黄 浩

Equipment technology 装备技术

石墨烯材料用于道路发展展望

黄 浩

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

石墨烯作为一种比表面积大的新型材料被广泛用于各领域。沥青与水泥作为一种非常重要的工程材料，在很多建设领域运用十分广泛，特别是在交通方面。如何将石墨烯用于道路中，改善路面状况是一直需要解决的问题。

石墨烯；水泥基；沥青；发展

0 前言

随着科学的发展，科学家对碳材料的研究从未停息。石墨烯正是这样的产物，石墨烯是SP2碳原子紧密推积形成的六边形蜂窝状结构的二维原子晶体，是构建其他SP2杂化碳的同素异形体的基本组成部分，可以堆垛形成三维的石墨，卷曲形成一维的碳纳米管，也可以包裹形成零维的富勒烯，是碳材料家族的新成员[1]。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、涂料、、电池、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料[2]。

1 石墨烯运用简介

对于石墨烯，一直是一个研究的热题，从生物医学、电子设备以及将其运用到道路中，对于石墨烯的研究一直处于上升趋势，而在研究过程中将石墨烯有效分散一直是一个需要解决的问题。目前对石墨烯进行分散的方法大致分为两种：第一种是通过物理的方法，第二种是通过寻找分散剂的方法；大多数情况下多采用寻找分散剂的方法对石墨烯进行分散，最终添加到水泥、沥青中提高路面路用性能。

石墨烯是一种广泛应用于各个领域的新型纳米材料。研究人员致力于不同的领域，通过不同的方法，尝试制备大量质量上层的石墨烯材料。通过不断的优化、改进石墨烯生产工艺，降低了石墨烯的制备成本，使其良好的材料性能得以更广泛地应用，并逐渐走向工业化。

石墨烯理论上单层厚度为0.35nm，被广泛的认为是现目前最薄的材料，同时被认为是一种高强度纳米材料，由于单层石墨烯具有超高的比表面积，因此被当做其它材料附着的的理想载体被投入到各个领域中。在理想状态下，石墨烯处于单层石墨烯的导电能力极强，导热系数同样极高，同时由于碳原子之间具有较高的π-π作用，使得石墨烯具有较高的韧性，因此将石墨烯运用到各领域时，其结构基本保持稳定不易被破坏。在现有计算机等领域中，核心部件中添加有金属金，能够使电器元件能够迅速导热、导电，而石墨烯由于巨大的比表面积与较高的延展性，现目前在电池以及涂料等领域被广泛运用。近些年来，石墨烯的发展一直保持着高热的状态，特别是在半导体材料研究中，由于石墨烯较获得，将石墨烯大量运用到半导体材料中，提高半导体材料的使用寿命，降低稀有金属使用，从而更加节约材料与能源。

中国在石墨烯的研究过程中也具有自己独特的优点，从生产上看，作为石墨烯的原料，在我国存储量丰富。正是看到石墨烯应用的前景，许多国家相应的建立了与石墨烯有关的技术研究中心，试图将石墨烯商业化，从而在工程、科技、交通等领域取得潜在应用。

在道路使用过程中，沥青路面容易发生车辙、老化、开裂等病害，因此限制了公路的使用寿命。近年来，提高沥青路面的交通承载能力以已成为必须要解决的问题。SBS改性沥青在许多改性沥青方面表现得更为突出，主要体现在高温稳定和低温抗裂性，SBS是目前改性沥青中最常见的一种沥青。但近几年来，研究人员发现，将石墨烯添加到沥青中，同样可以改性沥青，并且比SBS沥青在某种方面表现得更好。因此，通过对沥青进行掺石墨烯的改性，用于道路中能够有效提高路面的使用性能正在不断发展研究。

2 研究现状

吴力[3]等在离子溶液氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑（AmimCl）中，利用水合肼对氧化石墨烯进行了同步还原，制备出了一种可以稳定分散在N-N二甲基甲酰胺（DMF）和乙酸丁酯溶剂中的离子液体改性石墨烯，其浓度分别为1.69mg/mL和1.12mg/mL。

Yang等[4]通过对氧化石墨烯（GO）表面进行修饰，将修饰后的GO进行接枝已达到修饰目的。通过修饰的GO在AFM下观察发现石墨烯面积增大，层数变少，因此被修饰后能够获得更好的石墨烯。

Yang等[5]对氧化石墨烯的修饰后，通过TGA、AFM、SEM观察发现，石墨烯品质变好，经修饰后的能够获得更多单层或者少层的石墨烯。

Fan[6]通过将石墨烯与氧化石墨烯分添加到水泥基材料中，能够使水泥基材料成为理想的智能材料，研究结果表明，石墨烯材料的加入相应的杨氏模量有所提高，单对应的密度变化无差异。

袁小亚等[7]通过将氧化石墨烯（G0）在高温的环境中制备出石墨烯（GA），将两种材料添加到水泥材料中制备复合水泥材料，添加石墨烯后的水泥基材料能够有效提高其稳定性和强度，在酸性和耐热耐腐蚀方面也有相应的提高。

杨延锋[8]将不同浓度氧化石墨烯加入到水泥中制成水泥基复合材料，当浓度掺量为0.03%时，相应的强力最佳，在水泥混凝土中反映出强度性能好。

徐义洪等[9]将氧化石墨烯掺入水泥浆中，在长期的不断观察与对比计量中发现，被添加氧化石墨烯后的水泥浆用以评价力学性能的抗压及抗折强度相应的增强，氧化石墨烯的加入促使水泥浆的晶体结构发生改变，从而反映在力学性能变化上。

吕岱萤[10]在现有研究中，将GO添加到混凝土中，分别对掺入GO的混凝土进行7d、14d、28d抗压测试，结果表明：当加入GO后，随着GO的掺量在不断增加（0.02% ~0.08%），石墨烯掺量为0.03%时混凝土的劈裂抗拉强度为最强。

郭贺源等[11]通过在橡胶沥青中添加石墨烯片，将制备的改性橡胶沥青石墨烯通过傅里叶红外（FT-IR）以及荧光显微镜（E-FM）等对材料进行评价发现，石墨烯的添加显著提高了橡胶沥青的存储性。

杨军等[12]用原子力显微镜（AFM）观测沥青“蜂状结构”，并结合图像处理，利用分型维数来定量分析沥青的微观结构，分析了沥青老化前后其“蜂状结构”与分型维数的变化，有效的解释了沥青老化微观与宏观现象的对应。

畅润田[13]在SBS中添加经过修饰后的氧化石墨烯（N-GO），将不同掺量下的N-GO复合改性沥青进行高温、低温等一系列的评价，最终结果表明，添加相应的N-GO能够有效的提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性等。

张霞等[14]人总结了将石墨烯复合材料在工程领域等方面的发展研究状态，并在70#沥青中添加石墨烯，对石墨烯改性沥青从宏观到微观探索了石墨烯改性沥青。根据研究结果显示，石墨烯添加到沥青中能够有效提高沥青的低温性能，表明石墨烯在沥青中起到决定性作用，能够有效承插在沥青中，从而延长沥青的使用寿命。

3 石墨烯改性复合材料制备技术

在制备方法中，将石墨烯以及沥青或者水泥基材料使用高速乳化剪切机进行剪切，使沥青与石墨烯充分混合。运用正交设计等方法对石墨烯、沥青（水泥基）、剪切时间、剪切温度等为主要影响因素，以三大指标、抗车辙因子为响应值，利用DPS与1Stopt软件进行建模，之后得到石墨烯沥青（水泥基）材料最佳制备工艺。

4 石墨烯复合材料性能评价标准

由于石墨烯本身为惰性材料，而通常的方法是通过原子力显微镜（AFM）观察其形貌，但是不能有效的评价石墨烯的性能，因此在研究过程中将通过FT-IR以及扫描电镜（SEM）等一系列方法评价石墨烯的分散性以及材料的物理化学性能，通过对石墨烯自身评价后，能够指导石墨烯改性复合材料的制备。在微观等一系列机理研究中，为了能够更加直接的观察石墨烯（水泥基）材料的结构特征，可以结合分子动力学理论模型以及数学中的采用的有限元模型等方法。

5 石墨烯在未来交通中发展趋势

长期以来，道路一直被认为是主要的静态基础设施，且担负着主要的承载能力，随着人工智能化，信息智能话的不断推出，道路建设也将迎来崭新的局面。在不断的发展中，道路的承载能力一直以来是一个严峻的问题，如何提高道路的承载力以及如何提高道路的使用寿命将是面临的重要挑战。现阶段，道路发展呈现建养模式并存，如何在养护的过程中尽量节约成本，提高回收的利用率，新型材料将面临重大的挑战。而石墨烯，由于具有众多的优异性能，在之后的道路建设中能够不断的提高的路面的使用性能。由于石墨烯具有环保、高效、节能等一系列优点，在未来的发展中能够节约水泥、砂浆、钢材等一系列资源。同时，石墨烯能够添加到梁、板、柱等建筑材料中，能够提高道路结构强度，减轻道路结构自重，从而节约实际工程造价。

6 研究与不足

（1） 如何将石墨烯有效分散，最终运用到道路领域，可采用分子动力学对材料进行模拟试验，结合数学有限元模型等，最终对材料分散性进行有效评价。

（2） 实验室通常采用添加分散剂后对石墨烯进行超声分散，但由于石墨烯存在着巨大的比表面积，因此很难将石墨烯有效分散在沥青中，加入石墨烯后的沥青中既要保证石墨烯起到作用的同时，又能保证沥青不被破坏，最终使石墨烯在沥青中发挥有效作用。

通过大数据平台，不断的收集路面出现的破坏情况以及各使用时段的交通承载力，针对性的对特定道路使用特定的石墨烯材料，最终可以形成一个体系。

7 结论

综上所述，总结石墨烯的发展状况，一直以来石墨烯以不同形式或被直接投入生产或被修饰后添加到材料中，添加石墨烯后的材料从宏观力学性能（FT-IR）变化到微观（AFM、SEM）等变化中，石墨烯改变了原有材料的结构，而最终体现在石墨烯改变材料原有物理化学性能。纵观石墨烯的不断发展，随着绿色环保的意识在不断提升，高效、清洁、节能的资源在不断发展，石墨烯因具良好的性能而被广泛应用，对石墨烯研究的不断深入，其存在许多潜在的应用等待被发掘。然而石墨烯在经济方面贵如黄金，如何降低石墨烯使用成本，在实际工程中被大量应用还有很长一段路要走。

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黄浩（1992.11- )，男，硕士，单位：重庆交通大学土木工程学院，研究方向：道路材料。

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