仿生纳米材料对沥青与集料界面黏附性的影响研究

2011-11-01长安大学工程机械学院张中华晏双龙杜书权解江浩

河南科技 2011年12期

长安大学工程机械学院张中华晏双龙杜书权解江浩

长安大学工程机械学院张中华晏双龙杜书权解江浩

随着我国交通量的不断增长，许多高速公路出现了早期破坏现象，尤其是在水的作用下沥青与集料之间的黏结力较弱导致的界面破坏，加剧了车辙、疲劳裂缝、松散和坑槽等路面病害的出现。因此，从不同的角度和材料方面认识并提高沥青与集料之间的黏结力具有重要意义。

一、研究的可行性分析

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，是在20世纪中期才出现的一门边缘科学。仿生学主要研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，研发出性能优越的复合材料、仪器、装置和机器等。仿生学模仿生物的某种特性，可以实现材料的智能化设计，在某些方面超越自然也是有可能的。

2000年，Autumn在Nature上发表的一篇关于壁虎微结构及吸附机理的文章掀起了全球壁虎研究的热潮。基于壁虎的超强吸附能力，可以模仿壁虎脚掌的复杂结构，人们建立了壁虎脚掌的力学模型，制造出仿壁虎纳米材料——碳纳米管。

1.碳纳米管概述。碳纳米管是由一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期的管状结构。按照石墨烯片的层数，可以将碳纳米管分为单臂碳纳米管和多臂碳纳米管。

2.碳纳米管的特性。

（1）具有极好的物理特性。例如，无可匹敌的拉伸强度和弹性模量、低密度（抗拉强度可达50～200 GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6）、高比强度、巨大的曲面面积、高传导性以及惊人的长径比等优异性能。通常情况下，多壁碳纳米管的模数是1.0 TPa，抗张强度为10～60 GPa（比不锈钢高3 GPa）。这一晶格结构使碳纳米管具有很强的导电性，电流密度达到4×109A/cm2，比铜的导电性强1 000倍。并且，在很多情况下，碳纳米管还可以弥合结构中的裂痕，保持结构的完整性。

（2）可以增强复合材料的黏结力。碳纳米管在与溶树脂剂混合的过程中，即使其含量非常低，也能够显著增加树脂的黏度，从而增强复合材料的黏结力。由于碳纳米管很难在溶剂中分散，人们开发了Nanosolve分散剂，用来将碳纳米管与水基或溶剂基聚合物系统结合为一体。这种含有碳纳米管的创新产品具有良好的抗扭强度，可以抵抗高冲击强度。

（3）基于碳纳米管的性能，碳纤维可以做的事情完全可以由碳纳米管替代。目前，碳纤维在道路行业已经被成熟应用于施工现场，加之碳纳米管与树脂结合具有超强的黏结力，因此将碳纤维用于沥青混合料中来提高沥青与集料界面的黏附性，具有广阔的发展前景。

3.碳纳米管的应用前景。由于碳纳米管具有优异的物理、化学性能，因此在很多行业都有巨大的应用价值。目前，碳纳米管的应用研究主要集中在纳米复合材料、塑胶行业、氢气存储、电子器件、电池、超级电容器、场发射显示器、量子导线模板电子枪及传感器和显微镜探头等领域，并已取得了许多重要进展。为了充分利用碳纳米管高弹性模量和高抗拉强度这一优异的机械性能，研发人员一直在探索如何把碳纳米管聚合物复合材料作为结构材料来使用，其主要困难是如何将碳纳米管均匀地扩散到基体材料中，以使碳纳米管和基体材料充分黏合，达到有效的应力传递，防止相对滑动。

二、研究内容

基于碳纳米管的种种优异特性，人们应从仿生的角度来认识和提高其黏附性，仔细区分某类生物具有超强黏附性的机理与沥青混合料中沥青与集料界面黏附性的异同。由于生物的物种特性是经过自然选择进化的结果，具有超强的适应性，因此探索生物优异特性并将其应用于工程实际中具有重要意义。本文，笔者研究的主要内容是将仿壁虎制成的纳米碳管材料混合在沥青中将其改性，其改性的机理可以模仿碳纤维改性沥青的做法，采用实验对比的方法来验证沥青与集料界面黏附性的效果，研究并评价沥青混合料的性能。由于将仿生材料用于道路材料中的实例较少、甚至没有，研究的最初设想是参考碳纤维的使用方法将碳纳米管运用到沥青混合料中，具体需要注意的问题还有待于进一步地探索。

三、研究步骤和研究方法

首先，将碳纳米管湿润，再用矿物填充料对其进行分散、稀释，使其顺理分散并防止其交缠结合。然后，将处理好的碳纳米管材料加入沥青中，为了使沥青与集料充分结合可以加入分散剂。由于碳纤维在沥青混合料中的应用已经比较成熟，碳纳米管的掺量可以参照碳纤维在沥青混合料的掺量（可上下浮动）。最后利用黏附性对比试验对碳纳米管的改性效果进行评价，利用高温车辙和小梁弯曲等试验来验证沥青混合料的综合性能。