，在瀝青材料當(dāng)中添加石墨烯屬于高分子材料的共混改性，而現(xiàn)階段相應(yīng)的分析理論只有界面和溶解度兩種，進(jìn)而在微觀水平上從兩個(gè)不同的角度出發(fā)完成高分子材料共混改性的機(jī)理解釋。在針對(duì)改性機(jī)理的研究過(guò)程中，還可以進(jìn)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(cè)的情況來(lái)看，氧化石墨烯在改性的過(guò)程中并沒有發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)變化，而是以物理形式以及自身納米性能來(lái)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(nèi)部成分之間會(huì)存在一定的相互作用，并不能表示產(chǎn)生了相應(yīng)的化學(xué)鍵。除紅外光譜外，掃描電鏡也可以對(duì)瀝青改性前后的斷面形貌進(jìn)行觀測(cè)，從而有效明確其受力性能的改變。

2.4 應(yīng)用趨勢(shì)

一直以來(lái)，道路交通都被認(rèn)定為一個(gè)靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)發(fā)揮其重要的承載能力來(lái)推動(dòng)社會(huì)的整體運(yùn)行。隨著我國(guó)信息化、智能化水平的不斷提升，道路交通建設(shè)也面臨著全新的發(fā)展機(jī)遇。在發(fā)展的過(guò)程中，如何進(jìn)一步提升路的承載能力，提高道路的使用壽命一直以來(lái)都是相關(guān)部門需要思考的問(wèn)題，而如何在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中節(jié)約成本，提高效率也是新型材料應(yīng)用過(guò)程中的重要挑戰(zhàn)。在此過(guò)程中，石墨烯憑借其優(yōu)異的性能得到了廣泛的關(guān)注。在路面建設(shè)使用的過(guò)程中，石墨烯展現(xiàn)出環(huán)保、高效、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，并可以有效節(jié)約水泥、鋼材等傳統(tǒng)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(yōu)化道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約工程造價(jià)等重要作用。

2.5 可行性分析

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，石墨烯復(fù)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(fù)合橡膠改性瀝青可以在保證低溫性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提升高溫性能與水穩(wěn)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(jié)合實(shí)體工程現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的應(yīng)用有效滿足了相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，因此在未來(lái)的應(yīng)用過(guò)程中具備廣闊的發(fā)展空間。

2.6 提升空間

石墨烯在應(yīng)用的過(guò)程中對(duì)提升道路性能起到十分關(guān)鍵的作用，但結(jié)合研究與應(yīng)用實(shí)際來(lái)看，石墨烯的應(yīng)用依然存在著一定的提升空間，其中主要涉及兩方面的內(nèi)容：①在道路領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中如何完成石墨烯的有效分散依然是相關(guān)部門需要思考的問(wèn)題，可以以分子動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行模擬試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)有限元模型完成對(duì)材料分散性的有效評(píng)價(jià)；②現(xiàn)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(fā)揮出有效作用，應(yīng)充分保證石墨烯在穩(wěn)定分散的同時(shí)不受到破壞。因此在道路交通運(yùn)行的過(guò)程中，應(yīng)有效建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，將路面出現(xiàn)的破壞情況以及各時(shí)段交通承載力的差異進(jìn)行獲取與分析，進(jìn)而有針對(duì)性地選擇合適的石墨烯材料，構(gòu)建科學(xué)的新型材料應(yīng)用體系。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，石墨烯新材料在提升道路性能，促進(jìn)交通發(fā)展方面做出了十分突出的貢獻(xiàn)，在道路建設(shè)材料中加入石墨烯主要作用是為了促進(jìn)水化產(chǎn)物生長(zhǎng)、減小孔隙率，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)瀝青混凝土的增強(qiáng)增韌。與此同時(shí)，石墨烯新材料的使用還可以減少傳統(tǒng)混凝土的使用量以及其他原材料的消耗，因此無(wú)論是在環(huán)保角度還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，在原料中加入適量的石墨烯都是推動(dòng)我國(guó)道路交通運(yùn)行水平的良好手段。