基于表面能的氧化石墨烯改性沥青黏附性

为了研究氧化石墨烯(GO)对沥青黏附性能的影响,在基质沥青和SBS改性沥青中添加0.5%GO粉末和GO分散液来制备GO改性沥青并对其进行接触角试验.基于表面自由能理论,计算GO改性沥青的黏附功、黏聚功和剥落功等参数来评价其黏附性能,同时通过浸水马歇尔和冻融劈裂试验对GO改性沥青混合料的水稳定性进行验证.结果表明:GO提高了沥青和集料体系的表面能,增加了表面能中色散成分的比例;GO分散液比GO粉末在沥青中的分散程度更好;GO分散液对基质沥青和SBS改性沥青的黏聚功、黏附功及剥落功有明显的提升;SBS‐2#GO改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比最大,表明GO增强了沥青混合料的抗水损害性能.

石墨烯改性沥青界面力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟拉拔实验,研究了石墨烯改性沥青的界面力学性能。选用沥青4组分模型,通过分子动力学模拟得到沥青的密度与玻璃化转换温度,并实验值进行对比,验证了沥青模型的正确性。在此基础上,建立石墨烯改性沥青复合材料模型。采用速度方法模拟拉拔实验,得到界面应力与分离位移关系。这一关系与宏观状态下得到的内聚区模型所描述的趋势一致,并且其中的指数内聚区模型与模拟结果吻合更好。最后讨论了加载速率对应力响应的影响,发现不同加载速率对界面粘结强度影响较大。高加载速率下石墨烯改性沥青破坏为界面粘结破坏,而低加载速率下则为沥青内聚破坏。基于分子动力学模拟探究石墨烯改性沥青的微观破坏机制,其模拟结果与宏观破坏规律相一致,这为进一步搭建跨尺度模型奠定了基础。

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。

石墨烯复合橡胶改性沥青SMA混合料性能分析

将石墨烯应用于土木工程的材料中,能有效改善材料的性能。结合甘肃省某公路沥青路面工程实例,通过室内模型试验分析石墨烯复合橡胶改性剂对沥青混合料性能的影响。结果表明:相同试验条件下,石墨烯复合橡胶改性剂对沥青混合料的空隙率、沥青饱和度及马歇尔稳定度等指标值影响显著;与SBS改性沥青混合料相比,石墨烯复合橡胶改性沥青混合料中的集料颗粒具有更好的黏附性;石墨烯复合橡胶改性沥青和SBS改性沥青均能有效改善SMA沥青混合料的水稳性能、高温稳定性及低温抗裂性,但石墨烯复合橡胶改性沥青对混合料水稳性能和高温稳定性的改善效果更为显著,而对低温抗裂性的改善效果较弱。研究结果可为石墨烯复合橡胶改性沥青在实际工程中的应用提供参考。

石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13级配优化设计与路用性能研究

在保证SUP-13级配特征的基础上,参照SMA设计VCA_(mix)≤VCADRC骨架判定标准,对不同级配SUP-13石墨烯复合橡胶改性沥青混合料的路用性能进行研究,试验结果表明:连续密级配SUP-13混合料中胶粉存在干涉影响,碾压后出现轻微光面、油膜较多现象,抗车辙及抗滑性能存在明显不足;半间断SUP-13-B、SUP-13-C动稳定度分别提高27.94%、32.17%,抗剪强度分别提高20.18%、28.44%,构造深度分别提高10.42%、14.58%,摩擦系数分别提高11.15%、12.74%,且低温抗裂性及水稳定性略有降低;半间断SUP-13-B的综合路用性能指标相对均衡,兼顾了半间断SUP-13与石墨烯复合橡胶改性沥青组合优势,符合河西走廊西端沥青路面功能需求。

石墨烯复合橡胶改性沥青路用性能试验分析

石墨烯复合橡胶改性沥青已经开始逐步应用于实际工程项目中。从胶粉的选择、改性工艺影响研究、石墨烯复合橡胶改性沥青配方选择等方面进行相关试验,并对石墨烯橡胶复合改性沥青的路用性能指标进行验证。试验结果表明,相同掺量下,生胶粉的粘度很大,无法满足施工应用,再生粉的粘度具有明显优越;对比普通工业再生粉与路用的改性再生粉,路用再生粉的改性效果与指标具有明显优越性;石墨烯复合橡胶改性沥青混合料的性能优越,满足高速公路的路面建设使用要求。

石墨烯对橡胶复合改性沥青抗老化性能的影响

针对石墨烯橡胶复合改性沥青、SBS改性沥青和橡胶-SBS复合改性沥青进行薄膜烘箱试验(TFOT)和不同时间(20、40、60h)条件下的压力老化容器(PAV)试验,并借助动态剪切流变仪(DSR)的频率扫描试验和傅里叶红外光谱(FTIR)试验,研究了石墨烯对橡胶复合改性沥青抗裂性能和抗老化性能的影响.结果表明:石墨烯有效降低了石墨烯橡胶复合改性沥青归一化羰基指数(NCI)和归一化亚砜基指数(NSI)的增长速率,提高了其抗热氧老化性能;石墨烯使得石墨烯橡胶复合改性沥青的相位角(δ)在低频段的增幅降低,长期老化后低频段黏性降低、弹性增加;石墨烯降低了橡胶复合改性沥青20~40h PAV老化过程中Glover-Rowe(G-R)常数的增长速率,有效提高了沥青的中温抗裂性能.

石墨烯复合橡胶改性沥青路面性能研究

本文结合甘肃柳敦公路试验段工程实例,研究石墨烯复合橡胶改性沥青(GRA)路面性能。通过常规试验、多应力重复蠕变(MSCR)试验、动态剪切流变(DSR)试验等方法分析研究了GRA性能,并对GRA混合料的路用性能进行了研究。结果表明:GRA与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青相比,针入度降低了12.7%,软化点、高温稳定性及其高温抗变形能力相当,抗应力变形能力及应力敏感性有所提升;GRA与橡胶SBS改性沥青相比,软化点增加了14.1%,弹性恢复增加了6.5%,针入度相当,高温稳定性及其高温抗变形能力有所提升。GRA较SBS改性沥青混合料表现出良好的路用性能,现场混合料更易于压实,渗水较小、强度较高,但构造深度有所降低。

石墨烯复合橡胶改性沥青混合料压实特性

选取石墨烯复合橡胶改性沥青(GRS)、橡胶-SBS复合改性沥青(RS)及SBS改性沥青(SBS),分别进行Sup-13和SMA-13两类沥青混合料压实特性的研究。构建不同沥青混合料的压实/击实特性曲线,引入压实能量指数(CEI)、交通密实指数(TDI)、压实拟合曲线斜率K 1、K 2,分别评价Sup-13和SMA-13两类混合料对应的GRS、RS和SBS三种不同沥青在不同压实度下的可压实性及混合料结构稳定性。结果表明,GRS相比于RS,其CEI降低,TDI-95%增大,K 1增大,K 2降低,石墨烯减小了混合料的压实功,并提高了其抵抗交通荷载的能力。GRS和RS改性沥青混合料随着压实温度的增加更易于压实,最佳压实温度为170℃,SBS改性沥青对于Sup-13型沥青混合料,最佳压实温度为150℃,对于SMA-13型沥青混合料则为160℃。Sup-13型沥青混合料相比SMA-13型需要消耗更多压实功,更难压实成型。

温拌石墨烯复合橡胶改性沥青及混合料路用性能研究

为解决河西地区大风大温差工况环境下石墨烯复合橡胶改性沥青黏度大、施工温度高、降温速率快等问题,本文基于半间断型Superpave-13结构与新型温拌技术,对常规与温拌石墨烯复合橡胶改性沥青及混合料路用性能进行试验研究,结果表明:添加0.5%DWMA-S(AR专用)温拌剂后,石墨烯复合橡胶改性沥青175℃运动黏度降低18.1%,25℃弹性恢复提高3.2%,老化前后5℃低温延度分别提高36.1%、10.8%,恒温30 min时软化点下降3.41%,恒温6 h时软化点恢复至99.4%;常规与温拌沥青混合料呈现出良好的高温抗变形、低温抗裂及水稳定性;温拌技术可以降低施工温度20℃,与常规沥青混合料160~165℃成型的马歇尔物理-力学指标相当,温拌沥青混合料的动稳定度及水稳定性略有降低,低温弯曲破坏应变提高7.2%,温拌剂对复合改性沥青及混合料路用性能影响规律基本一致。

基于MSCR试验的石墨烯复合橡胶改性沥青抗老化性能研究

为了评价石墨烯复合橡胶改性沥青(GRS)的高温抗变形能力随老化时间的变化规律,分别选取SBS改性沥青、橡胶复合改性沥青及石墨烯复合橡胶改性沥青,进行原样及热氧老化20h(TFOT5h+PAV20h)、40h(TFOT5h+PAV40h)和60h(TFOT5h+PAV60h)的多应力重复蠕变试验(MSCR)。结果表明,在同一温度对应相同蠕变加载应力状态下,GRS改性沥青的Jnr最小,SBS改性沥青的Jnr最大。GRS改性沥青有更好的高温抗变形能力,PAV老化60h后,GRS改性沥青的R3.2kPa最大,Jnr-3.2kPa最小,对热氧老化作用敏感度最低。

基于红外光谱技术的石墨烯-SBS改性沥青微观老化性能分析

为了研究石墨烯-SBS改性沥青的微观老化性能,以基质沥青、SBS改性剂为原材料,制备了石墨烯-SBS改性沥青,并采用红外光谱技术测试了其微观性能.结果表明:石墨烯-SBS复合改性沥短期老化过程中只是S=S双键被氧化而导致其性能衰减,而长期老化较短期老化严重,S=S和C=C双键同时被氧化而导致SBS改性沥青和石墨烯-SBS复合改性沥青性能衰减;石墨烯的加入显著提高了SBS改性沥青的抗老化性能.

石墨烯-橡胶复合改性沥青及其混合料性能评价

制备了石墨烯—橡胶复合改性沥青,测试了其基本技术指标和储存稳定性,通过车辙试验、小梁三点弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,评价了复合改性沥青混合料的路用性能。结果表明:石墨烯—橡胶复合改性方法提高了沥青高温性能,同时改善了沥青储存性能,但对低温性能有一定不利影响;复合改性沥青混合料动稳定度比橡胶改性沥青混合料提高了17.0%,高温抗车辙性能优异;复合改性沥青混合料低温抗开裂性能优于普通沥青混合料,但弱于橡胶改性沥青混合料;石墨烯改善了橡胶粉和沥青的相容性,增强了沥青自身粘聚力及与集料粘附力,提高了沥青混合料抗水损害能力。

石墨烯/氧化石墨烯在沥青路面中的应用与研究

石墨烯作为一种新型材料被用于材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等领域。石墨烯用于道路工程,尤其是添加到沥青混合料中属于前沿领域。概述了石墨烯/氧化石墨烯在沥青路面中的应用现状,重点介绍了其在制备工艺、材料选择、表面修饰、路用性能和改性机理方面的发展,说明了其在沥青路面应用中的不足与挑战,在已有研究成果的基础上对石墨烯/氧化石墨烯改性沥青的研究进行了展望。

机械剥离石墨烯对沥青性能的影响研究

为研究机械剥离石墨烯掺量对基质沥青性能的影响,以机械剥离石墨烯为改性剂,制备不同石墨烯掺量的改性沥青。采用三大指标试验以及动态剪切流变试验对石墨烯改性沥青的常规物理性能和流变性能进行研究。试验结果表明:石墨烯改性沥青与基质沥青相比针入度降低、软化点增加、延度降低,石墨烯对沥青的高温性能改善明显,而低温性能有所降低;石墨烯掺量为0.35%时,石墨烯与沥青存在一个相对平衡的状态,此时改性沥青材料具有较强的抗高温车辙变形能力。

基于老化的石墨烯/橡胶粉复合改性沥青蠕变特性及微观结构分析

为了分析石墨烯掺量以及老化对石墨烯/橡胶粉复合改性沥青蠕变-恢复性能、蠕变参数以及蠕变中瞬时弹性变形、延迟弹性变形以及不可恢复黏性变形等各组成部分相对比例的影响,以不同石墨烯掺量的橡胶沥青为研究对象,采用60℃蠕变-恢复试验,分析其旋转薄膜烘箱(RTFOT)老化和压力(PAV)老化蠕变-恢复性能。首先,基于Burgers模型拟合沥青蠕变变形,为了减少Burgers模型拟合误差,利用蠕变柔量与时间的关系,预估Burgers模型的瞬时弹性模量,进而拟合模型剩余参数;其次,计算各类变形占总体蠕变变形比例,分析石墨烯掺量对不同老化阶段橡胶沥青蠕变变形的影响规律;最后,采用扫描电镜(SEM)观测不同老化程度的橡胶沥青、石墨烯/橡胶粉复合改性沥青微观结构。研究结果表明:RTFOT老化后橡胶沥青的蠕变值显著大于原样沥青,而经历PAV老化后,其蠕变值减小;石墨烯的掺加使得老化对橡胶沥青蠕变值的影响减小;RTFOT和PAV老化后,橡胶沥青及复合改性沥青的瞬时弹性变形所占比例、总体变形比例均有一定程度的减小;RTFOT老化后其延迟弹性变形所占比例显著减小,而黏性变形所占比例增加;PAV老化后其延迟弹性变形所占比例有一定程度的上升;SEM显示,原样橡胶沥青呈现明显的非均质性,老化后橡胶粉颗粒减少,橡胶颗粒呈现溶胀状态;原样石墨烯/橡胶粉复合改性沥青与橡胶沥青微观结构相似,老化后复合改性沥青中出现较大面积的团聚物。

石墨烯复合橡胶改性沥青及其混合料路用性能研究

为研究在橡胶沥青中掺入微量石墨烯对胶结料和混合料性能的影响,采用沥青基本性能试验及流变试验对石墨烯复合改性橡胶沥青的抗老化性能、高低温性能等进行了评价。基于Superpave设计方法对石墨烯复合橡胶改性沥青进行SUP-13配合比设计,通过冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲试验等对混合料抗水损、高温及低温等性能进行综合评价。根据室内加速加载试验结果探讨了石墨烯复合改性橡胶沥青混合料的抗疲劳性能。结果表明:石墨烯复合橡胶改性沥青高低温性能较基质沥青得到了有效地改良,基本接近SBS改性沥青的性能,优于橡胶改性沥青;石墨烯能够有效增强沥青的高温抗车辙性能、抗疲劳性能和水稳定性,降低沥青对老化和水损的敏感性,而低温弯曲性能与SBS改性沥青混合料性能相近。由此推测:石墨烯比表面积较大,石墨烯与橡胶形成的复合网络结构增强了沥青力学性能,在一定温度下遇到水的侵蚀以及外力作用时,以桥接方式抑制裂纹扩展。实体工程现场检测结果表明,相比SBS改性沥青混合料,石墨烯复合橡胶沥青混合料表现出较好的高温稳定性及抗水损害性能。研究结果有助于石墨烯在道路工程中的拓展运用,为新型路面建设提供新的研究方向。

SMA-13石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究

为研究纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量对SMA-13型石墨烯复合橡胶改性沥青(GRA)混合料路用性能的影响规律,选取单轴贯入强度、流变次数、半圆弯曲试验断裂能及冻融劈裂强度比为性能评价指标,利用正交试验,通过极差分析法和方差分析方法,开展GRA混合料性能优化研究。结果表明:GRA混合料配合比设计选择颗粒状木质纤维,纤维掺量为0.2%,油石比为6.1%,矿粉掺量8%时,其各项性能指标达到最优,通过甘肃某一级公路试验段验证,该性能优化设计能满足路用性能要求;对比-10℃和25℃的断裂能对各因素的影响,发现低温开裂对于矿粉掺量更敏感,疲劳开裂对于油石比的变化更敏感。

温度影响石墨烯/沥青复合材料界面微结构特征的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了温度对石墨烯/沥青复合材料界面微结构特征的影响。选取沥青的4组分模型,进行分子动力学模拟,得到合理的沥青玻璃化转换温度。然后加入石墨烯,共同搭建石墨烯/沥青复合材料模型并进行分子动力学模拟。在此基础上,基于复合材料切片的相对浓度,定义界面区间的范德华间隙和致密区间。根据复合材料相对浓度曲线,计算得到范德华间隙厚度,然后采用统计学方法,得到沥青基体累计浓度以及一阶导数的曲线,计算得到致密区间厚度。在各种温度条件下,通过分子动力学模拟得到石墨烯/沥青复合材料界面区间范德华间隙和致密区间的厚度。研究结果表明,温度对致密区间厚度影响较小,而对范德华间隙厚度影响较大;并且在玻璃化转换温度之前随着温度升高范德华间隙厚度波动下降,玻璃化转换温度之后随温度升高范德华间隙厚度逐步增大。