石墨烯改性瀝青路用性能研究現(xiàn)狀淺析

黃 浩

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830006）

0 引言

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料，具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導電性、優(yōu)異的導熱和透光性等特性，集透光性好、導熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優(yōu)異性能于一身，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領(lǐng)域有著廣闊而巨大的應(yīng)用潛能。因石墨烯具有優(yōu)異的力學和熱學性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)特性對解決瀝青路面存在的問題提供了新的思路。本文就國內(nèi)外對石墨烯改性瀝清性能的研究進行總結(jié)，為石墨烯新材料在道路施工中的有效使用提供借鑒。

1 石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法大致分為兩大類：一是物理剝離法；二是液相剝離法。兩種方法都需要克服石墨烯層間的范德瓦爾力，從而獲得少量單層或多層的石墨烯。狹義上的單層石墨烯厚度在0.35nm，單層的石墨烯由六邊形晶格組成的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，獲得比表面積大的單層石墨烯一直是材料科學研究的熱點。氧化石墨烯原子力顯微鏡表征形貌如圖1、掃描電子顯微鏡形貌如圖2。

圖1 氧化石墨烯原子力顯微鏡表征形貌[1]

圖2 氧化石墨烯掃描電子顯微鏡形貌[2]

（1）機械剝離法。傳統(tǒng)的機械剝離法采用球磨法對石墨進行分離制備石墨烯；通過石墨與鋼珠的摩擦和運動，在規(guī)定的時間以及轉(zhuǎn)速下制得較高品質(zhì)的多層石墨烯[3]。

（2）液相剝離法。采用液相剝離技術(shù)，將石墨渙散在相關(guān)溶劑中，采用超聲、加熱、剪切等試驗方法制備單層或者多層的石墨烯溶液。在整個過程中，超聲對石墨剝離的作用最大，超聲的時間、功率是影響整個石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯的重要參數(shù)。

2 石墨烯改性瀝青性能的研究

研究表明，在聚合物中摻入微量石墨烯（Graphene,GNP）（或石墨烯材料），可以大提升聚合物的性能，如：拉伸應(yīng)力、導電、導熱性能等，使其在瀝青改性方面具有極大的潛力。將石墨烯用于瀝青結(jié)合料和混合料，以增強材料的機械性能和致密性能。但國內(nèi)外將石墨烯加入瀝青中的研究還處于起步發(fā)展階段，且相關(guān)試驗還處于待完善的階段，因此在研究中結(jié)合傳統(tǒng)的力學性能測試以及傳統(tǒng)微觀表征方式還需要更多的理論支撐。

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

望遠福[4]等人采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）對石墨烯復合SBS改性瀝青進行處理，分別評價了瀝青針入度、PG分析與黏度體系，通過分析比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PVP修飾后的石墨烯復合SBS改善了瀝青的高溫、低溫和抗老化特性。1.5%PVP-G/4%SBS復合改性瀝青混合料在高溫抵抗永久變形、抗疲勞性能以及抗水損害性能方面表現(xiàn)突出。

劉克非[5]等人通過對氧化石墨烯改性瀝青及其OGFC混合料路用性能進行評價，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯能夠有效提高瀝青混合料老化性能從而延長路面的使用壽命。

李賢[6]借助原子力顯微鏡、動態(tài)剪切流變儀、紅外光譜對石墨烯改性瀝青、70號基質(zhì)瀝青進行表征。通過原子力顯微鏡表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“蜜蜂結(jié)構(gòu)”在石墨烯改性瀝青中較基質(zhì)瀝青多，且個體也明顯小于基質(zhì)瀝青。在動態(tài)剪切流變儀試驗過程中，評價了石墨烯加入瀝青中提高了瀝青的高溫性能。傅里葉紅外則評價了石墨烯加入瀝青中未產(chǎn)生化學變化。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

Huang Gang[3]等人結(jié)合朗伯比爾定律，對石墨烯的分散性進行了評價，并將分散的石墨烯制備石墨烯改性瀝青進行性能評價，最后提出了基于Lambert-Beer定律評價石墨烯分散性的方法。

Ren Yongxiang[7]等人將不同摻量石墨烯的三聚氰胺-甲醛樹脂制成的變相微膠囊加入到瀝青混合料中，用來改善其在熱力誘導下的低溫性能，并對瀝青混合料的水穩(wěn)性能和高溫穩(wěn)定性值通過凍融劈裂試驗和車轍試驗得到了驗證。

Hu Kui[8]等人運用分子動力學模型評價了石墨烯對聚乙烯改性瀝青的高溫流變性能、中溫抗疲勞性能、低溫抗裂性能和儲存穩(wěn)定性，結(jié)果表明石墨烯的加入有效地改善了該方面的相關(guān)性能。

Wang Yingyuan[9]等人將石墨烯和碳纖維加入到瀝青混凝土中，從而達到導電和導熱的效果，并采用動態(tài)剪切流變儀評價了石墨烯對瀝青的剪切變形和蠕變性能，引入有限元程序分析了導電瀝青混凝土的電流密度分布，產(chǎn)生合適的級配。

Wang Chaohui[10]等人結(jié)合瀝青混合料在高溫施工過程中會產(chǎn)生大量的煙會有害人體健康和影響環(huán)境的角度出發(fā)，采用氧化石墨烯等材料制備了改性瀝青混合料，結(jié)果表明石墨烯等材料的加入改善了瀝青煙的排放。

Adnan Abbas Mukhtar[11]等人將氧化石墨烯添加到瀝青中，研究了瀝青膠結(jié)料的抗疲勞壽命和低溫性能。研究表明，將氧化石墨烯加入到瀝青結(jié)合料中高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性得到有效提升。

Federico Gulisano[12]等人將電弧爐（EAF）爐渣和石墨烯納米片（GNPs）添加到瀝青中制備瀝青混合料，采用微波加熱技術(shù)來評價道路路面使用壽命有重大的意義。研究結(jié)果表明，添加EAF渣和GNPS對瀝青路面的自我修復能力有所提高。

3 石墨烯改性瀝青的力學性能試驗結(jié)果

國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，分散后的石墨烯添加到瀝青中能夠有效提高瀝青的力學性能。圖3分別為70#基質(zhì)瀝青、分散劑瀝青以及石墨烯改性瀝青原子力顯微鏡同等倍數(shù)下表征結(jié)果。黃剛[13]等人將石墨進行機械剝離后再將石墨烯添加到溶液中，通過超聲、離心，取上清液添加到70#基質(zhì)瀝青中制備石墨烯改性瀝青，與70#基質(zhì)瀝青、分散劑瀝青進行力學試驗與微觀試驗，形成一整套完整的從制備到力學性能的測定再到微觀結(jié)構(gòu)表征體系，揭示了石墨烯對瀝青性能的影響。

圖3 原子力顯微鏡表征結(jié)果[13]

試驗結(jié)果表明，石墨烯的添加改變了瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的分散與堆疊形式，通過結(jié)構(gòu)的變化有效提高瀝青的力學性能，同時能夠提高路面的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。在現(xiàn)有研究中較多地采用氧化石墨烯，是因為氧化石墨烯中存在較多的官能團，各官能團能夠有效地和瀝青與集料等結(jié)合形成復合改性瀝青。由于石墨烯存在π-π吸附作用，石墨烯與瀝青之間相互吸附增強了鏈接作用，從而提高了石墨烯與瀝青的鏈接長度，因此增強了瀝青的性能。

為了更為有效地評價瀝青力學性能，可通過動態(tài)剪切流變儀對瀝青高低溫抗剪切性能進行評價，輔以原子力顯微鏡、掃描顯微鏡、納微CT等表征方法對瀝青加入石墨烯前后微觀形貌的表征，再結(jié)合傅里葉紅外等對加入石墨烯后的瀝青是否存在化學變化進行綜合評價。從宏觀的力學變化到微觀的形貌變化，揭示石墨烯添加到瀝青中通過插層、吸附等變化引起瀝青性能的變化增強瀝青的路用性能。

4 結(jié)束語

石墨烯及氧化石墨烯由于存在特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，能夠提高道路的使用壽命，對未來筑路材料的發(fā)展提供新的機遇。將石墨烯材料加入瀝青中，分散后的石墨烯極容易發(fā)生團聚，如何獲得單層或者多層的大面積石墨烯，如何有效地將單層石墨烯層插在瀝青和集料中形成較好的黏附性并同時能夠較好地存儲，是有待進一步研究和解決的問題。石墨烯分散越均勻，層數(shù)越少且面積越大時，其力學性能就越好，將分散后的石墨烯盡可能地層插到集料中，不僅能夠節(jié)約成本，同時也能夠提高道路的使用壽命。