長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院 張中華 晏雙龍 杜書權(quán) 解江浩

仿生納米材料對瀝青與集料界面黏附性的影響研究

長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院 張中華 晏雙龍 杜書權(quán) 解江浩

隨著我國交通量的不斷增長，許多高速公路出現(xiàn)了早期破壞現(xiàn)象，尤其是在水的作用下瀝青與集料之間的黏結(jié)力較弱導(dǎo)致的界面破壞，加劇了車轍、疲勞裂縫、松散和坑槽等路面病害的出現(xiàn)。因此，從不同的角度和材料方面認(rèn)識并提高瀝青與集料之間的黏結(jié)力具有重要意義。

一、研究的可行性分析

仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，是在20世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門邊緣科學(xué)。仿生學(xué)主要研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，研發(fā)出性能優(yōu)越的復(fù)合材料、儀器、裝置和機(jī)器等。仿生學(xué)模仿生物的某種特性，可以實現(xiàn)材料的智能化設(shè)計，在某些方面超越自然也是有可能的。

2000年，Autumn在Nature上發(fā)表的一篇關(guān)于壁虎微結(jié)構(gòu)及吸附機(jī)理的文章掀起了全球壁虎研究的熱潮?；诒诨⒌某瑥?qiáng)吸附能力，可以模仿壁虎腳掌的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，人們建立了壁虎腳掌的力學(xué)模型，制造出仿壁虎納米材料——碳納米管。

1.碳納米管概述。碳納米管是由一種由六角網(wǎng)狀的石墨烯片卷成的具有螺旋周期的管狀結(jié)構(gòu)。按照石墨烯片的層數(shù)，可以將碳納米管分為單臂碳納米管和多臂碳納米管。

2.碳納米管的特性。

（1）具有極好的物理特性。例如，無可匹敵的拉伸強(qiáng)度和彈性模量、低密度（抗拉強(qiáng)度可達(dá)50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6）、高比強(qiáng)度、巨大的曲面面積、高傳導(dǎo)性以及驚人的長徑比等優(yōu)異性能。通常情況下，多壁碳納米管的模數(shù)是1.0 TPa，抗張強(qiáng)度為10～60 GPa（比不銹鋼高3 GPa）。這一晶格結(jié)構(gòu)使碳納米管具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，電流密度達(dá)到4×109A/cm2，比銅的導(dǎo)電性強(qiáng)1 000倍。并且，在很多情況下，碳納米管還可以彌合結(jié)構(gòu)中的裂痕，保持結(jié)構(gòu)的完整性。

（2）可以增強(qiáng)復(fù)合材料的黏結(jié)力。碳納米管在與溶樹脂劑混合的過程中，即使其含量非常低，也能夠顯著增加樹脂的黏度，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的黏結(jié)力。由于碳納米管很難在溶劑中分散，人們開發(fā)了Nanosolve分散劑，用來將碳納米管與水基或溶劑基聚合物系統(tǒng)結(jié)合為一體。這種含有碳納米管的創(chuàng)新產(chǎn)品具有良好的抗扭強(qiáng)度，可以抵抗高沖擊強(qiáng)度。

（3）基于碳納米管的性能，碳纖維可以做的事情完全可以由碳納米管替代。目前，碳纖維在道路行業(yè)已經(jīng)被成熟應(yīng)用于施工現(xiàn)場，加之碳納米管與樹脂結(jié)合具有超強(qiáng)的黏結(jié)力，因此將碳纖維用于瀝青混合料中來提高瀝青與集料界面的黏附性，具有廣闊的發(fā)展前景。

3.碳納米管的應(yīng)用前景。由于碳納米管具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，因此在很多行業(yè)都有巨大的應(yīng)用價值。目前，碳納米管的應(yīng)用研究主要集中在納米復(fù)合材料、塑膠行業(yè)、氫氣存儲、電子器件、電池、超級電容器、場發(fā)射顯示器、量子導(dǎo)線模板電子槍及傳感器和顯微鏡探頭等領(lǐng)域，并已取得了許多重要進(jìn)展。為了充分利用碳納米管高彈性模量和高抗拉強(qiáng)度這一優(yōu)異的機(jī)械性能，研發(fā)人員一直在探索如何把碳納米管聚合物復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料來使用，其主要困難是如何將碳納米管均勻地擴(kuò)散到基體材料中，以使碳納米管和基體材料充分黏合，達(dá)到有效的應(yīng)力傳遞，防止相對滑動。

二、研究內(nèi)容

基于碳納米管的種種優(yōu)異特性，人們應(yīng)從仿生的角度來認(rèn)識和提高其黏附性，仔細(xì)區(qū)分某類生物具有超強(qiáng)黏附性的機(jī)理與瀝青混合料中瀝青與集料界面黏附性的異同。由于生物的物種特性是經(jīng)過自然選擇進(jìn)化的結(jié)果，具有超強(qiáng)的適應(yīng)性，因此探索生物優(yōu)異特性并將其應(yīng)用于工程實際中具有重要意義。本文，筆者研究的主要內(nèi)容是將仿壁虎制成的納米碳管材料混合在瀝青中將其改性，其改性的機(jī)理可以模仿碳纖維改性瀝青的做法，采用實驗對比的方法來驗證瀝青與集料界面黏附性的效果，研究并評價瀝青混合料的性能。由于將仿生材料用于道路材料中的實例較少、甚至沒有，研究的最初設(shè)想是參考碳纖維的使用方法將碳納米管運用到瀝青混合料中，具體需要注意的問題還有待于進(jìn)一步地探索。

三、研究步驟和研究方法

首先，將碳納米管濕潤，再用礦物填充料對其進(jìn)行分散、稀釋，使其順理分散并防止其交纏結(jié)合。然后，將處理好的碳納米管材料加入瀝青中，為了使瀝青與集料充分結(jié)合可以加入分散劑。由于碳纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，碳納米管的摻量可以參照碳纖維在瀝青混合料的摻量（可上下浮動）。最后利用黏附性對比試驗對碳納米管的改性效果進(jìn)行評價，利用高溫車轍和小梁彎曲等試驗來驗證瀝青混合料的綜合性能。

四、結(jié)論

1.將碳納米管材料混合在瀝青中將其改性，不僅可以提高瀝青與集料界面的黏附性和勁度模量，還有助于改善瀝青混合料的高溫性能和低溫性能，因此，碳納米管在未來的道路行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.由于碳納米管的造價較高，因此成本問題是其功能化進(jìn)程中的最大障礙。