关键词：
石墨烯改性沥青
抗老化性能
力学性能增强机制
粘韧性增强机制
多次自愈合行为
摘要：
为了改善沥青的强度和粘韧性,减少沥青路面车辙、开裂、松散等病害,从而提高沥青路面的使用性能和耐久性,各种聚合物改性剂被广泛应用于沥青路面。而聚合物改性剂与沥青、沥青混合料的相容性难以控制,致使沥青路面在服役期间的正常使用性能受到消极影响。石墨烯是一种二维材料且具有极高的力学强度和韧性,将其添加到沥青材料中能重建沥青原有结构和改善沥青原有各项性能。鉴于此,本文选用石墨烯对沥青进行改性,制备了预处理石墨烯改性沥青,并对其常规物理性能及老化后性能指标进行了综合评价,揭示了石墨烯改性沥青的强韧性提升机制;然后探究了石墨烯添加方式对沥青混合料路用性能的影响规律,阐明了石墨烯改性沥青混合料的多次自愈合行为,为提高沥青路面的使用性能和耐久性提供技术支持,具有重要意义。首先,本文利用分散剂溶剂二甲亚砜(DMSO)和甲基吡咯烷酮(NMP)对石墨烯进行预处理,分别制得DMSO预处理后的石墨烯(DG)和NMP预处理后的石墨烯(NG),并采用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和荧光显微镜分别对处理后的石墨烯及其改性沥青进行微观特征分析,解决石墨烯在沥青中分散不均的问题。结果表明,由于DG改性沥青中C=C双键具有较高的键能,DG改性沥青具有较好的力学性能,且相较于NG和未经预处理的石墨烯粉体,DG能更加均匀地分散在沥青中。其次,对DG改性沥青的常规物理性能进行测试,并利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、凝胶渗透色谱仪和可见光-紫外光分光光度仪对沥青老化前后的表面形貌、化学官能团、分子量分布及可见光-紫外光吸收度的变化进行分析。结果发现,添加DG使沥青的针入度和延度降低,软化点升高。当掺量超过0.4%时,DG与沥青的相容性降低,但是离析试验的软化点差值仍满足规范的要求。0.4%掺量的DG可以有效抑制改性沥青老化过程中亚砜基的形成,并延缓沥青中小分子量分子向大分子量分子转化的进程,且拥有较低的紫外光吸收能力和较高紫外光的反射能力,因此推荐采用0.4%掺量的DG对沥青进行改性。然后,利用沥青直接拉伸试验和原子力显微镜试验分析DG改性沥青力学性能,对DG改性沥青的微观表面形貌、粗糙度、粘附力、杨氏模量和能量耗散进行测试和计算,进一步研究了DG改性沥青的力学性能增强机制。结果表明,添加DG提高了沥青杨氏模量,使DG改性沥青具有更好的抗变形能力。DG因自身较大的表面能,可以吸附沥青中的轻组分而形成插层结构。插层结构增加了DG改性沥青微观表面蜂状结构的数量,但由于插层结构限制了轻组分的流动,致使DG改性沥青蜂状结构的体积小于基质沥青,在微观力学指标上表现为粘附力和耗散能的降低。在受到拉伸作用时基质沥青中大体积的蜂状结构处易产生应力集中,使其力学性能降低,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,增强了DG改性沥青的力学性能。同时,从粘韧性变化和能量吸收角度对DG改性沥青的粘韧性增强机制进一步研究。利用X射线衍射试验、粘韧性试验、旋转粘度试验、夏比冲击试验和三点弯曲断裂试验对DG改性沥青的增韧机制进行研究。结果发现,DG改性沥青的层面间距增大说明DG与沥青形成插层结构,有效地限制了高温下沥青分子的流动,增强了DG改性沥青的粘韧性和粘度,使得DG改性沥青具有较高的抗变形能力。DG改性沥青通过增加微裂纹的方式阻碍了裂缝的延展,并吸收了冲击作用产生的部分能量,使其在低温下具有良好的粘韧性。DG改性沥青在低温下的增韧效果更为突出,这显著地提高了沥青在低温状态下的抗裂性能。最后,基于石墨烯对沥青的强韧性提升机制,对比研究了不同石墨烯添加方式对沥青混合料路用性能的影响,并利用微波加热的方式,对基质沥青混合料试件及两种石墨烯改性沥青混合料试件进行多次断裂-愈合循环试验,综合评价其路用性能及微波加热自愈合效果。结果表明,添加DG能提高沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗裂性能和水稳定性能。DG具有较高的导热能力,致使沥青混合料试件在微波加热后具有更高的愈合温度,进而提高了试件断裂-愈合循环后的断裂峰值力和愈合效率。在多次断裂–愈合循环中,DG改性沥青制得的石墨烯改性沥青混合料试件具有较好的温度稳定性,试件表面稳定的高温面积保障了其在多次断裂–愈合循环后仍保持较高的愈合效率。综上,本文揭示了石墨烯改性沥青的抗老化机制,阐明了石墨烯改性沥青的力学增强机制和粘韧性提升机制,研究成果对提高沥青路面路用性能,延长使用寿命,促进石墨烯等纳米材料改性沥青技术发展具有重要意义。
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