石墨烯改性沥青路用性能研究现状浅析

黄 浩

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830006）

0 引言

石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，是目前已知的最薄也最坚硬的纳米材料，具有超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的导热和透光性等特性，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身，在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能。因石墨烯具有优异的力学和热学性质，其结构特性对解决沥青路面存在的问题提供了新的思路。本文就国内外对石墨烯改性沥清性能的研究进行总结，为石墨烯新材料在道路施工中的有效使用提供借鉴。

1 石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法大致分为两大类：一是物理剥离法；二是液相剥离法。两种方法都需要克服石墨烯层间的范德瓦尔力，从而获得少量单层或多层的石墨烯。狭义上的单层石墨烯厚度在0.35nm，单层的石墨烯由六边形晶格组成的二维网状结构，获得比表面积大的单层石墨烯一直是材料科学研究的热点。氧化石墨烯原子力显微镜表征形貌如图1、扫描电子显微镜形貌如图2。

图1 氧化石墨烯原子力显微镜表征形貌[1]

图2 氧化石墨烯扫描电子显微镜形貌[2]

（1）机械剥离法。传统的机械剥离法采用球磨法对石墨进行分离制备石墨烯；通过石墨与钢珠的摩擦和运动，在规定的时间以及转速下制得较高品质的多层石墨烯[3]。

（2）液相剥离法。采用液相剥离技术，将石墨涣散在相关溶剂中，采用超声、加热、剪切等试验方法制备单层或者多层的石墨烯溶液。在整个过程中，超声对石墨剥离的作用最大，超声的时间、功率是影响整个石墨转化为石墨烯的重要参数。

2 石墨烯改性沥青性能的研究

研究表明，在聚合物中掺入微量石墨烯（Graphene,GNP）（或石墨烯材料），可以大提升聚合物的性能，如：拉伸应力、导电、导热性能等，使其在沥青改性方面具有极大的潜力。将石墨烯用于沥青结合料和混合料，以增强材料的机械性能和致密性能。但国内外将石墨烯加入沥青中的研究还处于起步发展阶段，且相关试验还处于待完善的阶段，因此在研究中结合传统的力学性能测试以及传统微观表征方式还需要更多的理论支撑。

2.1 国内研究现状

望远福[4]等人采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对石墨烯复合SBS改性沥青进行处理，分别评价了沥青针入度、PG分析与黏度体系，通过分析比较发现，经PVP修饰后的石墨烯复合SBS改善了沥青的高温、低温和抗老化特性。1.5%PVP-G/4%SBS复合改性沥青混合料在高温抵抗永久变形、抗疲劳性能以及抗水损害性能方面表现突出。

刘克非[5]等人通过对氧化石墨烯改性沥青及其OGFC混合料路用性能进行评价，发现氧化石墨烯能够有效提高沥青混合料老化性能从而延长路面的使用寿命。

李贤[6]借助原子力显微镜、动态剪切流变仪、红外光谱对石墨烯改性沥青、70号基质沥青进行表征。通过原子力显微镜表征结果发现，“蜜蜂结构”在石墨烯改性沥青中较基质沥青多，且个体也明显小于基质沥青。在动态剪切流变仪试验过程中，评价了石墨烯加入沥青中提高了沥青的高温性能。傅里叶红外则评价了石墨烯加入沥青中未产生化学变化。

2.2 国外研究现状

Huang Gang[3]等人结合朗伯比尔定律，对石墨烯的分散性进行了评价，并将分散的石墨烯制备石墨烯改性沥青进行性能评价，最后提出了基于Lambert-Beer定律评价石墨烯分散性的方法。

Ren Yongxiang[7]等人将不同掺量石墨烯的三聚氰胺-甲醛树脂制成的变相微胶囊加入到沥青混合料中，用来改善其在热力诱导下的低温性能，并对沥青混合料的水稳性能和高温稳定性值通过冻融劈裂试验和车辙试验得到了验证。

Hu Kui[8]等人运用分子动力学模型评价了石墨烯对聚乙烯改性沥青的高温流变性能、中温抗疲劳性能、低温抗裂性能和储存稳定性，结果表明石墨烯的加入有效地改善了该方面的相关性能。

Wang Yingyuan[9]等人将石墨烯和碳纤维加入到沥青混凝土中，从而达到导电和导热的效果，并采用动态剪切流变仪评价了石墨烯对沥青的剪切变形和蠕变性能，引入有限元程序分析了导电沥青混凝土的电流密度分布，产生合适的级配。

Wang Chaohui[10]等人结合沥青混合料在高温施工过程中会产生大量的烟会有害人体健康和影响环境的角度出发，采用氧化石墨烯等材料制备了改性沥青混合料，结果表明石墨烯等材料的加入改善了沥青烟的排放。

Adnan Abbas Mukhtar[11]等人将氧化石墨烯添加到沥青中，研究了沥青胶结料的抗疲劳寿命和低温性能。研究表明，将氧化石墨烯加入到沥青结合料中高温稳定性和低温抗裂性得到有效提升。

Federico Gulisano[12]等人将电弧炉（EAF）炉渣和石墨烯纳米片（GNPs）添加到沥青中制备沥青混合料，采用微波加热技术来评价道路路面使用寿命有重大的意义。研究结果表明，添加EAF渣和GNPS对沥青路面的自我修复能力有所提高。

3 石墨烯改性沥青的力学性能试验结果

国内外的研究结果表明，分散后的石墨烯添加到沥青中能够有效提高沥青的力学性能。图3分别为70#基质沥青、分散剂沥青以及石墨烯改性沥青原子力显微镜同等倍数下表征结果。黄刚[13]等人将石墨进行机械剥离后再将石墨烯添加到溶液中，通过超声、离心，取上清液添加到70#基质沥青中制备石墨烯改性沥青，与70#基质沥青、分散剂沥青进行力学试验与微观试验，形成一整套完整的从制备到力学性能的测定再到微观结构表征体系，揭示了石墨烯对沥青性能的影响。

图3 原子力显微镜表征结果[13]

试验结果表明，石墨烯的添加改变了沥青质、胶质的分散与堆叠形式，通过结构的变化有效提高沥青的力学性能，同时能够提高路面的高温稳定性和低温抗裂性。在现有研究中较多地采用氧化石墨烯，是因为氧化石墨烯中存在较多的官能团，各官能团能够有效地和沥青与集料等结合形成复合改性沥青。由于石墨烯存在π-π吸附作用，石墨烯与沥青之间相互吸附增强了链接作用，从而提高了石墨烯与沥青的链接长度，因此增强了沥青的性能。

为了更为有效地评价沥青力学性能，可通过动态剪切流变仪对沥青高低温抗剪切性能进行评价，辅以原子力显微镜、扫描显微镜、纳微CT等表征方法对沥青加入石墨烯前后微观形貌的表征，再结合傅里叶红外等对加入石墨烯后的沥青是否存在化学变化进行综合评价。从宏观的力学变化到微观的形貌变化，揭示石墨烯添加到沥青中通过插层、吸附等变化引起沥青性能的变化增强沥青的路用性能。

4 结束语

石墨烯及氧化石墨烯由于存在特殊的结构和优异的性能，能够提高道路的使用寿命，对未来筑路材料的发展提供新的机遇。将石墨烯材料加入沥青中，分散后的石墨烯极容易发生团聚，如何获得单层或者多层的大面积石墨烯，如何有效地将单层石墨烯层插在沥青和集料中形成较好的黏附性并同时能够较好地存储，是有待进一步研究和解决的问题。石墨烯分散越均匀，层数越少且面积越大时，其力学性能就越好，将分散后的石墨烯尽可能地层插到集料中，不仅能够节约成本，同时也能够提高道路的使用寿命。