石墨烯在道路材料中的应用与研究综述
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摘 要：近年来，人们对石墨烯产生了浓厚的兴趣，将其运用于物理、化学、材料等各个领域。但由于石墨烯制备成本高，大多应用于高精尖行业，而在道路方向的应用仍处于开发阶段。本文通过国内外调研，综述了石墨烯及氧化石墨烯的加入对道路材料的抗老化、高温和低温及抗裂等性能影响的研究现状。
关键词：石墨烯;道路工程;沥青
Abstract：In recent years，there has been great interest in graphene and its application in physics，chemistry，materials and other fields.However，due to the high cost of graphene preparation，most of its applications are in high-end industries，while its applications in the road direction are still in the development stage.In this paper，the effects of graphene and go on aging resistance，high temperature and low temperature resistance，crack resistance and other properties of road materials were reviewed.
Key words：graphene;road engineering;asphalt
引言
石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，自从英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功从石墨中分离出后，石墨烯被广泛应用于微纳加工、能源、生物医学和药物传递等领域。在交通和土木工程行业领域，石墨烯凭借其优异的力学性能、热稳定性能及与沥青相似的结构特征进入人们的视野。目前，国内外研究学者对于石墨烯加入沥青等路面材料所發生的改变有了一定的研究。
1 石墨烯改性材料国内外研究现状
1.1 国外研究现状：
2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov制取了世界上最薄的二维石墨烯材料。随后石墨烯在很多方面例如太阳能储能等方面有广泛的研究。但在路面结构材料方面的应用研究并不完善。
M. Marasteanu，J.-L. Le，M. Turos等人研究发现在-24℃条件下，当基质沥青加入6%的石墨烯后，其刚度增加了2倍左右。Habib等人通过向沥青胶结料中加入最低剂量的石墨烯（0.1125%和 0.225%）后，发现弹性模量有轻微的提高。当温度降低时，弹性模量的增加会逐渐明显。
Hafeez.M，Ahmad.N等人通过向沥青中加入含量为2%和4%的石墨烯纳米板，对其三大指标进行了研究。研究表明，针入度分别减少了34%和48%;当掺量为4%时，软化点提高了19%，掺量为2%时，影响并不明显。此外，还对改性沥青的抗车辙能力进行了研究：在55℃条件下掺入4%的石墨烯纳米板时，车辙深度从7.3mm降到4.7mm;在40℃条件下掺入2%的石墨烯纳米板时，车辙深度从2.8mm降到2.59mm。由此表明石墨烯纳米板的加入可以显著提高沥青的抗车辙能力。
El?bieta Horszczaruka，Ewa Mijowska等人采用原子力显微镜对养护28天后，掺入3%的氧化石墨烯的水泥复合材料的杨氏模量变化情况进行了研究。实验分成两组：A组为未掺入氧化石墨烯的水泥材料，B组为掺入后的水泥材料。实验结果发现A组的杨氏模量分布在1-10Gpa，B组在5-20Gpa之间，表明氧化石墨烯的加入可以提高水泥的力学性能。
Hongjian Du，Hongchen Jacey Gao等人通过向混凝土中加入石墨烯纳米板研究其抗氯离子侵蚀的能力。实验研究了混凝土养护14天和56天时，不同石墨烯纳米板含量下氯离子的渗透深度，结果发现，当石墨烯纳米板掺量增加到1.5%时，氯离子的渗透深度降到最小，与基准混凝土相比减少了60-70%，此时的氯离子迁移也降到最低，与基准混凝土相比下降了37%，这说明石墨烯纳米板有很好的抵抗氯离子侵蚀的能力。
1.2 国内研究现状
国内的学者对石墨烯在道路材料中的应用也进行了研究和实践，特别是近几年的研究，取得了一定的的成果。
世界首条石墨烯复合橡胶改性沥青路面在广西省南宁市南宁大桥桥面铺装维修中成功铺筑并投入使用。石墨烯的添加能有效降低路面温度，路面的高温动稳定度可以达到1万以上，低温抗裂性、路面粘结度、耐老化、抗车辙和抗剪切变形能力均有很大程度的提高，有效地解决钢箱梁桥面易出现的开裂、车辙、推移、脱层及拥包等病害。
武汉大学的曾文博和吴少鹏等人采用两种不同掺量氧化石墨烯对沥青进行改性，对其高温性能和低温性能进行了研究。广西大学的李晶等人对在沥青中加入石墨烯纳米片后的性能进行了研究，对针入度，软化点，延度这三大指标进行了比较。通过采用掺量在0.03%-0.07%之间，增量为0.01%的五组样品与非改性沥青进行对比，结果显示，当掺量为0.05%时，软化点达到最大，峰值为89.4℃，延度增加到24.9cm，增加了大约52.7%，表明在一定范围内，随着石墨烯纳米片掺量的增加，可以提高改性沥青的塑性，高温和低温性能。
中北大学的于瑞恩和祝锡晶等人，将氧化石墨烯/聚氨酯纳米复合材料应用于沥青改性中，在不同石墨烯掺量下，对15℃，0℃和-10℃下的应力应变分别进行了分析，0℃时发现基质沥青和加入氧化石墨烯后的改性沥青弹性模量基本相同，在温度降低后各沥青混合料模量普遍增大，但基质沥青与其余改性沥青相比增幅更显著，说明氧化石墨烯的加入，能抑制模量增长，提高低温抗裂性。当温度增高时，改性沥青混合料的破坏应力增大，韧性有所增强，提高了混合料的抗疲劳性能和耐久力。 2现状研究存在的不足
（1）目前主要集中在石墨烯加入沥青混合料后的性能变化，例如提升了沥青混合料的抗车辙性能，抗裂性能等，但是否可以考虑从石墨烯导电性能入手引入到对路灯的充电与新能源汽车的推广等方面的研究
（2）大量的实验只是将石墨烯类外加剂以单一的形式加入道路材料，未来可以将石墨烯与其他现有的技术成熟的改性想结合，探究其组合方式对道路材料的综合性影响。
3结语
现如今，国内外的研究团队将石墨烯加入沥青材料，主要还集中在研究其抗老化和高低温性能方面。研究发现随着石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯纳米板的加入，沥青混合料的抗车辙能力，弹性恢复能力，抗裂性能普遍升高。如今有关石墨烯加入道路材料的研究还主要集中在室内试验，还没有大规模的使用。不过随着我国南宁大桥路面的铺筑，为未来石墨烯规模化掺入路面材料提供了新的思路，积累了宝贵的经验。
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作者简介：杨博凯，1996.8，男，南京，硕士生，材料工程方向。
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