一种石墨烯对沥青粘韧性提升机理的研究方法

摘要

本发明提供一种石墨烯对沥青粘韧性提升机理的研究方法，属于沥青性能增强技术领域，从两相界面的结合能量和断裂所吸收的能量角度来研究改性沥青增韧机理，解决石墨烯改性沥青增韧机理研究方法中仅靠定性判断进行评价的问题。本发明首先对沥青试样进行粘韧性试验，获取粘韧性曲线及各力学性能指标，并通过计算公式进行分析；然后采用抗冲击试验和断裂韧性试验，得到沥青试样在室温条件下的冲击吸收功、承受的最大弯曲荷载和断裂韧性，利用扫描电镜及透射电子显微镜对断裂缺口形貌和晶格像进行观测；最后利用红外光谱分析和X射线衍射试验，研究化学键变化及石墨烯加入前后层间距变化，从而进一步揭示石墨烯对沥青粘韧性提升机理。

说明书

技术领域

本发明提供一种石墨烯对沥青粘韧性提升机理的研究方法，属于沥青性能增强技术领域。

背景技术

我国绝大部分高等级公路都采用了沥青材料铺筑路面，但普通石油沥青路面在易产生较多病害，如开裂、松散、车辙等，降低沥青路面使用寿命的同时，也严重影响车辆的正常通行能力。为改善沥青路面的路面性能，各种改性技术应运而生；掺入少量苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)作为改性剂的共混技术最常被采用。SBS改性剂因在高温、低温性能和抗疲劳性能等方面表现突出，其市场份额占改性沥青80％以上。但SBS聚合物由于其极性、相对分子质量和溶解度差异较大，与基质沥青的相溶性较差，出于改性效果和生产成本考虑，通常使用3～6wt％的SBS改性剂。同时，SBS改性沥青还存在制备条件要求较高、贮存过程中其稳定性较差等问题，使沥青及沥青混合料的质量不易控制，致使沥青路面在服役期间的正常使用受到影响。

2008年，哥伦比亚大学大学James Hone等人通过纳米压痕实验对单层石墨烯的力学性质进行了系统全面的研究，发现石墨烯是目前已知的力学强度最高的材料，且具有较强的韧性。在基质沥青中加入石墨烯材料，能提高沥青的瞬时弹性和降低其粘性成分，使得改性后的沥青在整个频率范围内具有良好的流动性和变形能力。利用石墨烯纳米板(GNP)作为添加剂，研究其对沥青结合料路面性能的影响。研究发现，GNP的大表面积增加了沥青结合料的粘结强度；同时GNP为路表面提供了纳米纹理，从而增强了其防滑性。

有学者通过研究发现石墨烯改性沥青的改性机理在渗透阈值不同。在渗透阈值前，石墨烯具有同沥青质相似的分子结构，石墨烯含量的增加，类似增加沥青组分，对沥青有促进作用；渗透阈值后，石墨烯由于形成了石墨烯网络，对改性沥青起积极作用。分析环氧树脂基体中加入未改性石墨烯的增韧机理，通过断裂面的扫描电镜图像看出，加入石墨烯后，其断裂面由光滑的形貌转变为粗糙弯曲，有典型韧性断裂的河流状花纹和此表面的断裂，且石墨烯有明显的脱粘和分层。石墨烯和碳纳米管的增韧机理都包括裂纹钉扎、裂纹偏转和搭桥，致使断裂过程中所需的能量上升，材料韧性增加；裂纹在萌发和发展期遇到纳米材料时，需要绕过或剪断纳米材料进行扩展，这将消耗裂纹扩展能量，进而抑制裂纹的的扩展。以氧化石墨烯为改性材料改善沥青基块体碳材料内部缺陷的问题，发现氧化石墨烯的添加使块体微裂纹区域面积明显减少，致密性提高，氧化石墨烯对沥青基块体材料致密化起钉扎和拉拽的作用。

目前对于石墨烯改性沥青增韧机理展开的研究中，大多数关注石墨烯的与沥青结合后的网状结构对强韧性的影响。基于现有增韧机理分析，石墨烯对沥青材料有物理吸附和钉扎、拉拽作用，致使改性沥青材料的开裂需要较大的能量。在此基础上，可以针对沥青与层状石墨烯的交错，在两相界面的结合能量和断裂所吸收的能量角度来分析改性沥青增韧机理，对沥青粘韧性提升的机理做进一步研究。

发明内容

(1)技术问题

本发明提供一种石墨烯对沥青粘韧性提升机理的研究方法，基于现有的物理吸附作用和钉扎、拉拽作用的增韧机理分析，从石墨烯和沥青两相界面的结合能量、断裂吸收能的角度来研究石墨烯对沥青的增韧机理，解决目前石墨烯改性沥青增韧机理的研究方法中仅依靠定性判断进行评价的问题，从而进一步揭示石墨烯对沥青粘韧性提升机理。

(2)技术方案

为了进一步对石墨烯改性沥青粘韧性提升机理进行研究，本发明首先对70号基质沥青和石墨烯改性沥青的粘韧性力学性能指标进行测试；再通过抗冲击试验，获得沥青试样在室温条件下的冲击吸收功；然后利用断裂韧性测试，对比基质沥青和石墨烯改性沥青所能承受的最大荷载和断裂韧性，并利用扫描电镜和透射电子显微镜分别对断裂缺口形貌和晶格像进行观察；再利用红外光谱分析和X射线衍射试验，研究改性沥青相关的化学键或官能团变化的信息及石墨烯粉体在沥青加入前后层间距的变化变化情况；综合上述试验结果，对石墨烯改性沥青粘韧性提升的机理分析。

本发明技术方案如下：选取70号基质沥青和石墨烯质量占沥青质量0.4％的石墨烯改性沥青进行粘韧性提升机理评价，对两种沥青分别进行粘韧性试验，获取两种沥青试样的粘韧性曲线及各力学性能指标，通过相应计算公式进行分析；再通过抗冲击试验(夏比冲击试验)和断裂韧性试验(单边切口梁弯曲试验)，得到沥青试样在室温条件下的冲击吸收功和承受的最大弯曲荷载，并利用扫描电镜及透射电子显微镜对断裂缺口形貌和晶格像进行观察；然后利用红外光谱分析和X射线衍射试验，研究改性沥青相关的化学键或官能团变化的信息及石墨烯粉体在沥青加入前后层间距的变化变化情况，分析石墨烯改性沥青化学键变化与韧性增强的关系；最后，综合两相界面的结合和断裂的能量变化及微观形貌的改变，对石墨烯改性沥青粘韧性提升的机理进行评价。

(3)有益效果

我国绝大部分高等级公路都采用了沥青材料铺筑路面，但普通石油沥青路面在易产生较多病害(开裂、松散、车辙等)，不少高等级公路在较短的几年时间内就产生了严重的结构性破坏，远远没有达到道路的设计年限，在降低沥青路面使用寿命的同时，也严重影响车辆的正常通行能力。基于流变特性和导热性的理念，由于石墨烯具有较高的导热性，将石墨烯作为填料加入到沥青中，在减少混合料车辙的同时，石墨烯改性沥青道路又可以作为解决城市热岛效应的可能方案之一。本发明提供一种石墨烯改性沥青粘韧性提升机理的评价方法，通过粘韧性试验、抗冲击试验和断裂韧性试验，从界面结合和断裂的能量变化角度分析石墨烯改性沥青粘韧性增强的原因，并对断裂缺口形貌和晶格像进行观察；然后分析石墨烯改性沥青化学键变化与韧性增强的关系。从两相界面的结合能量和断裂所吸收的能量角度来分析改性沥青增韧机理，进一步对石墨烯改性沥青粘韧性提升机理进行评价。

具体实施方式

本发明提供一种石墨烯对沥青粘韧性提升机理的研究方法，具体实施步骤如下：

(1)选取70号基质沥青和石墨烯掺量为沥青质量0.4％的改性沥青作为试样，采用沥青粘韧性试验仪分别对70号基质沥青和石墨烯改性沥青的粘韧性进行测试，获取拉伸长度与拉力之间的关系曲线，分别计算两种沥青试样的粘韧性指标(W)、粘弹性指标(W

(2)将70号基质沥青和石墨烯改性沥青制成夏比(CHARPY)冲击试验标准试样，试样的长、宽、高分别为550mm、100mm和100mm，在试件中央留有深度为2mm“V”形缺口，缺口为45°夹角，采用摆锤式冲击试验机在室温条件下进行抗冲击试验，将试件放置在冲击试验机上，使其处于简支梁的状态，再利用规定高度的摆锤对试样进行一次性冲击，记录冲击后的摆锤重新上升的高度，试验前后摆锤的高度差即为70号基质沥青和石墨烯改性沥青试样受冲击后的吸收功(W

(3)将70号基质沥青和石墨烯改性沥青制成长、宽(B)、高(W)分别为35mm、3mm和4mm的标准试件，进行单边切口梁弯曲试验，沥青试样底部中央留有宽度为0.1mm切口，切口深度(a)为2.4mm，采用三点弯曲法对两种沥青试件进行试验，底部跨距(S)为30mm，试件顶部中间加载速率为0.01mm/min，记录试件断裂时的临界荷载P

(4)将70号基质沥青与石墨烯改性沥青放于163℃的烘箱中保温30min，使沥青具有良好的流动状态，取3～5g沥青试样滴在载玻片上，将试样放置在ZnSe晶体板上进行红外光谱试验，采用中红外-反射模式进行测试，分辨率为4cm

(5)将70号基质沥青和石墨烯改性沥青进行X射线衍射试验，设置扫描速率为5°/min，扫描范围为5°～80°，分析沥青试样在加入石墨烯前后的微观结构变化，对70号基质沥青和石墨烯改性沥青的衍射峰位置、衍射峰强度及峰面积进行比较，分析石墨烯与沥青相容性对沥青粘韧性提升的影响；

(6)通过比较分析70号基质沥青和石墨烯改性沥青的冲击吸收功和断裂韧性指标，从能量消耗的角度定量评价石墨烯沥青的粘韧性提升效果，再利用傅里叶红外光谱试验和X射线衍射试验分析石墨烯对沥青化学键或官能团变化、微观相结构影响，揭示石墨烯对沥青粘韧性提升的机理。