[发明专利]纳米氧化石墨烯改性沥青混合料制备及电热性能评价方法

说明书

本发明提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青混合料制备及电热性能评价方法，属于沥青混合料电热技术领域，解决目前很少采用具有层状结构的二维纳米氧化石墨烯提高沥青混合料的电热性能，测试时的接触电阻以及运营时的车辆荷载对沥青混合料电阻率存在影响的问题。本发明首先将纳米氧化石墨烯改性沥青混合料制成马歇尔试件，将带有石墨粉的铜电极运用于二电极法中测试试件的电阻率及通电升温效率，然后对试件施加压缩荷载来模拟车辆荷载作用下沥青路面电阻率的变化情况，并评价纳米氧化石墨烯改性沥青混合料的路用性能，确定纳米氧化石墨烯的最佳掺量，本发明提供的方法能提高沥青混合料的电热性能和力学性能，有助于实现沥青路面多功能应用的开发。

技术领域

本发明是纳米氧化石墨烯改性沥青混合料制备及电热性能评价方法，属于沥青混合料电热技术领域。

背景技术

沥青混合料包含两种成分，沥青和骨料。沥青对温度非常敏感，在低温下表现为脆性，在高温下表现为粘弹性。沥青混合料的使用性能下降主要是由沥青的性能衰变引起的，其中就包括热敏感性。所以使用改性剂或添加剂改善沥青性能，而非混合料设计，将会从根本上解决沥青性能差的问题，从而提高沥青混合料的各项使用性能。有学者将改性剂和添加剂分为四类：(1)聚合物改性剂，包括塑化剂和弹性体；(2)化学改性剂，如硫、硫酸铜和其他金属化合物；(3)粘着(抗剥离)剂，如脂肪酰胺、酸、胺共混剂和石灰；(4)由于纤维混凝土在水泥混凝土中的成功应用，纤维在沥青混合料中的应用也倍受关注。

近年来，人们研究发现了纤维在沥青混合料中的其他有前景的应用，例如，掺加导电的纤维(如碳纤维和钢纤维)和填料在沥青混合料中的电热应用。电热性使沥青路面融雪除冰、路面损伤自感知、电热自修复、能量收集等多功能应用成为现实。实现多功能应用的前提是能够精确控制沥青混合料的电导率。有学者研究证明，电导率与导电填料或添加的纤维的体积含量成正比。但是，导电沥青混合料的可调电阻率范围非常窄，这限制了沥青路面多功能应用的开发。因此，在沥青路面加热自愈或除冰的情况下，应适当控制沥青路面的电阻率，以保证安全性和良好的能源利用效率。

测量材料电阻率的方法有两种：二电极法和四电极法。研究表明，二电极法适用于电阻大于10⁶Ω-cm的材料，但接触点的电阻会成为最终测量电阻的一部分，影响电阻率测试结果。四电极法可以消除接触电阻的影响，从而提供了可靠的电阻率读数。但是这种方法需要将电极片埋置于沥青混合料中，无论是压实前埋置还是压实后埋置，都比较困难，而且改变了沥青混合料的内部结构，对力学性能有很大影响。为了减少接触电阻的影响，可以使用带有石墨粉的铜电极来填充混合结构上的空隙。

但是，导电的纤维和填料的主要作用是使沥青混合料导电，同时也会对沥青混合料的力学性能和耐久性有一定的影响。有学者指出，过多的导电颗粒会降低沥青混合料的强度，使路面性能退化，并且不同类型和含量的导电纤维或填料对电学性能和力学性能的影响是不同的。所以，导电添加剂不应对沥青混合料的工程路用性能产生负面影响，而应保证混合料满足耐久性要求。另一方面，有学者提出，车辆的压力会使沥青路面发生微变形，也会对沥青路面的电阻率产生影响，关于这方面需要进一步研究。

近年来，碳纳米材料与技术已渗透到建筑材料领域，在众多碳纳米材料中，纳米石墨烯和碳纳米管具有优异的力学性能和电热性能，还具有较高的比表面积，成为了人们最关注的碳纳米材料改性剂。但由于制备成本很高，广泛利用碳纳米材料对沥青进行改性不具现实意义，因此碳纳米材料改性沥青的使用并不普遍。纳米氧化石墨烯作为纳米石墨烯的氧化物，它保留了纳米石墨烯部分优异的物理性能，如导电性能、阻隔性能、力学性能等，纳米氧化石墨烯的价格也比纳米石墨烯更便宜，经济效益更高。此外，有学者将纳米氧化石墨烯加入沥青混合料中，可以明显地提高沥青混合料的电热性能。纳米氧化石墨烯不仅具有独特的层状纳米结构和优异的电学、力学性能，而且与沥青也具有良好的相容性，并且具有更高的经济效益。