氧化石墨烯改性沥青的流变特性及其影响机理研究

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《氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及机理研究》范文

《氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及机理研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，高温环境下的建筑材料性能研究显得尤为重要。

氧化石墨烯作为一种新型的纳米材料，因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于各种领域。

本文旨在研究氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及其机理，以期为提升水泥基材料的性能提供新的思路。

二、文献综述近年来，纳米材料在提高水泥基材料性能方面的应用引起了广泛关注。

氧化石墨烯作为一种具有优良物理化学性能的纳米材料，其在改善水泥基材料性能方面的作用得到了越来越多的研究。

氧化石墨烯因其较大的比表面积、优良的导热性能、良好的机械强度和与其他物质的相容性，使得其在水泥基材料中的应用潜力巨大。

三、实验部分1. 材料与制备（1）原料选择：选取氧化石墨烯粉末、水泥、骨料等主要原料。

（2）制备方法：按照一定比例将氧化石墨烯与水泥、骨料等混合，制备成含有不同浓度氧化石墨烯的水泥基材料试样。

2. 实验方法（1）高温性能测试：将试样在高温环境中进行耐温测试，记录试样的热稳定性和高温下的强度变化。

（2）机理研究：采用扫描电镜、X射线衍射等手段，观察氧化石墨烯在水泥基材料中的分布和结构变化，探究其改善耐高温性能的机理。

四、结果与讨论1. 耐高温性能的影响实验结果表明，加入适量氧化石墨烯的水泥基材料在高温环境下具有更好的热稳定性和强度保持率。

这表明氧化石墨烯能有效提高水泥基材料的耐高温性能。

随着氧化石墨烯含量的增加，耐高温性能先提高后趋于稳定。

当氧化石墨烯含量过高时，可能会发生团聚现象，影响其性能发挥。

2. 机理研究（1）物理作用：氧化石墨烯具有较大的比表面积和优良的导热性能，能有效地提高水泥基材料的导热性能，降低高温下材料的温度梯度，从而提高其耐高温性能。

（2）化学作用：氧化石墨烯中的含氧官能团能与水泥中的钙离子等发生化学反应，形成较强的化学键合作用，提高水泥基材料的界面强度和整体性能。

此外，氧化石墨烯还能在水泥基材料中起到“桥接”作用，增强材料内部的微结构稳定性。

多层氧化石墨烯—水泥基材料的力学性能和改性机理研究

硕士学位论文(学术学位）多层氧化石墨烯-水泥基材料的力学性能和改性机理研究王奕璇学科门类：工学一级学科：水利工程二级学科：水工结构工程指导教师：柴军瑞教授曹靖讲师申请日期： 2019.06西安理工大学硕士学位论文barriers to prevent crack propagation, the propagation of cracks in cement mortar is inhibited, and the mechanical properties of cement mortar were enhanced.(2)It was found that the doping of multilayer graphene oxide resulted in a significant increase in the compressive strength and flexural strength of the cement mortar. With the increase of graphene oxide content, the compressive strength and flexural strength of mortar show a trend of increasing first and then decreasing. The addition of 0.05 wt% multilayer graphene oxide has the greatest increase in compressive strength and flexural strength of cement-based materials. Therefore, multilayer graphene oxide nanosheets can be used to optimize the microstructure of cement-based materials and improve its mechanical properties.(3)Statistics and analysis of the influence of nanomaterials on the performance of cement-based materials. The application examples of nano-concrete in engineering are compiled. Explore the application prospects and economic feasibility of multilayer graphene oxide-cement based materials in engineering.Key words: cement based materials; graphene oxide; mechanical properties; cement hydration; microstructure目录目录1 绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.2.1 纳米材料在水泥基材料中的研究现状 (3)1.2.2 氧化石墨烯水泥基复合材料的研究现状 (5)1.3 研究内容和技术路线 (6)2 多层氧化石墨烯水泥基复合材料的制备和稠度测试 (9)2.1 原材料及制备工艺 (9)2.1.1 原材料 (9)2.1.2 多层氧化石墨烯的分散 (9)2.1.3 水泥胶砂制备工艺 (10)2.2 多层氧化石墨烯水泥胶砂试验设计 (12)2.2.1 原材料及测试方法 (12)2.2.2 稠度分析 (12)2.3 本章小结 (14)3 多层氧化石墨烯-水泥基复合材料的力学性能研究 (15)3.1 测试方法 (15)3.2 多层氧化石墨烯对水泥基材料抗压性能的影响 (15)3.2.1 抗压强度 (16)3.2.2 压缩应力-应变曲线 (18)3.3 多层氧化石墨烯对水泥基材料抗折强度的影响 (20)3.4 多层氧化石墨烯对水泥基材料的增韧机理 (21)3.5 本章小结 (22)4 多层氧化石墨烯-水泥基材料的微观形貌和作用机理研究 (25)4.1 测试方法 (25)4.2 多层氧化石墨烯对水泥基材料微观形貌的影响 (26)4.2.1 水泥基复合材料的水化产物分析 (26)4.2.2 水泥基复合材料微观结构分析 (27)4.3 多层氧化石墨烯在水泥水化过程中作用机理 (32)4.4 本章小结 (34)5 纳米材料在水泥基材料中的应用前景 (37)5.1 纳米材料对水泥基材料的影响 (37)5.1.1 微观结构 (38)西安理工大学硕士学位论文5.1.2 孔隙率 (39)5.1.3 抗压强度 (40)5.1.4 抗折强度 (43)5.2 氧化石墨烯-水泥基材料在工程中的应用前景 (44)5.3 本章小结 (46)6 结论与展望 (49)6.1 结论 (49)6.2 展望 (49)致谢 (51)参考文献 (53)攻读学位期间主要研究成果 (63)1绪论1绪论1.1研究背景及意义最早在1824年Aspdih发明了波兰特水泥[1]。

PVP修饰石墨烯对SBS改性沥青流变性能的影响

建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALS第24卷第2期2021年4月Vol. 24,No. 2Apr. ,2021文章编号：1007-9629(2021)02-0385-08PVP 修饰石墨烯对SBS 改性沥青流变性能的影响蒋文韬1,郝培文1,赵超志彳，件涛寫李德文$(1.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西西安710064；2.陕西省交通建设集团，陕西西安710075)摘要：为研究经聚乙烯毗•咯烷酮(PVP)处理后的石墨烯对SBS 改性沥青流变性能的影响，通过高速剪切机在SBS 改性沥青中掺入PVP 修饰石墨烯，制备了石墨烯-SBS 复合改性沥青，并采用动态剪切流变仪、温度扫描和线性振幅扫描试验，对复合改性沥青流变性能及抗疲劳性能变化规律进行研究，同时结合弯曲梁流变仪试验探索了复合改性沥青低温抗裂性的变化规律.试验结果表明：PVP 修饰石墨烯的掺入能够有效改善SBS 改性沥青在高温条件下的抗变形、弹性恢复能力以及抗疲劳性能;PVP 修饰石墨烯的掺入对复合改性沥青的低温抗裂性能存在负面影响，但影响不明显. 关键词：石墨烯改性；动态剪切流变仪；多重应力蠕变恢复；弯曲梁流变仪；线性振幅扫描中图分类号:U414文献标志码：A doi ：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2021. 02. 022Effect of PVP Modified Graphene on Rheological Properties ofSBS Modified AsphaltJIANG Wentao 1, HAO Peiiven 1, ZHAO Chaozhi 2, WU Tao 2, LI Dewen 2(1.Key Laboratory of Road Structure and Materials of Ministry o£ Transport, Chang'an University, Xi'an 710064, China ;2. Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Xi'an 710075, China)Abstract : In order to investigate the influence of graphene treated with PVP on the rheological propertiesof SBS modified asphalt, composite modified asphalt was prepared by adding different amounts of PVPmodified graphene to SBS modified asphalt through a high-speed shear. The dynamic shear rheometer (DSR) and temperature sweep and linear amplitude sweep(LAS) tests were used to observe the changes of rheological properties and fatigue resistance of graphene/SBS composite modified asphalt with differentcontents, combined with bending beam rheometer(BBR) to explore the change of the low-temperaturecrack resistance of composite modified asphalt. The results show that addition of graphene can effectivelyimprove the deformation resistance and elastic recovery ability of SBS modified asphalt under high tempera ture conditions and the fatigue resistance of SBS modified asphalt. However, the addition of graphene hasa negative impact on the low-temperature crack resistance of the composite modified asphalt, though the impact is not obvious.Key words : graphene modification; dynamic shear rheology (DSR ); multiple stress creep recovery(MSCR) ; bending beam rheometer (BBR) ； linear amplitude sweep(LAS)为使沥青结合料具有更好的路用性能，改性沥青改性剂的研究也受到广泛关注•在过去10年中，青结合料在高等级公路上的应用日益广泛，新型沥使用纳米材料(例如纳米土、纳米氧化锌、纳米二氧收稿日期：2020-04-20；修订日期：2020-06-05基金项目：陕西省交通运输厅科研项目(15-11K)第一作者:蒋文韬(1996—),男，四川渠县人，长安大学硕士生.E-mail ：983985242@qq. com通讯作者:郝培文(1967-),男，内蒙古和林人，长安大学教授，博士生导师，博士. E-mail :gl02@chd. edu. cn386建筑材料学报第24卷化钛、纳米二氧化硅）来改性沥青结合料备受关注.研究发现，纳米材料可极大提高沥青结合料的力学性能、抗老化性能和耐久性等相较于其他改性材料,石墨烯作为新型的纳米材料，是一种由C原子经sp2电子轨道杂化后形成的六角蜂巢单片层状的二维纳米材料，其各种优异性能可极大地改善沥青结合料的高温抗永久变形性能和流变性能⑺匕杜建政口幻通过在基质沥青中掺入石墨烯以及SBS 改性剂对沥青进行改性，研究表明石墨烯与SBS通过协同作用能有效改善SBS改性沥青的高、低温性能.黄瑾瑜等通过动态剪切流变仪（DSR）对制备的SBS■石墨烯复合改性沥青进行温度扫描,结果表明，石墨烯的掺入对SBS改性沥青产生了硬化效果;减缓了改性沥青弹性成分的流失，提高了抗车辙能力，可有效改善SBS改性沥青的高温性能.Han 等匚⑷使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）及原子力显微镜（AFM）对沥青样品进行结构表征，结果表明，石墨烯增强了SBS在沥青中的亲油性，提高了改性剂在沥青中的分散性.王帆曲通过研究发现，聚乙烯毗咯烷酮（PVP）可用Tt-Tt键和氢键等作用力结合在石墨烯表面，能有效避免石墨烯片层间的团聚作用.本文将PVP修饰石墨烯与SBS改性沥青混合搅拌并进行高速剪切，制备得到相应的复合改性沥青，对比研究石墨烯掺量对SBS改性沥青常规技术指标的影响趋势，并利用动态剪切流变仪进行复合改性沥青的温度、频率和线性振幅扫描试验，探索石墨烯对SBS改性沥青高温抗车辙、流变性能以及抗疲劳性能的影响规律.1试验1.1原材料沥青选用克拉玛依生产的SBS改性沥青成品（0.15%°硫磺稳定剂+5%SBS改性剂，其中的SBS改性剂为中国石化岳阳石油化工产YH-791,线型结构，苯乙烯与丁二烯的质量分数之比为30%:70%）；石墨烯选用宁波墨西科技有限公司生产的通用型石墨烯粉体，为增强石墨烯与沥青的相容性与分散性,采用聚乙烯毗咯烷酮（PVP）表面活性剂对石墨烯表面进行了处理，其中：石墨烯与PVP的质量分数之比为80%:20%,且石墨烯纯度达99.8%,无其他杂质,不会影响沥青性能.SBS改性沥青和PVP修饰石墨烯（以下简称石墨烯，GP）的主要技术指标如表1、2所示.表1SBS改性沥青的主要技术指标Table1Main technical specification of SBS modified asphaltSofteningpoint/°CPenetration(25匸)/(0.1mm)Ductility(5°C)/cmDensity(250/(g•cm-3)Storagestability/°C67.463.436.70.9920.9表2PVP修饰石墨烯(GP)的主要技术指标Table2Main technical specification of PVP modified grapheneSpecification Detection typical value Detection methodExterior Gray black powder Visual inspection Graphene content(by mass)/%80.0+1.0Thermogravimetric analysis test from room temperature to1000°C Bulk density/(g•mL_1)About0.10GB/T1479.1—2011 Specific surface area/(m2•g_1)4-10GB/T19587—2017Average layer thickness/nm 2.4HRTEM observation,statistical average Slice size/p.m1-20GB/T19077.1—2008 Ash content(by mass)/%£0.5GB/T3780.10—2017Water content(by mass)/%<2GB/T26793—2011Dissolvable metal ion content(by mass)/%WO.05GB/T24533—20091.2石墨烯-SBS复合改性沥青的制备首先，将SBS改性沥青加热至流动状态,温度保持在175°C,然后以0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的石墨烯掺量（wgp）掺入SBS改性沥青中；接着，利用高速剪切机以2000r/min的剪切速率低速剪切20min,剪切过程中保持温度在175°C；最后，以5000r/min的剪切速率高速剪切90min,制得石墨烯掺量不同的石墨烯-SBS复合改性沥青.利用光学显微镜（500倍）对复合改性沥青的分散性进行观察，结果见图1.由图1可见:SBS作为分散相分散在沥青连续相中，且分散均匀性较好;石墨烯（粒度为20M m）在改性沥青中未出现明显的团聚现象.1）文中涉及的掺量、纯度等均为质量分数.第2期蒋文韬，等:PVP修饰石墨烯对SBS改性沥青流变性能的影响387图1石墨烯-SBS复合改性沥青的光学显微镜照片Fig.1Optical microscope photos of GP-SBS compound modified asphalt with different GP contents2试验结果2.1常规试验按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对石墨烯-SBS复合改性沥青进行常规性能指标测试，结果如图2所赤由图2可得：25°C下改性沥青的针入度随石墨烯掺量的增加呈现先减小后增大的趋势；软化点则随着石墨烯掺量的增加呈现先升高后降低的趋势；5°C延度随着石墨烯掺量的增加表现出降低的趋势；当石墨烯掺量为1.5%时，复合改性沥青的针入度和软化点分别达到最小值和最大值.由此说明，在SES改性沥青中掺入石墨烯不仅能提高其稠度，还能起到一定的硬化作用，使SBS改性沥青的抗永久变形能力增强，即石墨烯的掺入在一定程度上提高了SBS改性沥青的高温性能•但作为纳米材料，石墨烯会在SBS 改性沥青中阻碍其自由流动，使其低温下的抗塑性变形能力下降，在低温受拉状态下，更容易出现断裂破坏.2.2温度扫描试验Superpave规范规定用车辙因子G*/sin5来表征沥青材料的抗永久变形能力，反映沥青的高温性能.本研究采用应变控制模式，设置应变为1.25%,采用直径为25mm的平行板夹具,1000小间隙，震荡速率为10.0rad/s,试验温度区间为40〜82°C.复合改性沥青在不同温度条件下的复数剪切模量G*、车辙因子G*/sin5、相位角&如图3〜5所示.复数剪切模量G*表示沥青在重复剪切变形状态下抵抗所受变形总阻力的能力，而车辙因子G*/ sin5是评价沥青高温性能的一个重要指标,其能够反映沥青抵抗永久变形的能力G/sin5值越大的沥青结合料因能量耗散而引起的永久变形越小，即车辙因子大的沥青结合料拥有更强的抗车辙能力.由图3、4可见:对于SBS改性沥青和石墨烯掺量不同的复合改性沥青，两者的G*和G*/sin5值均随着温度的升高而呈现下降趋势，说明温度升高会使2种改性沥青的抗变形能力逐渐减弱；掺入石墨烯的复合改性沥青G*和G*/sin5值均高于SBS改性沥青，说明石墨烯的掺入使得SBS改性沥青的抗变形能力增强，且当石墨烯掺量为1.5%时，对SBS改性沥青的增强效果最大.相位角5用来表征沥青中黏性与弹性成分的比388建筑材料学报第24卷(c)Relationship between ductility and w GP图2石墨烯-SES复合改性沥青常规指标试验结果Fig.2Conventional index test results of GP-SBS composite modified asphalt图3石墨烯-SES复合改性沥青复数剪切模量-温度变化图Fig.3Complex shear modulus-temperature change diagram of GP-SBS composite modified asphalt 图4石墨烯-SBS复合改性沥青车辙因子-温度变化图Fig.4Rutting factor-temperature change diagram of GP-SBS composite modified asphalt例,5值越大，沥青中黏性成分越多，变形恢复能力越差.由图5可得，随着温度的升高，不同石墨烯掺量的复合改性沥青5值呈现上升趋势，即随着温度的升高，复合改性沥青中黏性成分增多，应力-应变滞留效应提高，抗高温变形能力减弱•石墨烯的掺入能够有效降低沥青中的黏性成分，但当石墨烯掺量过大(如2.0%)时，多余的石墨烯将随机分布在沥青分子中，由于石墨烯自身优异的导热性、润滑性，高温生成的热量将迅速传导至沥青内部，促使沥青软化，从而降低沥青的变形恢复能力•当石墨烯掺量为1.5%时，复合改性沥青的弹性恢复能力最强. 2.3多重应力蠕变恢复试验为了更好地评价复合改性沥青的高温抗车辙性能，进行了基于DSR的多重应力蠕变恢复(MSCR)试验.MSCR试验利用沥青在外加应力作用下的延迟弹性恢复性能来评价沥青的高温性能•路面在车轮荷载的重复加、卸载作用下，变形存在累积效果,相较于温度扫描试验，MSCR试验能够准确真实地第2期蒋文韬，等:PVP 修饰石墨烯对SES 改性沥青流变性能的影响38935 4555 65 75 85Temperature/T图5石墨烯-SBS 复合改性沥青相位角-温度变化图Fig. 5 Phase angle-temperature change diagram ofGP-SBS composite modified asphalt模拟沥青路面的应变累积过程，并且MSCR 的高温性能试验结果与现场路用性能更为一致.MSCR 试验在动态剪切流变仪上完成.采用应力控制模式，应力分别为100.3 200 Pa,试验温度为64 °C (根据 AASHTO T350-14《Standard method of test for multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》分级标准确定)•每个蠕变周期加载1 s,卸载9 s,每种应力状态下重复10个周期，总耗时200 s.通过试验可采集到沥青在不同应力作用下的蠕变和恢复曲线，并据此算出其平均蠕变恢复率K 和平均不可恢复蠕变柔量丿nr ：16-17].图6、7展示了复合改性沥青在100.3 200 Pa 应力作用下第1周期的蠕变和恢复循环的应变响应. 由图6、7可见，在100,3 200 Pa 应力作用下，复合改性沥青的最大应变值和累积不可恢复应变基本随着石墨烯掺量的增加而降低，但在石墨烯掺量为1. 5%时，其累积不可恢复应变最小.该结果与温度扫描试验结果非常吻合.图7 3 200 Pa 应力作用下石墨烯-SES 复合改性沥青第1周期的蠕变Fig. 7 Creep of GP-SBS composite modifiedasphalt under the 3 200 Pa根据复合改性沥青在100.3 200 P a 应力作用下10个周期的蠕变和恢复曲线计算得到的平均蠕变恢复率R 及平均不可恢复蠕变柔量几如图8.9所示.其中R 值代表沥青结合料的弹性成分， K 值越大，沥青结合料弹性越好；人「值代表高温下沥青结合料的不可恢复蠕变柔量，人「值越小，沥青结合料的抗永久变形(车辙)能力越强.由图8.9 可见，在100.3 200 P q 应力作用下，随着石墨烯掺量的增加，复合改性沥青的R 值呈现先增大后减小的趋势，而人「值呈现先降低再升高的趋势.由此表明，石墨烯的掺入改善了 SES 改性沥青在不同应力状态下的高温弹性以及稳定性，改善程度则随石墨烯掺量波动，1. 5%的石墨烯掺量对SES 改性沥青的高温弹性和稳定性改善效果最显著•其改善机制可能如下：所用SBS 改性沥青有较多的轻组分，在热应力或机械应力作用下，胶束的吸附层变薄，轻组分使胶体结构变松，石墨烯的掺入及分散能有效抑制胶体结构的破坏，促进固体网络的交联，从而显著改善沥青结合料的弹性.Creep and recovery time/s图6 100 Pa 应力作用下石墨烯-SES 复合改性沥青第1周期的蠕变Fig. 6 Creep of GP-SBS composite modified asphaltunder the 100 PaB 04 PUSH 04 pusnJ -S 4S J E U q s d -E SJEUqs图8石墨烯-SBS 复合改性沥青的平均R 值和几值(100 Pa)Fig. 8 Average R and J nr values of GP-SBS compositemodified asphalt with different GP contents (100Pa)390建筑材料学报第24卷图9石墨烯-SES复合改性沥青的平均R值和几值(3200Pa) Fig.9Average R and J ni values of GP-SBS composite modified asphalt with different GP contents(3200Pa)2.4线性振幅扫描试验SHRP研究计划采用疲劳因子G*sin^作为沥青抗疲劳性能指标，其力学意义为动态剪切模量的黏性成分直接决定了耗散能的大小.由于该指标是在线黏弹性范围内测得，并不能很好地表征沥青的疲劳损伤特性以及抗疲劳荷载的能力，且其与沥青混合料的相关性极小口叫根据AASHTO TP-101《Standard method of test for estimating damage tolerance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》进行线"性振幅扫描（LAS）试验.试验利用动态剪切流变仪进行，试验夹具为8mm的上下平行板，板间距为2mm,试验温度为25°C.试验时，首先在0.1%的恒定应变下对试样进行频率扫描，扫描频率分别为0.2、0.4、0.6、0・8、1・0、2・0、4.0、8・0、10.0、20.0、30.0Hz,而后采用控制应变的加载方式线性振幅扫描5min.LAS试验结果如图10所赤由图10可见：石墨烯的掺入能够提高SBS改性沥青的疲劳寿命Nf,并降低损伤率；随着石墨烯掺量的增加，复合改性沥青的疲劳寿命呈现先增大后减小的趋势•呈现此趋势的原因可能是：在制备SBS改性沥青时，因聚苯乙烯（PS相）和聚丁二烯（PB相）均与基质沥青中的分子发生了较为充分的化学反应且形成了较为稳定的结构（如图1所示），基质沥青中反应性化学官能团已被大量消耗，因而少量的石墨烯难以与SES改性沥青发生反应，但由于石墨烯独特的层状结构，在其与SES改性沥青共混过程中可以形成典型的“插层”结构（如图11所示，加入石墨烯后，复合改性沥青出现了20=26.5。

石墨烯改性沥青研究进展

当代化工研究［（）Modern Chemical Research丄，2020・03行业动态石墨烯改性沥青研究进展*张明瑞"王宏宇“乌兰皿(1.西北民族大学化工学院甘肃7300302.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室甘肃730030)摘耍：沥青是道路交通领域重要的材料之一，越来越多的道路公路都在使用沥青材料.传统的沥青存在较多的问题，需要使用改性剂使其性能得到提高.石墨烯作为新型餉纳米材料，由于其具有众多良好的性能被广泛应用于各种领域，近年来，越来越多的研究学者对石墨烯改性沥青进行研究.本文重点阐述了国内外近几年使用石屋烯改性沥青的研究进展.关键词：石墨烯；改性沥青；改性剂中图分类号：T文献标识码：AProgress in Research on Graphene Modified AsphaltZhang Mingrui1"2,Wang Hongyu12,Wu Lan1'2*(1.Northwest Minzu University,School of Chemical Engineering,Gansu,7300302.Key Laboratory for Utility of Environment-friendly Composite Materials and Biomass in Universities of Gansu Province,Gansu,730030)Abstracts Asphalt is one of t he important materials in the f ield of r oad traffic,and more and more roads are using asphalt materials.There are many p roblems in traditional asphalt,so it is necessary to use modifier to improve its p erformance.As a new type of n anomaterial,graphene has been widely used in various f ields due to its many good p roperties.In recentyears,more and more researchers have studied graphene modified asphalt.This paper f ocuses on the research progress ofgraphene modified asphalt in recent y ears at home and abroad.Key WOfdSi graphene；modified asphalts modifier1.引言还可以将GNPs用作制备改性沥青的改性剂。

长期氧化对聚合物改性沥青流变性的影响

维普资讯
４２
橡胶参考资料
２００７年
长期氧化对聚合物改性沥青流变性的影响
杨军（株洲时代新材料科技股份有限公司４２０）编译１０７
的氧化和聚合物的降解。改性沥青共混物的氧化
沥青中加入几份聚合物就会显著提高高温下
（低频）的复合模量（）进一步增加聚合物的含Ｇ’ ，量，复合模量会进一步提高。
尽管聚合物的加入会提高高温下沥青的刚性，也引起了沥青低温（但高频）复合模量的下降，
道，可以用来表征公路上改性沥青的耐久性。这
氧化对聚合物改性沥青有效性的影响是研究的重
不等，总体导致了相角的下降。另外，改性沥青损
耗角曲线的中频区形成了一个平台，可能归于这聚合物网络的形成。有关聚合物改性材料对沥青拉伸性能影响的
改性沥青的应力一变曲线有两个弹性区，未改应而
２实验方法
未改性沥青包括Ａ－０、－０、一Ｃ１＃１ＡＣ１＃４ＡＣ
性沥青只有一个弹性区。这两个弹性区的初始斜
１＃５和加气沥青Ｐ００Ｇ７。聚合物改性材料包括ＳＲ、ＢＢＳＳ和轮胎胶。ＡＣ１＃１和Ｐ０与粉碎的橡胶一同硫化，－０Ｇ７老化实验在ＰＡＶ中进行，老化温度１０。硫化０℃

纳米Al2O3_复配SBS_改性沥青流变性能研究

引用格式：任剑. 纳米Al 2O 3复配SBS 改性沥青流变性能研究[J]. 中国测试，2023, 49(10): 83-89. REN Jian. Study on rheological properties of nano-Al 2O 3 composite SBS modified asphalt[J]. China Measurement & Test, 2023, 49(10): 83-89. DOI :10.11857/j.issn.1674-5124.2021100101纳米Al 2O 3复配SBS 改性沥青流变性能研究任剑(山西交通控股集团有限公司吕梁北高速公路分公司，山西吕梁 033100)摘　要: 为研究纳米Al 2O 3复配SBS 改性沥青流变性能，采用不同掺量（1%、2%、3%、4%、5%）纳米Al 2O 3，首先分析对针入度、延度、软化点、弹性恢复率、针入度指数以及黏度等物理指标影响；然后采用温度扫描、频率扫描进行流变参数影响分析；并基于流变学理论，采用车辙因子试验、多应力蠕变恢复试验（MSCR ）进行高温性能分析；采用疲劳因子试验进行疲劳性能分析；最后对改性沥青的储存稳定性以及基于车辙因子的抗老化性能影响进行评价。

结果显示：纳米Al 2O 3的掺入可降低SBS 改性沥青的针入度、延度，提高软化点、弹性恢复率以及针入度指数与黏度；流变参数中复数剪切模量、车辙因子、平均恢复率、疲劳因子提高，相位角、平均蠕变柔量、软化点差、基于车辙因子的老化指数逐渐降低。

表明纳米Al 2O 3对除低温延度、疲劳性能略有降低外，对储存稳定性能及抗老化性能均有积极影响，当掺量过大（达到5%）时，部分参数改善效果会降低。

综合而言，纳米Al 2O 3对SBS 改性沥青物理、流变性能具有良好的改善效果，推荐纳米Al 2O 3掺量宜控制在5%以内。

关键词: 道路工程; 纳米Al 2O 3; 流变特性; SBS 改性沥青; 高温; 疲劳中图分类号: U414文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2023)10–0083–07Study on rheological properties of nano-Al 2O 3 composite SBS modified asphaltREN Jian(Lüliang North Expressway Branch, Shanxi Transportation Holding Group Co., Ltd., Lüliang 033100, China)Abstract : In order to study the rheological properties of SBS modified asphalt mixed with nano-Al 2O 3,different dosage (1%, 2%, 3%, 4% and 5%) of nano-Al 2O 3 were used. Firstly, the effects of nano-Al 2O 3 on physical indexes such as penetration degree, ductility, softening point, elastic recovery rate, penetration degree index and viscosity were analyzed. Then the influence of rheological parameters was analyzed by temperature scanning and frequency scanning. Based on the theory of rheology, rutting factor test and multi-stress creep recovery test (MSCR) were used to analyze the high temperature performance. Fatigue performance was analyzed by fatigue factor test. Finally, the storage stability of the modified asphalt and the influence of rutting factor on the anti-aging performance were evaluated. The results show that the addition of nano-Al 2O 3 reduces the penetration degree and ductility of SBS modified asphalt, and improves the softening point, elastic recovery rate, penetration index and viscosity. Among the rheological parameters, the complex shear modulus, rutting factor, average recovery rate and fatigue factor increase, while the phase Angle, average creep compliance,收稿日期: 2021-10-20；收到修改稿日期: 2021-12-28基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFB0303200）；山西交通控股集团有限公司科技项目（20-JKKJ-37）作者简介: 任　剑（1979-），男，山西吕梁市人，高级工程师，研究方向为土木工程。

石墨烯加固沥青路面

石墨烯加固沥青路面
石墨烯作为当今世界上备受瞩目的材料之一，其惊人的物理特性使其在各个领域均有着广泛的应用和研究价值。

最近，石墨烯在加固沥青路面方面的应用备受关注。

沥青路面是我们日常生活中常见的一种道路铺设材料，它具有施工方便、成本低廉等优点。

然而，由于各种原因，沥青路面在使用过程中往往会出现损坏、老化等问题，影响道路的使用寿命和行车安全。

因此，如何提高沥青路面的耐久性成为一个亟需解决的问题。

石墨烯作为一种具有极高强度、优异的导热性和导电性的材料，可以被添加到沥青混合料中进行改性，以增强沥青路面的性能。

石墨烯改性后的沥青路面具有更高的抗压强度和韧性，能够有效抵抗外部环境因素的侵蚀，延长路面的使用寿命。

通过石墨烯的加固，沥青路面在承载能力、耐磨性、耐老化性等方面均有显著提升。

石墨烯可以填充沥青混合料中的微孔隙，提高混合料的密实性，减少裂缝产生的可能性，从而增加路面的稳定性和耐久性。

此外，石墨烯的导热性和导电性也为沥青路面的维护提供了更多可能性。

在寒冷地区，可以利用石墨烯的导热性帮助快速融化积雪，减少结冰对道路的影响；在需要监测道路状况的地方，可以利用石墨烯的导电性搭建智能监测系统，及时掌握道路的状况并进行维护。

综上所述，石墨烯作为一种具有巨大潜力的材料，在沥青路面加固方面有着广阔的应用前景。

通过石墨烯的加固，沥青路面的性能可以得到有效提升，不仅能够延长道路使用寿命，提高行车安全，还能为道路维护和管理带来新的可能性。

石墨烯加固沥青路面的发展势必会为社会交通领域的进步带来新的活力和机遇。

《氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及机理研究》范文

《氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及机理研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，高温环境下的建筑材料性能研究显得尤为重要。

氧化石墨烯作为一种新型的纳米材料，因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于各种领域。

特别是在水泥基材料中，氧化石墨烯的加入可以显著提高其性能。

本文将重点研究氧化石墨烯对水泥基材料耐高温性能的影响及机理。

二、文献综述近年来，关于氧化石墨烯在水泥基材料中的应用研究逐渐增多。

研究表明，氧化石墨烯的加入可以显著提高水泥基材料的力学性能、耐久性能和耐高温性能。

其中，耐高温性能的改善尤为重要，因为这直接关系到材料在高温环境下的使用寿命和安全性。

三、实验方法（一）材料准备本实验采用水泥、砂、石等常规材料，以及不同含量的氧化石墨烯纳米材料。

（二）样品制备将氧化石墨烯与水泥、砂、石等材料混合，制备成不同配比的样品。

（三）实验过程对制备好的样品进行高温处理，观察其耐高温性能的变化，并利用扫描电镜、X射线衍射等手段分析其微观结构变化。

四、实验结果与分析（一）耐高温性能测试结果实验结果表明，随着氧化石墨烯含量的增加，水泥基材料的耐高温性能得到显著提高。

在高温环境下，加入氧化石墨烯的水泥基材料表现出更好的热稳定性和抗裂性。

（二）微观结构分析通过扫描电镜和X射线衍射等手段，我们发现氧化石墨烯在水泥基材料中起到了桥梁作用，促进了水泥水化产物的生成和晶体结构的优化。

此外，氧化石墨烯的加入还改善了水泥基材料的孔隙结构，提高了其密实度。

五、机理研究（一）氧化石墨烯的物理作用氧化石墨烯具有优异的物理性能，如高强度、高韧性等。

在水泥基材料中，氧化石墨烯可以起到增强作用，提高材料的整体力学性能。

此外，氧化石墨烯的纳米级尺寸使其能够填充水泥基材料中的微小孔隙，提高材料的密实度。

（二）氧化石墨烯的化学作用氧化石墨烯表面含有丰富的含氧官能团，可以与水泥水化产物发生化学反应，生成更稳定的化合物。

这些化合物能够提高水泥基材料的耐高温性能和抗裂性。

石墨烯改性沥青路用性能提升及其机理

林业工程学报，２０２３，８（６）：１５４－１６０ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２３０４００９收稿日期：２０２３－０４－１２㊀㊀㊀㊀修回日期：２０２３－０５－２９基金项目：国家自然科学基金（５２２７８４５２）㊂作者简介：徐子航，男，研究方向为路面结构与材料㊂通信作者：许涛，男，教授㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｅｕｘｔ＠１６３．ｃｏｍ石墨烯改性沥青路用性能提升及其机理徐子航，蒋宇，许涛∗（南京林业大学土木工程学院，南京２１００３７）摘㊀要：为了探究石墨烯对沥青路用性能的提升及其机理，利用分散剂二甲基亚砜（ＤＭＳＯ）预处理石墨烯，提高其在沥青中的分散性，再采用ＤＭＳＯ预处理石墨烯（ＤＧ）添加到７０＃道路石油沥青（７０＃沥青）中制备ＤＧ改性沥青㊂通过常规物理性能试验㊁黏韧性试验㊁直接拉伸试验和原子力显微镜对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青进行测试，评价ＤＧ对沥青路用性能增强效果，并从微观角度分析ＤＧ对沥青微观结构的影响，揭示ＤＧ对沥青路用性能提升机理㊂结果表明，加入的ＤＧ降低了沥青的针入度和延度，但是提高了沥青的软化点㊂由于ＤＧ具有较大的表面能，吸附了沥青中的轻组分而形成插层结构，致使ＤＧ改性沥青上部软化点值和下部软化点值存在差异㊂ＤＧ改性沥青具有较强的黏韧性和韧性，其黏韧性㊁黏弹性㊁韧性和韧性比均高于７０＃沥青，因为被插层后的ＤＧ抑制了沥青轻组分的流动，致使ＤＧ改性沥青具有较好的抗变形能力㊂ＤＧ的加入使得沥青变硬，降低ＤＧ改性沥青表面的粗糙度㊂由于ＤＧ的吸附作用和ＤＧ插层结构的限制作用增加了ＤＧ改性沥青微观表面蜂状结构数量，导致ＤＧ改性沥青表面具有数量更多且体积较小的蜂状结构㊂受到拉伸作用时，７０＃沥青中大体积的蜂状结构易产生应力集中，使其力学性能及抗变形能力降低，而ＤＧ改性沥青中小体积且数量较多的蜂状结构能够分散受力，提高了ＤＧ改性沥青的均匀受力，降低了其应力集中出现的可能，提升了ＤＧ改性沥青的路用性能和耐久性㊂关键词：石墨烯；改性沥青；路用性能；直接拉伸；原子力显微镜；蜂状结构中图分类号：Ｕ４１６．２１７㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：２０９６－１３５９（２０２３）０６－０１５４－０７ＰａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔａｎｄｉｔｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍＸＵＺｉｈａｎｇ，ＪＩＡＮＧＹｕ，ＸＵＴａｏ∗（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｕｓｅｄｉｎｐａｖｅｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｎｐａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔ，ｇｒａｐｈｅｎｅｗａｓｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｓｐｅｒｓａｎｔｏｆｄｉｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｘｉｄｅ（ＤＭＳＯ）ｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｉｔｓｄｉｓｐｅｒｓｉｔｙｉｎａｓｐｈａｌｔ．ＴｈｅｎｔｈｅＤＭＳＯｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｇｒａｐｈｅｎｅ（ＤＧ）ｗａｓａｄｄｅｄｉｎ７０＃ｐａｖｅｍｅｎｔｐｅｔｒｏｌｅｕｍａｓｐｈａｌｔ（７０＃ａｓｐｈａｌｔ）ｔｏｐｒｅｐａｒｅＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ．ＴｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆＤＧｏｎｐａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆＤＧｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔ，ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｈｙｓｉ⁃ｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｓ，ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｔｅｓｔ，ｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔａｎｄａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＡＦＭ）ｔｅｓｔｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ，ｒｅｖｅａｌｉｎｇｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＤＧｏｎｐａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔ．ＲｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆａｓｐｈａｌｔａｒｅｒｅｄｕｃｅｄａｆｔｅｒｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＤＧ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｏｆｔｅｎｉｎｇｐｏｉｎｔｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｒｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙｏｆＤＧ，ＤＧａｄｓｏｒｂｓｌｉｇｈｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎａｓｐｈａｌｔ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒ⁃ｃａｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｆｏｒｍｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｕｐｐｅｒａｎｄｂｏｔｔｏｍｓｏｆｔｅｎｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｆＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓ⁃ｐｈａｌｔ．ＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｈａｓｓｔｒｏｎｇｅｒｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｔｅｎａｃｉｔｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｉｔｓｖｉｓｃｏ⁃ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｔｏｕｇｈ⁃ｎｅｓｓａｎｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒａｔｉｏａｒｅａｌｌｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅｆｌｏｗｏｆｌｉｇｈｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｓｉｎｈｉｂｉｔｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＤＧ，ａｌｌｏｗｉｎｇＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｔｏｓｈｏｗｂｅｔｔｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ＴｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＤＧｈａｒｄｅｎｓ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ．Ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｂｅｅ⁃ｌｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｕｒｆａｃｅｏｆＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｏｆＤＧａｎｄｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＤＧ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｌａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｓｍａｌｌｅｒｖｏｌｕｍｅｓｏｆｂｅｅ⁃ｌｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｔｈｅｓｕｒ⁃ｆａｃｅｏｆＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ．ＷｈｅｎＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｉｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｔｅｎｓｉｌｅａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｌａｒｇｅ⁃ｖｏｌｕｍｅｂｅｅ⁃ｌｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｒｅｅａｓｉｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｔｏｃａｕｓｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｌｏｗｅｒｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔ．Ｔｈｅｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅａｎｄｌａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｂｅｅ⁃ｌｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｄｉｓｔｒａｃｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓ，ｉｍ⁃㊀第６期徐子航，等：石墨烯改性沥青路用性能提升及其机理ｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｓｓｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｉｎＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ．ＴｈｉｓｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎＤＧｍｏｄｉ⁃ｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ，ａｓｗｅｌｌａｓｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｎｓｉｇｈｔｉｎｔｏｔｈｅｐａｖｅｍｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔａｎｄｉｔｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ；ｐａｖｅｍｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅ；ＡＦＭ；ｂｅｅ⁃ｌｉｋｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ㊀㊀随着纳米材料受到越来越多的关注，研究人员开始将纳米材料作为沥青的改性剂应用于传统的沥青路面㊂石墨烯是一种纳米级二维片层材料，凭借其优异的物理化学性能，把石墨烯加入其他材料中能够重建原有微观结构并改进原有性能，因而被广泛地应用于不同工程领域［１］㊂已有研究指出，石墨烯与沥青只是进行简单的物理混合，并不发生化学反应，加入石墨烯抑制了沥青轻质组分的流动，导致沥青的延度降低［２］㊂纳米级材料往往会产生自身不可逆的聚集和连接，这严重阻碍了沥青的流动性，导致沥青内部形成结构缺陷，严重地影响改性沥青的路用性能［３］㊂Ｙａｎｇ等［４］利用石墨烯／碳纳米管制备了改性沥青，发现一维材料碳纳米管和二维材料石墨烯片的组合能有效地减少石墨烯片和碳纳米管的自身堆积聚集㊂如果石墨烯能被热沥青剥落或插层，并且均匀地分散在沥青中，这可能会明显地改善甚至全面改变沥青的性能［５］㊂氧化石墨烯与ＳＢＳ沥青改性剂产生稳定的物理交联，独特的插层结构进一步抑制了沥青在高温下的流动性，进而提高沥青的力学性能［６］㊂石墨烯纳米片能传递环氧树脂和沥青之间的荷载，其形成的致密网络结构也可以增强沥青的黏聚力和柔韧性［７］㊂丝状的纤维能提高沥青的断裂强度和断裂伸长率，增强沥青的低温抗开裂性能［８－９］㊂为了进一步分析沥青微观形貌㊁结构和力学性能，目前原子力显微镜（ＡＦＭ）已成为常用的测试方法㊂ＡＦＭ不仅能观察到沥青的微观表面形貌和组织结构，还可以对沥青微观力学性能进行测试，如沥青的黏附力㊁弹性模量等㊂Ｚｈａｎｇ等［１０］利用ＡＦＭ对沥青组分和力学性能的关系进行分析，发现沥青质含量对沥青表面形貌和蜂状结构影响最大，沥青的黏附力则与饱和分㊁芳香分的含量有关㊂Ｚｈｕ等［１１］发现添加氧化石墨烯增加了沥青蜂状结构的数量，氧化石墨烯与沥青的片状折叠结构使二者的结合更加稳定㊂纳米蒙脱石和石墨烯具有类似的层状结构，其作为改性材料添加到沥青中易被沥青插层，而插层结构的黏滞作用能有效地降低沥青组分的迁移速度［１２］㊂近年来，随着交通量迅速增加，沥青路面承受的车辆荷载作用次数和轴载也逐渐增加，添加石墨烯有效地减少了沥青路面在服役期内产生的车辙㊁开裂等病害，提高了沥青路面的耐久性㊂由此可见，石墨烯已逐渐用于沥青路面以提升其路用性能，石墨烯在沥青中的分散状况很大程度上影响改性沥青的路用性能，但是石墨烯与沥青之间相互作用行为对沥青路用性能的提升机理尚不清楚㊂因此，本研究选取适当的分散剂对石墨烯进行预处理，以提高石墨烯在沥青中分散性；然后采用常规物理性能㊁黏韧性㊁直接拉伸等试验分析了石墨烯对沥青的路用性能的影响；最后采用ＡＦＭ试验研究石墨烯对沥青微观形貌和组织结构的影响，从而揭示石墨烯对沥青路用性能的提升机理㊂１㊀材料与方法１．１㊀试验材料１．１．１㊀沥㊀青选用江西典晟实业有限公司生产的７０＃道路石油沥青（７０＃沥青）为研究对象，按照ＪＴＧＥ２０２０１１‘公路工程沥青及沥青混合料试验规程“测试沥青的基本物理性能，试验结果见表１㊂表１㊀７０＃沥青的基本物理性能Ｔａｂｌｅ１㊀Ｂａｓｉｃｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔ性能指标测试结果测试标准密度／（ｇ㊃ｃｍ－３）１．０３１ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６０３针入度（２５ħ）／（０．１ｍｍ）６７．５ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６０４软化点／ħ４８．０ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６０６延度（１５ħ）／ｃｍ＞１５０ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６２４黏度（６０ħ）／（Ｐａ㊃ｓ）２１７．９ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６２５闪点／ħ３２２ＪＴＧＥ２０２０１１Ｔ０６１１１．１．２㊀石墨烯本研究选用南宫市京锐合金制品有限公司生产的石墨烯，相关性能参数如表２所示㊂表２㊀石墨烯性能参数Ｔａｂｌｅ２㊀Ｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ性能指标纯度／％层数比表面积／（ｍ２㊃ｇ－１）片层尺寸／μｍ导电率／（ｓ㊃ｍ－１）试验结果＞９７＜１０８０１２０＜６＞７００１．２㊀石墨烯的预处理及改性沥青的制备１．２．１㊀石墨烯的预处理为了进一步提高层状石墨烯与沥青的相容性，５５１林业工程学报第８卷解决石墨烯在沥青中不均匀分散的问题，需要对石墨烯进行预处理，具体的石墨烯预处理工艺如图１所示㊂图１㊀石墨烯预处理工艺流程Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ１）在烧杯中加入一定质量的石墨烯，缓慢加入６０ｍＬ的二甲基亚砜（ＤＭＳＯ）溶剂并利用玻璃棒均匀搅拌，制得ＤＭＳＯ／石墨烯分散溶液；２）室温下静置浸泡２ｈ后，对ＤＭＳＯ／石墨烯分散溶液进行抽滤处理，制得糊状石墨烯；３）将糊状石墨烯浸泡在蒸馏水中，充分搅拌均匀，在室温下静置保持１ｈ，倒掉上层清液，对下层石墨烯悬浊液进行二次抽滤处理；４）将再次制得的糊状石墨烯在１７０ħ的烘箱内干燥４ｈ，自然冷却至室温后，将干燥的块状石墨烯彻底研磨，制得ＤＭＳＯ预处理石墨烯（ＤＧ）㊂１．２．２㊀石墨烯改性沥青的制备石墨烯作为沥青改性材料能有效增强沥青高温下抗塑性变形能力，但是过量的石墨烯可能会导致沥青低温断裂破坏，已有研究结果表明，石墨烯的推荐掺量一般不宜超过０．５％［１３－１４］㊂石墨烯材料表面具有较高活性，易形成团聚体而失去纳米特性，对沥青改性后的性能提升效果产生负面影响，综合考虑沥青的改性效果㊁石墨烯与沥青的相容性㊁经济成本等因素，故本研究选取质量分数为０．４％的ＤＧ（ＤＧ占７０＃沥青质量的比例）对沥青进行改性㊂石墨烯改性沥青的制备方法如下：首先，将７０＃沥青放置在１６３ħ的烘箱内加热１ｈ，当沥青具有较好的流动状态后，将其倒入烧杯中，再将占７０＃沥青质量分数为０．４％的ＤＧ缓慢加入７０＃沥青中㊂其次，用电热炉对盛有沥青的烧杯底部进行加热，并用玻璃棒反复搅拌沥青，直至沥青表面没有ＤＧ粉末悬浮㊂最后，利用高速剪切乳化机以５０００ｒ／ｍｉｎ的转速剪切搅拌沥青４０ｍｉｎ，充分剪切搅拌后即制得ＤＧ改性沥青㊂１．３㊀试验方案１．３．１㊀常规物理性能试验分别参照ＪＴＧＥ２０２０１１中沥青针入度试验㊁延度试验㊁软化点试验和改性沥青离析试验方法，对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青进行标准化测试，分析添加ＤＧ后沥青针入度㊁延度㊁软化点及存储稳定各指标变化情况㊂１．３．２㊀沥青黏韧性试验参照ＪＴＧＥ２０２０１１，对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青进行黏韧性试验，在２５ħ的试验温度下以５００ｍｍ／ｍｉｎ的拉伸速率拉伸沥青试样，对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的黏韧性进行比较㊂１．３．３㊀沥青直接拉伸试验参照ＧＢ／Ｔ５２８２００９‘硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定“，将沥青浇注成直接拉伸试验试样，如图２所示㊂在２５ħ试验温度下以５ｍｍ／ｍｉｎ的速率对沥青试样进行直接拉伸试验，７０＃沥青和ＤＧ改性沥青各制备６个标准样品㊂在每种沥青的直接拉伸试验结果中，去掉２个破坏应力最低的拉伸曲线试验结果，将其余４个拉伸曲线试验结果的平均值作为该沥青的应力⁃应变曲线㊂图２㊀直接拉伸试验沥青试样尺寸Ｆｉｇ．２㊀Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｚｅｓｆｏｒｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆａｓｐｈａｌｔｓａｍｐｌｅｓ１．３．４㊀沥青原子力显微镜试验采用峰值力⁃定量纳米力学性能（Ｐｅａｋｆｏｒｃｅ⁃Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍａｐｐｉｎｇ，ＰＦ⁃ＱＮＭ）模式对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的表面形貌及粗糙度进行测试，选用ＲＴＥＳＰＡ⁃１５０型号的硅质探针以１５０ｋＨｚ的频率对试样进行扫描，测试模量范围为２０５００ＭＰａ㊂测试结束后利用分析软件ＮａｎｏＳｃｏｐｅＡｎａｌｙｓｉｓ１．７对沥青试样的相关表征指标进行计算㊂２㊀结果与分析２．１㊀石墨烯对沥青常规物理性能的影响对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青进行常规物理性能测试，对比分析加入ＤＧ后沥青三大指标及存储稳６５１㊀第６期徐子航，等：石墨烯改性沥青路用性能提升及其机理定性的变化情况，明确ＤＧ对沥青常规物理性能的影响㊂７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的针入度㊁延度和软化点试验结果如表３所示，离析试验结果如表４所示㊂表３㊀７０＃沥青和ＤＧ改性沥青针入度㊁延度和软化点测试结果Ｔａｂｌｅ３㊀Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｐｏｉｎｔｏｎ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔＤＧ掺量／％针入度／（０．１ｍｍ）延度／ｃｍ软化点／ħ０．０６１．８４４４８．００．４５８．９３４４８．８㊀㊀从表３可以看出，加入ＤＧ后沥青的软化点升高，而沥青的延度和针入度均减小㊂相比于７０＃沥青，ＤＧ改性沥青的针入度和延度分别降低了４．７％和２２．７％，软化点提高了１．７％㊂软化点表示沥青的塑性流动能力及高温稳定性，软化点越高，沥青的高温稳定性也越好，抗车辙能力就越强㊂加入ＤＧ后沥青的软化点略有提高，对沥青起硬化作用，一定程度上提高了沥青的高温稳定性［１５］㊂针入度表示沥青的稠度，反映了沥青的流变特性，加入ＤＧ后沥青的针入度降低，表明ＤＧ可提高沥青抗变形能力［１６］㊂延度表示沥青的低温抗裂性能，加入ＤＧ使沥青的延度降低，表明沥青在低温下变得硬脆，导致低温状态下沥青的抗裂性能衰减㊂表４㊀沥青离析试验结果Ｔａｂｌｅ４㊀ＳｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒａｓｐｈａｌｔＤＧ掺量／％上部软化点值／ħ下部软化点值／ħ软化点差值／ħ０．０４８．０４８．００．００．４４９．２５０．１０．９㊀㊀如果沥青试样上部和下部软化点差值大于２．５ħ，则认为改性沥青出现离析现象㊂从表４可以看出，当ＤＧ掺量为０％时，由于沥青内尚未加入改性材料，沥青上部软化点值和下部软化点值并未产生变化㊂但是，加入ＤＧ后沥青上部软化点值和下部软化点值开始存在差异㊂当ＤＧ掺量为０．４％时，沥青上部和下部的软化点差值为０．９ħ，相比于其上部软化点值，ＤＧ改性沥青下部软化点增加了约１．８％㊂这主要是由于ＤＧ能够吸附沥青中的活性轻质组分，随着沥青静置时间的延长，ＤＧ层状结构吸附沥青轻组分的数量增加，且逐渐向下沉淀㊂沥青温度逐步冷却至室温后，最终导致沥青的上部软化点值和下部软化点值产生较大差异㊂虽然ＤＧ的加入增加会导致其与沥青的相容性降低，但是在本研究选定０．４％的ＤＧ掺量下，ＤＧ改性沥青的软化点差值为０．９ħ，仍符合ＪＴＧＦ４０２００４‘沥青路面施工技术规范“对改性沥青软化点差值小于２．５ħ的存储稳定性要求㊂２．２㊀石墨烯对沥青黏韧性影响沥青的黏韧性包括黏弹性和韧性㊂为了比较７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的黏韧性，对两种沥青试样进行了黏韧性试验，试验结果如图３所示㊂图３㊀７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的黏韧性曲线Ｆｉｇ．３㊀Ｔｈｅｖｉｓｃｏ⁃ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｃｕｒｖｅｓｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ从图３可以看出，荷载从零增加至峰值的阶段为黏结变形阶段，此阶段的变形曲线呈直线，类似于弹性变形㊂７０＃沥青与ＤＧ改性沥青在这一阶段的曲线重合度较高，说明７０＃沥青与ＤＧ改性沥青都具有较好的黏结力㊂但是，相比于７０＃沥青，ＤＧ改性沥青的峰值力较大，说明ＤＧ改性沥青具有相对较大的抗变形能力㊂荷载从峰值降低至零的阶段为拉伸变形阶段，此阶段是沥青的屈服阶段，表征了沥青的韧性㊂参照ＪＴＧＥ２０２０１１试验规程中的计算方法，７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的黏韧性分别为９．０１和１０．０８Ｎ㊃ｍ，黏弹性分别为７．３５和７．９５Ｎ㊃ｍ，韧性分别为１．６６和２．１３Ｎ㊃ｍ㊂另外，韧性比表示沥青韧性在黏韧性中的占比，７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的韧性比分别为０．１８和０．２１㊂从计算结果可以看出，ＤＧ改性沥青的黏韧性㊁黏弹性㊁韧性和韧性比均高于７０＃沥青，分别提高了１１．９％，８．２％，２８．３％和１６．７％，ＤＧ改性沥青表现出更好的黏韧性㊂韧性和黏韧性用于评价沥青的握裹力及黏结力，综合反映沥青的抗疲劳性能和高温稳定性㊂加入ＤＧ后增加了沥青的韧性和黏韧性，有效提高了沥青的高温稳定性，增强了沥青在高温下的抗变形能力［１７］㊂ＤＧ层状结构使其具有较大的比表面积，当其被沥青分子插层后，被插层ＤＧ在一定程度上抑制了沥青中轻组分的流动，致使ＤＧ改性沥青具有更好的韧性，而在路用性能上表现为针入度和延７５１林业工程学报第８卷度降低㊂另一方面，ＤＧ的大比表面积也增加了沥青的黏结强度，致使ＤＧ改性沥青具有更强的黏韧性㊂２．３㊀石墨烯对沥青拉伸性能的影响为了进一步探究ＤＧ改性沥青在拉伸状态下的力学性能增强效果，对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青进行直接拉伸试验，试验结果如图４所示㊂图４㊀７０＃沥青与ＤＧ改性沥青拉伸应力⁃应变曲线Ｆｉｇ．４㊀Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ⁃ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ从图４可以看出，在拉伸作用下７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的变形过程大致可分为３个阶段，分别为弹性变形阶段（ＯＡ１㊁ＯＡ２）㊁屈服阶段（Ａ１Ｂ１㊁Ａ２Ｂ２）和蠕变阶段（Ｂ１Ｃ１㊁Ｂ２Ｃ２）㊂在弹性变形阶段，应力⁃应变曲线近似于直线，此阶段的变形为短时间的弹性变形㊂加入ＤＧ后沥青材料的应力⁃应变曲线明显升高，曲线在弹性变形阶段的峰值应力提高了约６０．７％㊂ＤＧ改性沥青的曲线形状变得尖锐，且ＯＡ２的斜率明显大于ＯＡ１的斜率，这主要是因为是加入ＤＧ后导致沥青硬化，增加了沥青的刚度，沥青弹性变形阶段的峰值应力也随之提高［１８］㊂ＯＡ２的斜率增加表明ＤＧ改性沥青的应力⁃应变曲线变化速率增加，提高了ＤＧ改性沥青的弹性模量㊂沥青在此阶段的变形具有可恢复性，当拉力解除后沥青可产生一定程度的恢复变形㊂此阶段在相同应变条件下ＤＧ改性沥青能够承受更大的拉力，ＤＧ改性沥青表现出了更好的抗变形能力㊂在屈服阶段，应力达到峰值后随应变增加而降低，沥青内部应力达到屈服强度㊂被插层后的ＤＧ增强了沥青的最大拉应力，ＤＧ插层结构的产生也增加了沥青大分子的数量㊂但是由于ＤＧ的吸附作用，与７０＃沥青相比，ＤＧ改性沥青内大尺寸分子的体积相对减小㊂在所受应力较小时，均匀分布的ＤＧ插层结构提高了ＤＧ改性沥青的抗变形能力㊂当应力持续增加时，沥青内大尺寸分子周围产生了应力集中，较大的应力集中面积甚至会导致应力区域的叠加［１９］，使ＤＧ改性沥青的抗变形能力降低㊂另外，ＤＧ改性沥青曲线的下降速率大于７０＃沥青的曲线下降速率，但是在相同的变形长度下，ＤＧ改性沥青的应力仍大于７０＃沥青，ＤＧ改性沥青在此阶段表现出了较强的韧性㊂屈服阶段后，应变持续增加直至沥青试样被拉断，沥青进入到蠕变阶段㊂在此阶段沥青发生塑性变形，试样中部窄段部分随着长度增加产生颈缩㊂在此阶段沥青试样分子结构由无序转化为有序，沥青内的被插层ＤＧ在变形持续增加时易产生滑动［２０］，导致ＤＧ改性沥青曲线的下降速率仍大于７０＃沥青，但是ＤＧ改性沥青的应力仍大于７０＃沥青㊂２．４㊀石墨烯对沥青微观形貌及组织结构的影响为了探究ＤＧ对沥青微观形貌及组织结构的影响，利用ＡＦＭ对７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的微观表面形貌和粗糙度进行了测试㊂７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的二维（２Ｄ）和三维（３Ｄ）ＡＦＭ图像如图５所示㊂从图５ａ和图５ｂ可以看出，７０＃沥青与ＤＧ改性沥青的表面形貌图都出现典型的蜂状结构，但是两种沥青蜂状结构的数量和形态大小存在明显差异㊂相比于ＤＧ改性沥青，７０＃沥青蜂状结构的长度和深度较大，但是在数量上明显少于ＤＧ改性沥青㊂当沥青质含量较多时，沥青表面会更容易形成蜂状结构㊂ＤＧ加入沥青后，具有较大表面能的ＤＧ能够吸附沥青中的轻组分，其充当新的蜂状结构，进而导致ＤＧ改性沥青的蜂状结构多于７０＃沥青㊂ＤＧ在沥青中的分散很大程度决定了ＤＧ改性沥青的受力形态，ＤＧ以片层结构的形式均匀地分布在沥青中，因ＤＧ具有较大的表面能，能够吸附并稳定沥青中的活性轻质组分㊂ＤＧ与７０＃沥青中的轻组分发生物理混合，促进了沥青质胶束和交联网络结构的形成，导致ＤＧ改性沥青中出现了更多数量的蜂状结构㊂而从图５ｃ和图５ｄ可以看出，无论７０＃沥青或ＤＧ改性沥青，其表面并非光滑平整的，二维形貌中的蜂状结构在三维形貌中表现为褶皱，７０＃沥青褶皱的高度和深度均大于ＤＧ改性沥青㊂沥青蜂状结构的形成主要可分为形成胶束核㊁吸附生长和收缩屈曲３个阶段㊂ＤＧ改性沥青中较大表面能的ＤＧ可以作为胶束核吸附轻组分，并形成稳定ＤＧ插层结构㊂这提高了ＤＧ改性沥青的黏度，并削弱了沥青质成核和生长的进程㊂同时，由于ＤＧ插层结构的形成，阻碍了轻组分的转化和聚集，稳８５１㊀第６期徐子航，等：石墨烯改性沥青路用性能提升及其机理沥青；ｂ）２Ｄ⁃ＤＧ改性沥青；ｃ）３Ｄ⁃７０沥青；ｄ）３Ｄ⁃ＤＧ改性沥青㊂图５㊀７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的ＡＦＭ表面形貌图像Ｆｉｇ．５㊀ＴｈｅＡＦＭｉｍａｇｅｓｏｆ７０＃ａｓｐｈａｌｔａｎｄＤＧｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ定的插层结构抑制了大尺寸蜂状结构的形成，使ＤＧ改性沥青表面生成更多小尺寸的蜂状结构［１１］㊂当温度恢复到室温时，沥青表面以蜂状结构为中心产生收缩屈曲，蜂状结构的暗区处于压缩状态，而亮区处于拉伸状态㊂７０＃沥青中少数量㊁大尺寸的蜂状结构易产生应力集中的情况，导致７０＃沥青蜂状结构周围的力学性能大幅度降低㊂ＤＧ改性沥青由于插层结构形成了数量较多且尺寸较小的蜂状结构，使得ＤＧ改性沥青的表面形貌较为平整均匀，在应力作用下具有更好的力学性能㊂利用分析软件ＮａｎｏＳｃｏｐｅＡｎａｌｙｓｉｓ１．７可以直接得到７０＃沥青和ＤＧ改性沥青的均方根粗糙度（Ｒｑ）分别为６．５２和６．４９ｎｍ，平均粗糙度（Ｒａ）分别为３．３３和３．００ｎｍ，最大粗糙度深度（Ｒｍａｘ）分别为１２６和１２８ｎｍ㊂从分析结果可以看出，ＤＧ改性沥青的Ｒｑ和Ｒａ均小于７０＃沥青，说明加入ＤＧ降低了沥青表面的粗糙度㊂沥青材料的表面粗糙度与其自身黏附性能具有较高的相关性，粗糙度较大的沥青具有更优的黏附性能［２１］㊂加入ＤＧ会降低沥青的针入度和延度，使沥青变硬，相比于７０＃沥青，ＤＧ改性沥青的黏附性能变差㊂加入ＤＧ显著地影响了蜂状结构的生长进程，由于ＤＧ在沥青中形成了插层结构，以ＤＧ插层结构为中心形成了新的蜂状结构；同时，ＤＧ改性沥青的黏韧性较大，限制了以沥青质为中心的蜂状结构的生长，导致ＤＧ改性沥青的Ｒａ小于７０＃沥青㊂因为ＤＧ改性沥青中插层结构存在少量的重叠，致使ＤＧ改性沥青的最大粗糙深度略大于７０＃沥青㊂３㊀结㊀论本试验利用经预处理石墨烯粉末制备了ＤＧ改性沥青，并研究了ＤＧ对沥青的常规物理性能㊁黏韧性㊁抗拉伸性能㊁微观形貌及组织结构的影响，揭示了ＤＧ改性沥青的力学及抗变形性能提升机理㊂主要研究结论如下：１）加入ＤＧ后沥青的针入度和延度分别降低了４．７％和２２．７％，沥青的软化点提高了１．７％㊂由于ＤＧ能够吸附沥青中的活性轻质组分，导致ＤＧ改性沥青的上部软化点值和下部软化点值存在差异，但是ＤＧ掺量为０．４％的改性沥青软化点差值仍符合测试规范的要求㊂２）ＤＧ改性沥青具有较好的黏韧性和韧性，因被插层后的ＤＧ抑制了沥青轻组分的流动，致使ＤＧ改性沥青具有较高的抗变形能力，在沥青的路用性能上表现为高温稳定性提高㊂ＤＧ的大比表面积增加了沥青的黏结强度，赋予ＤＧ改性沥青更强的黏韧性㊂３）加入ＤＧ提高了沥青的抗变形能力，使得ＤＧ改性沥青能承受较大的峰值应力㊂随着变形持续增加，在达到应力峰值后，ＤＧ改性沥青仍保９５１林业工程学报第８卷持较好的韧性㊂沥青内被插层ＤＧ的滑移增加了ＤＧ改性沥青的断裂延伸率，使ＤＧ改性沥青抗变形能力降低，但ＤＧ改性沥青的抗变形能力仍优于７０＃沥青㊂４）由于ＤＧ的吸附作用和ＤＧ插层结构的抑制作用，沥青内以ＤＧ插层结构为中心形成了新的蜂状结构，导致ＤＧ改性沥青表面产生数量更多而体积较小的蜂状结构㊂因为ＤＧ改性沥青中插层结构存在少量的堆叠，致使ＤＧ改性沥青的最大粗糙深度略大于７０＃沥青㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］ＬＩＲＹ，ＸＩＡＯＦＰ，ＡＭＩＲＫＨＡＮＩＡＮＳ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｎａｓｐｈａｌｔｍａｔｅｒｉａｌｓ：ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１７，１４３：６３３－６４８．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１７．０３．１５８．［２］黄伊琳，梁立喆，田植群，等．石墨烯改性沥青的研究及工程应用［Ｊ］．化工新型材料，２０２０，４８（８）：２４４－２４８，２５３．ＤＯＩ：１０．１９８１７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１００６－３５３６．２０２０．０８．０５３．ＨＵＡＮＧＹＬ，ＬＩＡＮＧＬＺ，ＴＩＡＮＺＱ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ［Ｊ］．ＮｅｗＣｈｅｍｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２０，４８（８）：２４４－２４８，２５３．［３］ＨＥＨＱ，ＨＵＪＬ，ＬＩＲ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃａｎａｎｏｆｌｕｉｄｓｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２１，２７３：１２２０４６．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎ⁃ｂｕｉｌｄｍａｔ．２０２０．１２２０４６．［４］ＹＡＮＧＱＬ，ＱＩＡＮＹ，ＦＡＮＺＰ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇｔｈｅｓｙｎｅｒｇｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏ⁃ｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂｉｔｕｍｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２０２１，１７２：４０２－４１３．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃａｒｂｏｎ．２０２０．１０．０２０．［５］ＬＩＸ，ＷＡＮＧＹＭ，ＷＵＹＬ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｓｐｈａｌｔｗｉｔｈｇｒａｐｈｅｎｅａｓｍｏｄｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２１，２７２：１２１９１９．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０２０．１２１９１９．［６］葛启鑫，徐文远，武鹤．氧化石墨烯⁃ＳＢＳ复合改性沥青的高低温性能［Ｊ］．林业工程学报，２０２２，７（４）：１５８－１６５．ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２１１０００５．ＧＥＱＸ，ＸＵＷＹ，ＷＵＨ．Ｓｔｕｄｙｏｎｈｉｇｈ⁃ａｎｄｌｏｗ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ／ＳＢＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２２，７（４）：１５８－１６５．［７］ＺＨＡＮＧＬ，ＺＨＡＮＧＦＬ，ＨＵＡＮＧＫ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｐｅｒ⁃ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｎａｎｏｐｌａｔｅｌｅｔｓ⁃ｍｏｄｉｆｉｅｄｅｐｏｘｙａｓｐｈａｌｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＦａｃｉｌｉｔｉｅｓ，２０２１，３５（６）：０４０２１０８３．ＤＯＩ：１０．１０６１／（ａｓｃｅ）ｃｆ．１９４３－５５０９．０００１６６１．［８］程承，陶桂祥，王琦，等．木质素改性沥青高温性能试验［Ｊ］．林业工程学报，２０１９，４（１）：１４１－１４７．ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０１９．０１．０２１．ＣＨＥＮＧＣ，ＴＡＯＧＸ，ＷＡＮＧＱ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｌｉｇｎｉｎ⁃ｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，４（１）：１４１－１４７．［９］ＺＨＡＯＺＧ，ＷＵＳＰ，ＬＩＵＱＴ，ｅｔａｌ．Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇｗａｓｔｅｄｉｓｐｏｓａｂｌｅｍｅｄｉｃａｌｍａｓｋｓｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｓｐｈａｌｔａｎｄａｓｐｈａｌｔｍｉｘｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２２，３３７：１２７６２１．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０２２．１２７６２１．［１０］ＺＨＡＮＧＥＨ，ＳＨＡＮＬＹ，ＱＩＸＦ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｒｅｌａ⁃ｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｓｕｓｉｎｇａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＡＦＭ）［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２２，３４３：１２８００１．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０２２．１２８００１．［１１］ＺＨＵＪＣ，ＺＨＡＮＧＫ，ＬＩＵＫＦ，ｅｔａｌ．ＡｄｈｅｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｕｎｖｅｉｌｅｄｂｙｓｕｒｆａｃｅｆｒｅｅｅｎｅｒｇｙａｎｄＡＦＭ⁃ｓｃａｎｎｅｄｍｉｃｒｏ⁃ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２０，２４４：１１８４０４．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎ⁃ｂｕｉｌｄｍａｔ．２０２０．１１８４０４．［１２］ＬＩＸ，ＷＡＮＧＹＭ，ＷＵＳＪ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｒｍａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎａｇｉｎｇｏｆａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒ［Ｊ］．ＣａｓｅＳｔｕｄｉｅｓｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２２，１６：ｅ００９７１．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｓｃｍ．２０２２．ｅ００９７１．［１３］ＭＯＲＥＮＯ⁃ＮＡＶＡＲＲＯＦ，ＳＯＬ⁃ＳÁＮＣＨＥＺＭ，ＧÁＭＩＺＦ，ｅｔａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１８，１８０：２６５－２７４．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１８．０５．２５９．［１４］ＬＩＵＺ，ＧＵＸＹ，ＤＯＮＧＸＹ，ｅｔａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔ：ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐｒｏａｃｈｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＣａｓｅＳｔｕｄｉｅｓｉｎＣｏｎ⁃ｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２３，１８：ｅ０１７４９．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｓｃｍ．２０２２．ｅ０１７４９．［１５］ＹＡＮＧＬ，ＺＨＯＵＤＨ，ＫＡＮＧＹ．Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａ⁃ｐｈｅｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｓ［Ｊ］．Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０２０，１０（１１）：２１９７．ＤＯＩ：１０．３３９０／ｎａｎｏ１０１１２１９７．［１６］张海涛，吴广源．不同改性沥青高低温流变性能对比［Ｊ］．林业工程学报，２０２２，７（２）：１７４－１７９．ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２１０６００５．ＺＨＡＮＧＨＴ，ＷＵＧＹ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｍｏｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔａｔｈｉｇｈａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２２，７（２）：１７４－１７９．［１７］ＳＩＮＧＨＤ，ＫＵＩＴＹＡ，ＧＩＲＩＭＡＴＨＳ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｈｅｍｉｃａｌ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ａｎｄｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓｉｎＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，３２（１１）：０４０２０３２３．ＤＯＩ：１０．１０６１／（ａｓｃｅ）ｍｔ．１９４３－５５３３．０００３３８５．［１８］ＸＵＪＱ，ＹＡＮＧＥＨ，ＬＵＯＨＹ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗａｒｍｍｉｘａｄｄｉ⁃ｔｉｖｅｓｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｕｃｔｉｌｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２０，２３８：１１７７４６．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１９．１１７７４６．［１９］ＤＩＮＧＨＢ，ＲＡＨＭＡＮＡ，ＬＩＱＳ，ｅｔａｌ．Ａｄｖａｎｃｅｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｓｐｈａｌｔｍａｓｔｉｃｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｏｕｒｍａｌｉｎｅｍｏｄｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１７，１５０：５２０－５２８．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１７．０５．２０３．［２０］ＫＨＡＮＡＮ，ＨＥＳＰＳＡＭ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｍａｌ，ｒｈｅｏ⁃ｌｏｇｉｃａｌａｎｄｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｇｒａｄｉｎｇｏｆａｓｐｈａｌｔｃｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１９，２２０：１９６－２０５．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１９．０５．１８７．［２１］ＷＡＮＧＭ，ＬＩＵＬＰ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｃａｌｅａｇｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｓｐｈａｌｔｂｉｎｄｅｒｓｕｓｉｎｇａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１７，１３５：４１１－４１９．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃｏｎｂｕｉｌｄｍａｔ．２０１６．１２．１８０．（责任编辑㊀田亚玲）０６１。

氧化石墨烯改性水性环氧防腐涂料的制备及性能研究

2019年第2期金属腐蚀造成了资源和能源的严重浪费，据统计全世界每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料，约相当于金属年产量的20%，而我国因金属腐蚀造成的损失约为GDP 的4%[1]。

因此，金属材料的腐蚀及防腐问题一直备受人们的关注。

防止金属腐蚀的方法主要有提高金属材料的内在耐蚀性能，涂、镀非金属或金属保护层，电化学保护、改善腐蚀环境或在介质中加入缓蚀剂或腐蚀抑制剂[2]等。

其中在金属表面涂覆有机非金属防腐涂料是迄今为止最容易实现、防护效果最好的保护措施。

目前，在金属材料表面涂覆防腐蚀涂层普遍采取的是溶剂型涂料，但是其中VOC 含量高，甚至还含有一些重金属，导致了严重的环境污染问题。

随着政策对环保的要求日益严苛，水性涂料以水为分散介质，因其产品无气味，VOC 含量低、绿色环保等优点逐渐成为涂料的主要发展方向和研究重点[3]。

然而水性涂料防腐性能远不如溶剂型涂料，因为在成膜过程中，水性涂层中保留了亲水性基团，从而降低了蒸汽扩散的屏蔽能力和防潮能力。

因此，为了提高水性涂料的耐蚀性，必须添加缓蚀剂或填料[4]。

石墨烯因其独特的纳米结构、优异的物理性能、大的比表面积、超疏水性能和与聚合物基体的良好相容性等在很多领域得到了广泛的应用，研究表明将石墨烯填料加入到水性涂料中，可以填充树脂缺陷，有效防止金属腐蚀[5,6]，但由于石墨烯片层之间强烈的π-π作用导致团聚、形成缺陷，无法阻隔腐蚀介质的浸入。

因此，将石墨烯实施表面氧化处理后与有机物反应通过共价键相连形成改性填料，改性后的石墨烯与环氧树脂之间相容性好，再通过机械混合、分散、固化得到不同石墨烯含量的环氧涂层，对涂层的氧化石墨烯改性水性环氧防腐涂料的制备及性能研究*邹静（陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安710300）摘要：水性涂料因VOC 含量低，绿色环保等是目前涂料的重点研究方向之一，利用氧化石墨烯的亲水性、防腐蚀性能等将其对水性环氧树脂乳液进行改性，制备得到了氧化石墨烯改性水性环氧防腐涂料。

石墨烯及其衍生物改性沥青的研究进展

石墨烯及其衍生物改性沥青的研究进展
吴智恒;黄伊琳;毕雁冰;梁立喆;归立发;李卫庆;沈培康;田植群
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)1
【摘要】石墨烯及其衍生物等新型纳米碳材料,因其优异的力学性能、巨大的比表面积和良好的导电导热性能等性质,作为纳米改性剂在沥青领域得到了重点关注,可显著提高改性沥青的高低温性能以及抗疲劳性能,有望解决传统改性沥青耐久性差的问题。

本文系统总结了石墨烯及其衍生物改性沥青的最新研究进展,从石墨烯结构和表面特性的角度重点评述了石墨烯含量、层数、孔缺陷、表面化学态对沥青改性效果的影响及改性机理,同时介绍了石墨烯改性沥青的实际工程应用情况。

最后针对石墨烯改性沥青性能与两者之间的相容性的依赖关系,提出了利用孔缺陷和元素掺杂石墨烯促进石墨烯在沥青中的分散及相容性的研究新策略。

【总页数】9页(P57-65)
【作者】吴智恒;黄伊琳;毕雁冰;梁立喆;归立发;李卫庆;沈培康;田植群
【作者单位】省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室;广西大学物理科学工程技术学院可再生能源协同创新中心;广西壮族自治区交通运输厅;广西正路机械科技股份有限公司;广西正通工程技术有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U414
【相关文献】
1.石墨烯改性沥青研究进展
2.石墨烯衍生物氧化石墨烯的制备及应用研究进展
3.氧化石墨烯改性沥青研究进展
4.石墨烯及其衍生物的理化性质和应用研究进展
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浅析沥青流变性及其影响因素

浅析沥青流变性及其影响因素在高速公路建设如火如荼的今天，沥青路面里程与日俱增，沥青在高速公路的路面使用性能、服务寿命中起着举足轻重的作用。

沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，加之行车荷载的作用，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。

抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。

2沥青及改性沥青的流变性2.1沥青流变性沥青具有强烈依赖温度的流变性能，其流变性受沥青各个组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）之间物理—化学相互作用的制约。

饱和分主要由正构烷烃、异构烷烃和环烷烃组成，其平均相对分子质量在500～800之间，芳香分主要是一些带环烷和长链烷基的芳香烃，平均相对分子质量在800～1000之间，胶质也称极性芳烃，平均相对分子质量在1300～1800之间，沥青质是沥青胶体体系的核心，平均相对分子质量在数千到一万之间，是高度缩合的芳香烃。

沥青中高分子量的成分比重越大，则流变性越差。

2.2 改性沥青流变性SBS改性沥青是目前国内外应用最广泛的聚合物改性沥青，由于能同时改善沥青的高低温性能且价格便宜，因此在道路改性沥青中占有很大的份额。

但SBS 改性沥青在流变性质方面存在非常复杂的变化，其粘度和软化点的变化幅度较大，这种现象在其它改性沥青(如PE、EVA、SBR改性沥青)中很少见。

对其中一些现象国外已有所报道，但并未作深入研究，由此导致了许多不同的观点，阻碍了对SBS改性沥青的深入研究和正确评价。

改性沥青的流变性具有两个显著特点，一是变化复杂，二是影响因素众多。

(1)SBS改性沥青流变性质的复杂变化SBS改性沥青的流变性质易受到各种因素的影响，如基质沥青、改性剂种类、改性剂掺量(为改性剂质量与沥青质量之比)、SBS的性质、改性沥青制作的混合时间、温度及存贮过程等，并且这些因素对改性沥青的软化点会产生20～30℃的影响，而这些因素对其它聚合物改性沥青软化点的影响则要小得多，基本在5℃以下，一般不超过10℃。

胺基改性氧化石墨烯对沥青性能影响探究

胺基改性氧化石墨烯对沥青性能影响探究许多纳米颗粒在沥青中表现出优良的混融、增强和增韧性，能改善沥青混合料路用性能。

而氧化石墨烯就是一种二维层片状的纳米材料，因巨大的比表面积和丰富的官能团而具有优异的复合性能，但较差的亲油性限制了其应用。

氧化石墨烯中羧酸能与胺作用生成铵盐，加热脱水生成酰胺，酰胺键可以将氧化石墨烯与胺类连接起来，从而氧化石墨烯表面的胺和酰胺基团能与沥青质中稠环芳香薄片上的羧基产生化学吸附作用。

另一方面，高强剪切力作用下，胺基改性氧化石墨烯时未反应的氧化石墨断裂片层的残缺表面、断键，和沥青大分子发生化学键断裂产生的不饱和键、自由基团等，都能增加改性氧化石墨烯与沥青分子之间的吸附。

因此，经胺基改性的氧化石墨烯能在沥青中形成稳定的分散体系，从而对沥青起到更好的改性作用。

1、实验1.1 材料及设备1.1.1 材料氧化石墨烯（GO）：自制；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）：分析纯；2-（7-偶氮苯并三氮唑）-N，N，N'，N'-四甲基脲六氟磷酸酯（HATU）分析纯；十八胺（OA）：化学纯；乙二胺（EA）：无水，含量≥99.0%；无水乙醇：分析纯；沥青：70#基质沥青。

1.1.2 设备及仪器精密增力电动搅拌器、数显恒温油浴锅、超声波清洗机、回流冷凝管、电热鼓风干燥箱、三口烧瓶（500ml）、离心机、荧光显微镜、傅里叶转换红外光谱仪。

1.2 实验方法1.2.1氧化石墨烯的改性及分散性测试对比1）用酸碱滴定法确定GO与EA和OA的质量比分别为1：0.36、1：1.6。

2）在三口烧瓶中加入300mg的GO和100ml的DMF，在30℃下超声1h后加入200ml的EA或0.6g的OA，再超声1h，加入20mg的偶联剂HATU，继续超声10min；3）混合均匀后将三口烧瓶置于数显恒温油浴锅中，120℃下搅拌反应8h；4）待反应完成，将混合液体用无水乙醇离心洗涤，每次离心后除去上层清液，直至过量的反应物被除去；5）将所得样品在鼓风干燥箱中60℃烘干至恒重得到改性产物EA-GO和OA-GO；6）将未经改性的GO及改性GO不同固体样品分别与溴化钾粉末混合压片，红外射线透射，对其进行红外光谱测定，分辩率8cm-1，扫描范围4000～400cm-1；7）取一定量EA-GO和OA-GO分别加入水和煤油中，先剪切分散30min，再静置24h后观察改性GO的亲油性。

氧化石墨烯改性沥青与表面各向异性集料界面相互作用研究

氧化石墨烯改性沥青与表面各向异性集料界面相互作用研究作者：康馨蒋明奕马雄鹰刘晓明杨树来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第09期摘要：在原子尺度上探究了干燥與水分入侵环境下氧化石墨烯（GO）改性沥青与表面各向异性集料界面黏附性能. 采用分子动力学模拟方法研究了GO改性12组分沥青分别与典型弱碱性集料方解石和酸性集料α-石英的各向异性晶面的分子相互作用. 在验证模型密度、热力学参数合理的基础上，以径向分布函数和相对浓度表征了沥青组分与GO在集料表面的分布和浓度情况. 另外，计算体系黏附能分析了不同条件下GO改性沥青-集料界面黏附性能的差异. 结果表明，GO分子由于其较大的比表面积和表面修饰活性位置，相比沥青其他组分大量聚集在沥青-集料界面之间，结合矿物不同表面原子密度和离子活性，无论是集料处于干燥状态或被水分入侵时，GO改性均显著提高了沥青与集料之间的黏附性能. 由于Si原子在GO分子表面的高负载量，使得GO改性沥青与石英（一种酸性集料）比方解石（一种碱性集料）有更强的黏结强度.关键词：分子动力学;氧化石墨烯;改性沥青;各向异性;黏附性能中图分类号：U414 文献标志码：AStudy on Interface Interaction Between Graphene Oxide Modified Asphaltand Surface Anisotropic AggregateKANG Xin，JIANG Mingyi，MA Xiongying，LIU Xiaoming，YANG Shu（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）Abstract：In this study，the interfacial adhesion properties of graphene oxide（GO） modified asphalt to surface anisotropic aggregates were investigated at atomic scale in dry and water intrusion environments. Molecular dynamics simulation was used to study the molecular interaction between GO modified 12 component asphalt and the anisotropic crystal planes of typical weak alkali aggregate，calcite，and acid aggregate，α-quartz，respectively. On the basis of verifying that the density and thermodynamic parameters of the model are reasonable，the distribution and concentration of asphalt components and GO on the aggregate surface are characterized by Radial Distribution Function and Relative concentration Profile. In addition，the adhesion energy was used to calculate the difference of the adhesion performance of GO modified asphalt aggregate interface under different conditions. The results show that GO molecules，due to their large specific surface area and active sites of surface modification，are more concentrated in the interface between asphalt and aggregate than other components of asphalt. Combined with different surface atomic density and ionic activity of minerals，GO modified asphalt can significantly improve the adhesion between asphalt and aggregate in both dry and water intrusion environments. Due to the high loading of Si atoms on the surface of GO molecules，GO modified asphalt has stronger bond strength with quartz （an acidic aggregate） such as calcite （an alkaline aggregate）.Key words：molecular dynamics;graphene oxide; modified asphalt;anisotropy;adhesion properties沥青混合料由集料、矿粉和沥青结合料组成，广泛应用于道路工程建设领域[1]. 沥青路面由于其材料和结构组成的原因，容易出现疲劳开裂、车辙等多种路面病害，降低了沥青混合料的使用能力[1-2]. 其中，沥青混合料中沥青与集料的黏附性能对沥青混合料的结构稳定起着至关重要的作用，对沥青路面的服役表现有着重要的影响[3]. 因此，研究并改善沥青-集料界面的黏结强度，增强沥青混合料的力学性能，对于提高沥青路面的服役寿命至关重要.添加改性剂作为目前改善沥青混合料性能的主要手段，在工程中已得到大量的应用. 近些年，碳纳米改性剂对沥青混合料性能进行改良作为一种前沿热点技术正逐步得以实际应用[4]，其中实验与分析研究最为广泛的便是石墨烯系列材料. 稳定的二维单层石墨烯（Graphene）2005年由Novoselov等人[5]首次发现. 石墨烯的物理和电学性质在纳米材料中占有非常重要的地位. 在聚合物领域，石墨烯也得到了应用与发展. 据报道，它能显著改善聚合物的性能[6]. 然而，石墨烯受限于现有生产技术和较为昂贵的价格，不适合大规模生产和较大掺量的应用. 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的前驱体，便于大批量生产，价格低廉且继承了石墨烯诸多有益特性. GO通常被视为具有亲水性，因此在GO改性物质中，GO一般存在于两相界面之间，以达到降低界面能量壁垒作用[6]. GO可以显著提高多种聚合物（如羧化丙烯腈-丁二烯橡胶、聚丙烯和聚芳基硫醚）的物理性质. 除了不断提高的物理性能，GO 改性聚合物还具有气体阻隔特性. GO由于其高势能垒，多种气体（如He、O2、CO2等）会被GO屏蔽而不得穿过，该特性具有许多潜在的作用，如抑制聚合物的老化、抗裂等[6-8]，非常适合沥青等典型的黏弹性高分子化合物的改性，因此对GO改性沥青混合料的研究具有很高的理论意义和实际价值.沥青混合料中水分的存在降低了沥青与集料之間的黏结强度，导致沥青路面的水损害，并诱发其他路面病害[2]. Liu等[9]研究了沥青-集料界面系统在水分侵入条件下的界面开裂情况，发现水分的侵入导致沥青与集料表面分离是一个自发的过程. Júnior等[10]研究了水分对4种不同沥青混合料界面黏附的影响，证明了水分侵入沥青-集料界面会导致沥青从集料表面剥离. 前人的研究结果表明，通过对沥青-集料界面水分引起的黏结破坏的分析，可以揭示沥青混合料的水损害机理，为提高沥青路面的抗水性及耐久性提供理论依据.虽然如今实验手段得以飞速的进步，但由于沥青混合料复杂的内部结构和组分，实验方法在研究沥青-集料界面的微观相互作用时仍显得捉襟见肘. 近年来，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）作为一种新兴的表征物质间相互作用的模拟技术，已广泛地被研究者用来在原子尺度上揭示集料与沥青之间的分子相互作用. Yao等[11]建立了沥青-集料和集料-水模型来模拟界面黏附的机理，并证明沥青混合料中水损害是沥青-集料和集料-水界面之间黏附能的差异导致的. Luo等[12]通过分子动力学模拟了矿料的表面特性对界面黏附和水损害的影响，结果表明集料表面的各向异性对沥青和集料之间的黏附能有重要影响. Feng等[13]同样利用分子动力学模拟方法，研究了沥青混合料的黏附性能，发现集料和沥青之间的黏结能力取决于集料的矿物类型及晶面取向. Gao等[14]研究了沥青-集料界面的黏附能量组成，发现非键相互作用是影响集料与沥青黏附性能的主要因素，沥青-集料界面的抗水损害能力取决于矿物的表面物理化学性质.以上研究主要探讨了外界自由水侵入沥青-集料界面对沥青-集料黏结性能和抗水损害性能的影响，很少有运用分子动力学来研究集中在沥青混合料拌和初期集料由于干燥不充分导致的界面黏附性能下降现象. 在施工现场，沥青混合料的拌和过程中，很难保证集料的完全干燥，水分极易入侵混合料体系[10]. 因此，本文运用分子动力学模拟方法建立了沥青-集料界面体系，分析干燥与水分入侵条件下氧化石墨烯（GO）改性沥青与集料间的黏附能的变化规律.1 分子结构建模与仿真分析1.1 沥青分子模型沥青是一种多尺度复杂的化学混合物，主要由碳氢化合物和少量结构类似的杂环物质以及含有氮、硫和氧原子的活性官能团组成. 过去的研究人员通过多种方法建立了沥青分子模型来表征沥青的复杂物理化学性质. Yao等[11]采用3个组分来代表沥青的分子模型. 模型中沥青质、芳香烃和饱和烃的相对分子质量比例为：5 ： 27 ： 41. 其中，1，7-二甲基萘和二十二烷两种有机物分别代表芳香烃和饱和烃. Corbett[15]对沥青成分进行分析，沥青从溶解度差异上主要可以分为4个组分（饱和分、芳香分、胶质和沥青质（SARA））对沥青分子进行表征. 最新的沥青分子模型是由Li和Greenfield[16]在2014年提出的12组分沥青分子模型，该12组分沥青分子模型用来代表SHRP计划中的AAA-1沥青，被广泛用于沥青混合料相关的分子动力学仿真领域. 本文采用了该12组分沥青模型参数，如图1所示.本文使用分子动力学模拟软件Materials Studio 2019构建氧化石墨烯、沥青、沥青混合料分子模型并进行动力学计算. 在描述原子和分子之间的相互作用时，采用COMPASSⅡ力场来描述分子体系的相互作用势. COMPASSⅡ力场的参数来源于实验测试和从头算方法，原子间电荷来源于量子化学数据的拟合. COMPASSⅡ力场针对有机和无机材料有较好的覆盖范围，因此广泛用于沥青混合料体系力场的描述[12-13].利用MS中的非晶态单元模块采用蒙特卡洛方法建立了沥青12组分单体结构模型，并根据图1的组分比例建立了沥青的12组分混合模型. 之后，在沥青模型中，将初始密度设定为0.7 g/cm3，并采用等温等压系综（NPT，298.15 K，101.3 kPa），时间步长为1 fs，持续500 ps，以充分弛豫沥青模型体系. Andersen恒压器和Nose-Hoover恒温器分别控制恒压和恒温. 沥青的分子模型密度在300 ps后达到稳定，松弛过程中稳定在1.044 g/cm3，与实验相符[4，11]，密度时程曲线如图2所示.沥青作为一种黏弹性材料，在低温下呈现玻璃态行为，在高温下具有高黏性. 沥青的玻璃化转变温度（Tg）是一个特征温度，在玻璃化转变区间存在着从脆性玻璃状态到橡胶黏弹状态的可逆变化. 当温度低于Tg时，沥青的刚度较高，可变形能力下降. 因此，Tg与低温开裂密切相关. 分子动力学模拟采用自由体积理论，给出了Tg与比体积的关系. 然后，在80 ～ 600 K温度下进行了NPT系综模拟，比体积随温度的变化如图3所示. 从图3可以看出，随着温度的升高，比体积有增大的趋势，高温下比体积增大的速率高于低温下比体积的增长率. 分别对两个不同的脆性类玻璃区进行拟合，在黏弹性玻璃区得到交叉点温度为322.7 K，即为GO改性12组分沥青分子模型的玻璃化转变温度. 根据文献报道的实验结果，该模拟得到的玻璃化转变温度与实验结果吻合良好[12，17].添加改性剂作为目前改善沥青混合料性能的主要手段，在工程中已得到大量的应用. 近些年，碳纳米改性剂对沥青混合料性能进行改良作为一种前沿热点技术正逐步得以实际应用[4]，其中实验与分析研究最为广泛的便是石墨烯系列材料. 稳定的二维单层石墨烯（Graphene）2005年由Novoselov等人[5]首次发现. 石墨烯的物理和电学性质在纳米材料中占有非常重要的地位. 在聚合物领域，石墨烯也得到了应用与发展. 据报道，它能显著改善聚合物的性能[6]. 然而，石墨烯受限于现有生产技术和较为昂贵的价格，不适合大规模生产和较大掺量的应用. 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的前驱体，便于大批量生产，价格低廉且继承了石墨烯诸多有益特性. GO通常被视为具有亲水性，因此在GO改性物质中，GO一般存在于两相界面之间，以达到降低界面能量壁垒作用[6]. GO可以显著提高多种聚合物（如羧化丙烯腈-丁二烯橡胶、聚丙烯和聚芳基硫醚）的物理性质. 除了不断提高的物理性能，GO 改性聚合物还具有气体阻隔特性. GO由于其高势能垒，多种气体（如He、O2、CO2等）会被GO屏蔽而不得穿过，该特性具有许多潜在的作用，如抑制聚合物的老化、抗裂等[6-8]，非常适合沥青等典型的黏弹性高分子化合物的改性，因此对GO改性沥青混合料的研究具有很高的理论意义和实际价值.沥青混合料中水分的存在降低了沥青与集料之间的黏结强度，导致沥青路面的水损害，并诱发其他路面病害[2]. Liu等[9]研究了沥青-集料界面系统在水分侵入条件下的界面开裂情况，发现水分的侵入导致沥青与集料表面分离是一个自发的过程. Júnior等[10]研究了水分对4种不同沥青混合料界面黏附的影响，证明了水分侵入沥青-集料界面会导致沥青从集料表面剥离. 前人的研究结果表明，通过对沥青-集料界面水分引起的黏结破坏的分析，可以揭示沥青混合料的水损害机理，为提高沥青路面的抗水性及耐久性提供理论依据.虽然如今实验手段得以飞速的进步，但由于沥青混合料复杂的内部结构和组分，实验方法在研究沥青-集料界面的微观相互作用时仍显得捉襟见肘. 近年来，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）作为一种新兴的表征物质间相互作用的模拟技术，已广泛地被研究者用来在原子尺度上揭示集料与沥青之间的分子相互作用. Yao等[11]建立了沥青-集料和集料-水模型来模拟界面黏附的机理，并证明沥青混合料中水损害是沥青-集料和集料-水界面之间黏附能的差异导致的. Luo等[12]通过分子动力学模拟了矿料的表面特性对界面黏附和水损害的影响，结果表明集料表面的各向异性对沥青和集料之间的黏附能有重要影响. Feng等[13]同样利用分子动力学模拟方法，研究了沥青混合料的黏附性能，发现集料和沥青之间的黏结能力取决于集料的矿物类型及晶面取向. Gao等[14]研究了沥青-集料界面的黏附能量组成，发现非键相互作用是影响集料与沥青黏附性能的主要因素，沥青-集料界面的抗水损害能力取决于矿物的表面物理化学性质.以上研究主要探讨了外界自由水侵入沥青-集料界面对沥青-集料黏结性能和抗水损害性能的影响，很少有运用分子动力学来研究集中在沥青混合料拌和初期集料由于干燥不充分导致的界面黏附性能下降现象. 在施工现场，沥青混合料的拌和过程中，很难保证集料的完全干燥，水分极易入侵混合料体系[10]. 因此，本文运用分子动力学模拟方法建立了沥青-集料界面体系，分析干燥与水分入侵条件下氧化石墨烯（GO）改性沥青与集料间的黏附能的变化规律.1 分子结构建模与仿真分析1.1 沥青分子模型沥青是一种多尺度复杂的化学混合物，主要由碳氢化合物和少量结构类似的杂环物质以及含有氮、硫和氧原子的活性官能团组成. 过去的研究人员通过多种方法建立了沥青分子模型来表征沥青的复杂物理化学性质. Yao等[11]采用3个组分来代表沥青的分子模型. 模型中沥青质、芳香烃和饱和烃的相对分子质量比例为：5 ： 27 ： 41. 其中，1，7-二甲基萘和二十二烷两种有机物分别代表芳香烃和饱和烃. Corbett[15]对沥青成分进行分析，沥青从溶解度差异上主要可以分为4个组分（饱和分、芳香分、胶质和沥青质（SARA））对沥青分子进行表征. 最新的沥青分子模型是由Li和Greenfield[16]在2014年提出的12组分沥青分子模型，该12组分沥青分子模型用来代表SHRP计划中的AAA-1沥青，被广泛用于沥青混合料相关的分子动力学仿真领域. 本文采用了该12组分沥青模型参数，如图1所示.本文使用分子动力学模拟软件Materials Studio 2019构建氧化石墨烯、沥青、沥青混合料分子模型并进行动力学计算. 在描述原子和分子之间的相互作用时，采用COMPASSⅡ力场来描述分子体系的相互作用势. COMPASSⅡ力场的参数来源于实验测试和从头算方法，原子间电荷来源于量子化学数据的拟合. COMPASSⅡ力场针对有机和无机材料有较好的覆盖范围，因此广泛用于沥青混合料体系力场的描述[12-13].利用MS中的非晶态单元模块采用蒙特卡洛方法建立了沥青12组分单体结构模型，并根据图1的组分比例建立了沥青的12组分混合模型. 之后，在沥青模型中，将初始密度设定为0.7 g/cm3，并采用等温等压系综（NPT，298.15 K，101.3 kPa），时间步长为1 fs，持续500 ps，以充分弛豫瀝青模型体系. Andersen恒压器和Nose-Hoover恒温器分别控制恒压和恒温. 沥青的分子模型密度在300 ps后达到稳定，松弛过程中稳定在1.044 g/cm3，与实验相符[4，11]，密度时程曲线如图2所示.沥青作为一种黏弹性材料，在低温下呈现玻璃态行为，在高温下具有高黏性. 沥青的玻璃化转变温度（Tg）是一个特征温度，在玻璃化转变区间存在着从脆性玻璃状态到橡胶黏弹状态的可逆变化. 当温度低于Tg时，沥青的刚度较高，可变形能力下降. 因此，Tg与低温开裂密切相关. 分子动力学模拟采用自由体积理论，给出了Tg与比体积的关系. 然后，在80 ～ 600 K温度下进行了NPT系综模拟，比体积随温度的变化如图3所示. 从图3可以看出，随着温度的升高，比体积有增大的趋势，高温下比体积增大的速率高于低温下比体积的增长率. 分别对两个不同的脆性类玻璃区进行拟合，在黏弹性玻璃区得到交叉点温度为322.7 K，即为GO改性12组分沥青分子模型的玻璃化转变温度. 根据文献报道的实验结果，该模拟得到的玻璃化转变温度与实验结果吻合良好[12，17].添加改性剂作为目前改善沥青混合料性能的主要手段，在工程中已得到大量的应用. 近些年，碳纳米改性剂对沥青混合料性能进行改良作为一种前沿热点技术正逐步得以实际应用[4]，其中实验与分析研究最为广泛的便是石墨烯系列材料. 稳定的二维单层石墨烯（Graphene）2005年由Novoselov等人[5]首次发现. 石墨烯的物理和电学性质在纳米材料中占有非常重要的地位. 在聚合物领域，石墨烯也得到了应用与发展. 据报道，它能显著改善聚合物的性能[6]. 然而，石墨烯受限于现有生产技术和较为昂贵的价格，不适合大规模生产和较大掺量的应用. 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的前驱体，便于大批量生产，价格低廉且继承了石墨烯诸多有益特性. GO通常被视为具有亲水性，因此在GO改性物质中，GO一般存在于两相界面之间，以达到降低界面能量壁垒作用[6]. GO可以显著提高多种聚合物（如羧化丙烯腈-丁二烯橡胶、聚丙烯和聚芳基硫醚）的物理性质. 除了不断提高的物理性能，GO 改性聚合物还具有气体阻隔特性. GO由于其高势能垒，多种气体（如He、O2、CO2等）会被GO屏蔽而不得穿过，该特性具有许多潜在的作用，如抑制聚合物的老化、抗裂等[6-8]，非常适合沥青等典型的黏弹性高分子化合物的改性，因此对GO改性沥青混合料的研究具有很高的理论意义和实际价值.沥青混合料中水分的存在降低了沥青与集料之间的黏结强度，导致沥青路面的水损害，并诱发其他路面病害[2]. Liu等[9]研究了沥青-集料界面系统在水分侵入条件下的界面开裂情况，发现水分的侵入导致沥青与集料表面分离是一个自发的过程. Júnior等[10]研究了水分对4种不同沥青混合料界面黏附的影响，证明了水分侵入沥青-集料界面会导致沥青从集料表面剥离. 前人的研究结果表明，通过对沥青-集料界面水分引起的黏结破坏的分析，可以揭示沥青混合料的水损害机理，为提高沥青路面的抗水性及耐久性提供理论依据.虽然如今实验手段得以飞速的进步，但由于沥青混合料复杂的内部结构和组分，实验方法在研究沥青-集料界面的微观相互作用时仍显得捉襟见肘. 近年来，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）作为一种新兴的表征物质间相互作用的模拟技术，已广泛地被研究者用来在原子尺度上揭示集料与沥青之间的分子相互作用. Yao等[11]建立了沥青-集料和集料-水模型来模拟界面黏附的机理，并证明沥青混合料中水损害是沥青-集料和集料-水界面之间黏附能的差异导致的. Luo等[12]通过分子动力学模拟了矿料的表面特性对界面黏附和水损害的影响，结果表明集料表面的各向异性对沥青和集料之间的黏附能有重要影响. Feng等[13]同样利用分子动力学模拟方法，研究了沥青混合料的黏附性能，发现集料和沥青之间的黏结能力取决于集料的矿物类型及晶面取向. Gao等[14]研究了沥青-集料界面的黏附能量组成，发现非键相互作用是影响集料与沥青黏附性能的主要因素，沥青-集料界面的抗水损害能力取决于矿物的表面物理化学性质.以上研究主要探讨了外界自由水侵入沥青-集料界面对沥青-集料黏结性能和抗水损害性能的影响，很少有运用分子动力学来研究集中在沥青混合料拌和初期集料由于干燥不充分导致的界面黏附性能下降现象. 在施工现场，沥青混合料的拌和过程中，很难保证集料的完全干燥，水分极易入侵混合料体系[10]. 因此，本文运用分子动力学模拟方法建立了沥青-集料界面体系，分析干燥与水分入侵条件下氧化石墨烯（GO）改性沥青与集料间的黏附能的变化规律.1 分子结构建模与仿真分析1.1 沥青分子模型沥青是一种多尺度复杂的化学混合物，主要由碳氢化合物和少量结构类似的杂环物质以及含有氮、硫和氧原子的活性官能团组成. 过去的研究人员通过多种方法建立了沥青分子模型来表征沥青的复杂物理化学性质. Yao等[11]采用3个组分来代表沥青的分子模型. 模型中沥青质、芳香烃和饱和烃的相对分子质量比例为：5 ： 27 ： 41. 其中，1，7-二甲基萘和二十二烷两种有机物分别代表芳香烃和饱和烃. Corbett[15]对沥青成分进行分析，沥青从溶解度差异上主要可以分为4个组分（饱和分、芳香分、胶质和沥青质（SARA））对沥青分子进行表征. 最新的沥青分子模型是由Li和Greenfield[16]在2014年提出的12组分沥青分子模型，该12组分沥青分子模型用来代表SHRP计划中的AAA-1沥青，被广泛用于沥青混合料相关的分子动力学仿真领域. 本文采用了该12组分沥青模型参数，如图1所示.本文使用分子动力学模拟软件Materials Studio 2019构建氧化石墨烯、沥青、沥青混合料分子模型并进行动力学计算. 在描述原子和分子之间的相互作用时，采用COMPASSⅡ力场来描述分子体系的相互作用势. COMPASSⅡ力场的参数来源于实验测试和从头算方法，原子间电荷来源于量子化学数据的拟合. COMPASSⅡ力场针对有机和无机材料有较好的覆盖范围，因此广泛用于沥青混合料体系力场的描述[12-13].利用MS中的非晶态单元模块采用蒙特卡洛方法建立了沥青12组分单体结构模型，并根据图1的组分比例建立了沥青的12组分混合模型. 之后，在沥青模型中，将初始密度设定为0.7 g/cm3，并采用等温等压系综（NPT，298.15 K，101.3 kPa），时间步长为1 fs，持续500 ps，以充分弛豫沥青模型体系. Andersen恒压器和Nose-Hoover恒温器分别控制恒压和恒温. 沥青的分子模型密度在300 ps后达到稳定，松弛过程中稳定在1.044 g/cm3，与实验相符[4，11]，密度时程曲线如图2所示.沥青作为一种黏弹性材料，在低温下呈现玻璃态行为，在高温下具有高黏性. 沥青的玻璃化转变温度（Tg）是一个特征温度，在玻璃化转变区间存在着从脆性玻璃状态到橡胶黏弹状态的可逆变化. 当温度低于Tg时，沥青的刚度较高，可变形能力下降. 因此，Tg与低溫开裂密切相关. 分子动力学模拟采用自由体积理论，给出了Tg与比体积的关系. 然后，在80 ～ 600 K温度下进行了NPT系综模拟，比体积随温度的变化如图3所示. 从图3可以看出，随着温度的升高，比体积有增大的趋势，高温下比体积增大的速率高于低温下比体积的增长率. 分别对两个不同的脆性类玻璃区进行拟合，在黏弹性玻璃区得到交叉点温度为322.7 K，即为GO改性12组分沥青分子模型的玻璃化转变温度. 根据文献报道的实验结果，该模拟得到的玻璃化转变温度与实验结果吻合良好[12，17].添加改性剂作为目前改善沥青混合料性能的主要手段，在工程中已得到大量的应用. 近些年，碳纳米改性剂对沥青混合料性能进行改良作为一种前沿热点技术正逐步得以实际应用[4]，其中实验与分析研究最为广泛的便是石墨烯系列材料. 稳定的二维单层石墨烯（Graphene）2005年由Novoselov等人[5]首次发现. 石墨烯的物理和电学性质在纳米材料中占有非常重要的地位. 在聚合物领域，石墨烯也得到了应用与发展. 据报道，它能显著改善聚合物的性能[6]. 然而，石墨烯受限于现有生产技术和较为昂贵的价格，不适合大规模生产和较大掺量的应用. 氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的前驱体，便于大批量生产，价格低廉且继承了石墨烯诸多有益特性. GO通常被视为具有亲水性，因此在GO改性物质中，GO一般存在于两相界面之间，以达到降低界面能量壁垒作用[6]. GO可以显著提高多种聚合物（如羧化丙烯腈-丁二烯橡胶、聚丙烯和聚芳基硫醚）的物理性质. 除了不断提高的物理性能，GO 改性聚合物还具有气体阻隔特性. GO由于其高势能垒，多种气体（如He、O2、CO2等）会被GO屏蔽而不得穿过，该特性具有许多潜在的作用，如抑制聚合物的老化、抗裂等[6-8]，非常适合沥青等典型的黏弹性高分子化合物的改性，因此对GO改性沥青混合料的研究具有很高的理论意义和实际价值.沥青混合料中水分的存在降低了沥青与集料之间的黏结强度，导致沥青路面的水损害，并诱发其他路面病害[2]. Liu等[9]研究了沥青-集料界面系统在水分侵入条件下的界面开裂情况，发现水分的侵入导致沥青与集料表面分离是一个自发的过程. Júnior等[10]研究了水分对4种不同沥青混合料界面黏附的影响，证明了水分侵入沥青-集料界面会导致沥青从集料表面剥离. 前人的研究结果表明，通过对沥青-集料界面水分引起的黏结破坏的分析，可以揭示沥青混合料的水损害机理，为提高沥青路面的抗水性及耐久性提供理论依据.虽然如今实验手段得以飞速的进步，但由于沥青混合料复杂的内部结构和组分，实验方法在研究沥青-集料界面的微观相互作用时仍显得捉襟见肘. 近年来，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）作为一种新兴的表征物质间相互作用的模拟技术，已广泛地被研究者用来在原子尺度上揭示集料与沥青之间的分子相互作用. Yao等[11]建立了沥青-集料和集料-水模型来模拟界面黏附的机理，并证明沥青混合料中水损害是沥青-集料和集料-水界面之间黏附能的差异导致的. Luo等[12]通过分子动力学模拟了矿料的表面特性对界面黏附和水损害的影响，结果表明集料表面的各向异性对沥青和集料之间的黏附能有重要影响. Feng等[13]同样利用分子动力学模拟方法，研究了沥青混合料的黏附性能，发现集料和沥青之间的黏结能力取决于集料的。

氧化石墨烯对SBS改性沥青流变及抗老化性能的影响研究

氧化石墨烯对SBS改性沥青流变及抗老化性能的影响研究杨同伟
【期刊名称】《合成材料老化与应用》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】为研究氧化石墨烯用量对于SBS改性沥青性能的影响,采用三大指标和存储稳定性试验分析复合改性沥青的常规性能,并利用动态剪切流变仪和低温小梁弯曲流变仪分析复合改性沥青的高温和低温流变性能,最后采用短期老化和长期老化评价其耐老化性能。

试验结果表明,掺入GO可改善SBS改性沥青的黏稠性、温度敏感性和低温延展性,并提高其储存稳定性;在相同温度下,掺入一定量GO可明显增强其高温抗变形和抗车辙能力,但同时降低了低温应力松弛能力和抗开裂能力;无论短期老化还是长期老化,掺入GO后均可以降低SBS改性沥青的老化程度,改善其耐老化性能。

综合改善效果和经济性,其GO用量建议不高于0.5%。

【总页数】4页(P63-65)
【作者】杨同伟
【作者单位】郑州路桥建设投资集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U414
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氧化石墨烯改性沥青结合料的性能

氧化石墨烯改性沥青结合料的性能朱俊材;李泉;刘克非【摘要】为了研究氧化石墨烯(GO)改性沥青结合料的性能,分别利用质量分数为0％、0.02％、0.05％和0.08％的GO掺加到AH-70#沥青和SBS改性沥青结合料中进行黏度实验,以及针入度、软化点和延度等3大指标实验和动态剪切流变(DSR)、多应力恢复蠕变(MSCR)、弯曲梁流变测试(BBR)等实验.结果表明:加入GO可显著提高沥青结合料的黏度、高温稳定性和抗车辙能力,但对低温抗裂性影响并不显著;明显降低沥青结合料的针入度,提高其软化点,但对延度的影响不大;不会明显改变沥青结合料的玻璃化转变温度,但可显著提高其交联密度;对基质沥青的改性效果优于SBS改性沥青,最佳掺量分别为0.05％和0.2％.【期刊名称】《中国粉体技术》【年(卷),期】2018(024)004【总页数】7页(P70-76)【关键词】道路工程;氧化石墨烯;沥青结合料;交联密度【作者】朱俊材;李泉;刘克非【作者单位】中南林业科技大学土木工程学院,湖南长沙410004;湖南云中再生科技股份有限公司,湖南长沙410007;中南林业科技大学土木工程学院,湖南长沙410004【正文语种】中文【中图分类】TB321;U214当前，越来越多的重载交通和复杂的气候条件使得道路使用者对路面性能的要求越来越高[1-2]，改性沥青结合料在高等级公路上的应用也越来越广泛[2-5]。

在众多的改性剂种类中，纳米改性剂在满足路面工业需求方面表现出了巨大的潜力，很多研究者分析了纳米材料（如纳米黏土、纳米氧化锌、纳米二氧化钛和纳米二氧化硅等）改性沥青结合料的使用性能。

研究结果表明，纳米材料可极大地提高沥青结合料的力学性能、抗老化性能和耐久性[6-10]。

沥青材料本身由许多有机分子组成，其化学组成极其复杂且可与各种类型的改性剂发生反应，因此，尚需深入研究不同类型纳米材料对沥青的改性效果。

与其他纳米材料相比，氧化石墨烯（GO）具有独特的准二维层状结构，层间距为0.7～1.2 nm。