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原文传递纳米石墨烯改性沥青性能研究

论文题名：	纳米石墨烯改性沥青性能研究
关键词：	改性沥青;纳米石墨烯;红外光谱试验;抗老化性能;低温抗裂性
摘要：	近年来，随着经济的高速发展，交通量急剧增加，常见的改性剂如SBS、橡胶沥青等逐渐不能满足路面使用的需求。纳米改性剂因其具有不同于宏观大尺寸颗粒，也不同于单个原子、分子等微观粒子的新的特性，进而逐渐被应用到道路领域。其中，具有优异力学性能、电学性能、热学性能等特性的纳米石墨烯已经成为目前纳米改性剂的研究热点。　　本文通过分子动力学模拟和文献调研，研究了石墨烯掺量对改性沥青力学性能的影响，并对石墨烯掺量的设定、石墨烯种类的选择提供了理论指导；针对石墨烯改性沥青的改性机理，通过原子力显微镜、傅里叶红外光谱和扫描电子显微镜等微观试验进行分析；通过常规的动态剪切流变试验、低温弯曲梁试验研究了石墨烯改性沥青的流变性能；设计导电性能测试试验和紫外光老化试验，分析石墨烯改性沥青的电学性能和抗老化性能，得出使改性沥青由绝缘体转为半导体时，石墨烯掺量的阈值，并综合分析得出石墨烯改性沥青的合理掺量范围。　　首先通过分子动力学模拟构建不同掺量、不同石墨烯尺寸的石墨烯改性沥青模型并分析其力学性能，发现石墨烯的添加改善了改性沥青的力学性能，并且改性沥青的力学性能随着石墨烯尺寸的增大而不断改善。其次根据三种物理法石墨烯制备出的相同掺量石墨烯改性沥青的高温性能进行比选，最终选出99-5-80型号的石墨烯改性沥青，因为其石墨烯直径最大、力学性能最好且该型号的改性沥青高温性能最优。　　然后，通过荧光显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱等试验研究石墨烯改性沥青的改性机理。荧光显微镜和扫描电镜的图像结果表明石墨烯的加入主要是物理共混作用，没有发生化学反应。改性沥青红外光谱的特征官能团没有发生显著变化也证明了石墨烯加入沥青主要是物理共混作用。　　接着，采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪分析石墨烯改性沥青的流变性能。动态剪切流变仪的试验结果表明随着石墨烯掺量的增加，改性沥青的高温流变性能不断改善，并且依据主曲线的结果分析可以发现，石墨烯的掺量越高，改性沥青的抗老化性能越好。低温弯曲流变的试验结果表明，石墨烯的添加会降低改性沥青的低温抗裂性，石墨烯掺量在3%及以下时，低温性能变化不大，但当石墨烯掺量达到4%时，低温性能显著降低，不能满足规范的PG分级要求。　　最后，结合电学性能试验结果分析，石墨烯的加入提升了改性沥青的导电性能，石墨烯的掺量在2%-3%时存在一个阈值，使石墨烯改性沥青由绝缘体变为半导体。当石墨烯掺量达到6%时，改性沥青的导电性能得到指数级提升。针对石墨烯改性沥青的抗老化性能，采用红外光谱试验进行分析，发现适量石墨烯的添加可以改善沥青抗热氧老化和抗紫外老化的性能，石墨烯的添加量不宜超过3%。　　因此，推荐石墨烯在沥青中的掺量为2%-3%，此时石墨烯改性沥青的电学性能、抗热氧老化、抗紫外老化、高温流变性能都显著改善，低温抗裂性有所下降但下降不多。
作者：	董惜杨
专业：	交通运输工程;道路工程
导师：	顾兴宇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021