CN108249824A

CN108249824A - 一种石墨烯沥青混凝土及其制备方法

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Publication number: CN108249824A
Application number: CN201810144566.XA
Authority: CN
Inventors: 李正坤; 李文涛
Original assignee: Weihai Nanhai Carbon Materials Science And Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Weihai Nanhai Carbon Materials Science And Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2018-07-06

Abstract

本发明涉及一种石墨烯沥青混凝土及其制备方法，解决了现有技术铺路材料易损坏、且无处理汽车尾气的技术问题。本发明提供一种石墨烯沥青混凝土，由以下重量份的原料组成：集料300～500份、沥青40～60份、矿渣粉50～80份、氧化石墨烯10～30份、钛白粉10～30份、碳纤维3～5份；同时还提供其制备方法。本发明广泛应用于道路工程技术领域。

Description

一种石墨烯沥青混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种石墨烯沥青混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国工业建设的发展，公路也成为必要条件。尤其是沥青路面的发展，沥青路面与水泥路面相比，表面平整、行车舒适、振动小、噪音低、施工期短、养护维修方便、适宜于分期修建等。但由于大型汽车和长时间运行，路面极其容易造成毁坏，容易出现大小坑、车辙、开裂和冻裂等问题，因此我们急需一种抗轧强度高的铺路材料来解决这种问题。

近年来随着机动车经济的飞速发展，机动车的生产和使用量急剧增长，机动车排气对环境的污染日趋严重，许多大城市的空气污染已由燃煤型污染转向燃煤和机动车混合型污染，机动车排气污染对环境和人们身体健康的危害已相当严重。虽然该污染已引起了社会关注，国家也开始抓紧防治和控制，但到目前为止国家尚未采取有效措施，彻底解决机动车尾气污染问题，相关防治政策、法律法规还不完善，各项措施有待进一步加强，治理力度还远远不够。而创造一个空气良好的环境也是建设现代化文明城市的标志，是环境保护工作的当务之急，解决机动车尾气污染问题已经迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种原料组成简单合理、配比恰当、损坏能力强且可以有效吸附和降解汽车尾气的石墨烯沥青混凝土及其制备方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种抗轧石墨烯沥青混凝土，由以下重量份的原料组成：集料300～500份、沥青40～60份、矿渣粉50～80份、氧化石墨烯10～30份、钛白粉10～30份、碳纤维3～5份。

优选的，原料组成为：集料350～450份、沥青45～55份、矿渣粉60～70份、氧化石墨烯15～25份、钛白粉15～25份、碳纤维3.5～4.5份。

优选的，原料组成为：集料400份、沥青50份、矿渣粉65份、氧化石墨烯20份、钛白粉20份、碳纤维4份。

优选的，集料为普通集料，其粒径≤12mm；沥青的针入度为AH-70、AH-90、AH-110其中任何一种；碳纤维长度为5～10mm。

上述的一种抗轧石墨烯沥青混凝土的制备方法，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：集料、沥青、矿渣粉、氧化石墨烯、钛白粉、碳纤维；

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉搅拌5～15min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌5～10min，得浆料；

4)将环境温度控制在25℃～45℃，将步骤3)制得的浆料击打后，得抗轧石墨烯沥青混凝土。

优选的，步骤2)中搅拌速度为400～500r/min。

优选的，步骤3)中搅拌速度为100～140r/min。

优选的，步骤4)中环境的空气中相对湿度为80％～85％。

优选的，步骤4)中击打方法为采用马歇尔击实仪击打70～90次。

本发明的有益效果：

(1)石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高和抗轧能力最强的材料。氧化石墨烯和二氧化钛之间协同作用，有效防止沥青混凝土开裂、大小坑和车辙；石墨烯还具有一定的抗冻能力，在冬季能有效防止沥青混凝土的冻裂。

钛白粉主要成分为二氧化钛，二氧化钛的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的两性氧化物。在光作用下，钛白粉可发生连续的氧化还原反应，具有光化学活性。这一种光化学活性，在紫外线照射下锐钛型钛白粉尤为明显，这一性质使钛白粉既是某些无机化合物的光敏氧化催化剂，又是某些有机化合物光敏还原催化剂。

二氧化钛的价态电子具有较高的能量，氧化石墨烯与二氧化钛相互配合，在太眼光的照射下，当二氧化钛的价态电子受激发，氧化石墨烯将二氧化钛受激发的价态电子转移出去，与表面接触的汽车尾气中的氮氧化合物等有害物质接触，在汽车尾气排放时，路面上的沥青混凝土可以高效地吸附尾气，并在光的作用下将其中的氧化钛作为催化剂，将尾气中的氮氧化合物等有害物质吸附、降解为无毒的硝酸盐和碳酸盐，使其在雨水冲刷下流走。且本发明的石墨烯沥青混凝土可以反复长期使用，其材料中的主要成分具有生产及施工工艺简单、成本低廉、无刺激性等特点，并可有效防止环境二次污染。

(3)碳纤维，拥有一定的导电能力，进一步增强降解汽车尾气中氮氧化合物等有害物质的光催化反应过程中的电子转移，另一方面，碳纤维也具有极强的强度，可与氧化石墨烯和钛白粉三者协同，有效防止积雪堆积造成路面发滑和冻裂。

(4)本发明配方中添加的矿渣粉，既可以利用工业废料，保护环境，防止垃圾污染；同时还增强对汽车尾气中的氮氧化合物等有害物质的吸附性能。

(5)本法的石墨烯沥青混凝土配方中：集料、沥青、矿渣粉、氧化石墨烯、钛白粉、碳纤维，配方科学，相互协同，即保证已有沥青混凝土的防裂抗冻性能，又对汽车尾气中的氮氧化合物等有害物质吸附和光催化降解的性能显著。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

实施例1

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料300份、针入度为AH-70的沥青40份、矿渣粉50份、氧化石墨烯、钛白粉10份、长度为5～10mm碳纤维3份。

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉，以搅拌速度为400r/min搅拌5min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料。

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌速度为100r/min，搅拌时间为5min，得浆料。

4)将环境温度控制在25℃，环境的空气中相对湿度为80％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打70次后，得石墨烯沥青混凝土。

实施例2

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料500份、针入度为AH-90的沥青60份、矿渣粉80份、氧化石墨烯30份、钛白粉30份、长度为5～10mm碳纤维5份。

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉以搅拌速度为500r/min搅拌15min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料。

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌速度为140r/min，搅拌时间为10min，得浆料。

4)将环境温度控制在45℃，环境的空气中相对湿度为85％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打90次后，得石墨烯沥青混凝土。

实施例3

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料350份、针入度为AH-110的沥青45份、矿渣粉60份、氧化石墨烯15份、钛白粉15份、长度为5～10mm碳纤维3.5份；

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉，以搅拌速度为450r/min搅拌10min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌速度为120r/min，搅拌时间为8min，得浆料；

4)将环境温度控制在30℃，环境的空气中相对湿度为82％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打80次后，得石墨烯沥青混凝土。

实施例4

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料500份、针入度为AH-110的沥青60份、矿渣粉80份、氧化石墨烯30份、钛白粉30份、长度为5～10mm碳纤维5份。

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉，以搅拌速度为420r/min搅拌8min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌速度为110r/min，搅拌时间为8min，得浆料；

4)将环境温度控制在28℃，环境的空气中相对湿度为83％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打75次后，得石墨烯沥青混凝土。

实施例5

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料400份、针入度为AH-90的沥青50份、矿渣粉65份、氧化石墨烯20份、钛白粉20份、长度为5～10mm碳纤维4份；

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯和钛白粉，以搅拌速度为460r/min搅拌12min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

3)持续加热至170±5℃时，将步骤1)称取的矿渣粉和碳纤维加入到步骤2)制得的混料中，搅拌速度为130r/min，搅拌时间为9min，得浆料；

4)将环境温度控制在37℃，环境的空气中相对湿度为80％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打85次后，得石墨烯沥青混凝土。

对照组1

制备一种沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料400份、针入度为AH-90的沥青50份、矿渣粉65份、钛白粉20份、长度为8mm碳纤维4份；

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的钛白粉，以搅拌速度为460r/min搅拌12min，得液态沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

4)将环境温度控制在37℃，环境的空气中相对湿度为80％，将步骤3)制得的浆料采用马歇尔击实仪击打85次后，得沥青混凝土。

对照组2

制备一种石墨烯沥青混凝土，步骤如下：

1)按需称取重量份数原料：粒径≤12mm普通集料400份、针入度为AH-90的沥青50份、矿渣粉65份、氧化石墨烯20份、长度为8mm碳纤维4份；

2)将步骤1)称取的沥青加热至170±5℃呈液态状后，加入步骤1)称取的氧化石墨烯，以搅拌速度为460r/min搅拌12min，得液态氧化石墨烯沥青；同时将步骤1)称取的集料加热至175±5℃，趁热将液态氧化石墨烯沥青混入到加热的集料中，持续加热并混合均匀后，得混料；

下面通过实验报告来进一步说明本发明的石墨烯沥青混凝土的性能。

1.对象和方法

(1)受试物：按本发明实施例1～实施例5所给制备方法生产出的石墨烯沥青混凝土实验样品，对照组1～2制得的沥青混凝土，空白。

(2)实验方法：对NO的吸附性能检测：取相同的体积为5×10⁴cm³密闭石英玻璃容器中，通入等量的NO后完全密封，将制备好的石墨烯沥青混凝土切割成10cm×10cm×10cm的立方块，避光条件下分别放入各个密闭石英玻璃容器中，1h后检测其中氮气的浓度；对NO的降解性能检测：取相同的密闭石英玻璃容器中，通入等量的NO后完全密封，将制备好的石墨烯沥青混凝土切割成10cm×10cm×10cm的立方块，避光条件下分别放入各个密闭石英玻璃容器中2h后，给予模拟太阳光整体光照4h后，检测其中氮气的浓度。

2.实验项目检测损坏状况评价标准及结果见表1和表2；

表1损坏状况标准

等级	路面状况	路面外观特征
			一	好	坚实、平整、无变形、无裂缝
二	较好	平整、无变形、少量发裂
			三	中	平整、无变形、有少量纵向或者不规则裂缝
四	交坏	无明显变形，有较多纵横向裂缝或局部网裂
			五	坏	连片的严重网裂或伴有沉陷、车辙

表2石墨烯沥青混凝土的性能检测结果

对照组1为配方中不加氧化石墨烯的沥青混凝土，对照组2为配方中不加钛白粉的沥青混凝土，以及空白对照组，由表1和表2检测结果可知，本发明的实施例1～5制得的氧化石墨烯沥青混凝土具有较强的抗损坏能力，所制得的氧化石墨烯沥青混凝土坚实、平整、无变形、无裂缝，同时还具有显著的吸附和降解NO的性能，可以广泛应用于道路工程中，且可以有效吸附降解汽车尾气的污染。对照组1为配方中不加氧化石墨烯的沥青混凝土和对照组2为配方中不加钛白粉的沥青混凝土，以及空白对照组的检测结果更充分说明，本发明的氧化石墨烯沥青混凝土的配方合理，协同增效，具有显著的的吸附和降解NO的性能，同时对其抗损坏能力也具有一定的协同增效能力。本发明实施例5配方制备得化石墨烯沥青混凝土，吸附降解汽车尾气的污染的效果最显著，抗损坏能力最强。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种石墨烯沥青混凝土，其特征在于，由以下重量份的原料组成：集料300～500份、沥青40～60份、矿渣粉50～80份、氧化石墨烯10～30份、钛白粉10～30份、碳纤维3～5份。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯沥青混凝土，其特征在于，按重量份计，所述原料组成为：集料350～450份、沥青45～55份、矿渣粉60～70份、氧化石墨烯15～25份、钛白粉15～25份、碳纤维3.5～4.5份。

3.根据权利要求2所述的一种石墨烯沥青混凝土，其特征在于，按重量份计，所述原料组成为：集料400份、沥青50份、矿渣粉65份、氧化石墨烯20份、钛白粉20份、碳纤维4份。

4.根据权利要求1～2任何一项所述的一种石墨烯沥青混凝土，其特征在于，所述集料为普通集料，其粒径≤12mm；所述沥青的针入度为AH-70、AH-90、AH-110其中任何一种；所述碳纤维长度为5～10mm。

5.根据权利要求1～4任何一项所述的一种石墨烯沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种石墨烯沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述搅拌速度为400～500r/min。

7.根据权利要求5所述的一种石墨烯沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述搅拌速度为100～140r/min。

8.根据权利要求5所述的一种石墨烯沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述环境的空气中相对湿度为80％～85％。

9.根据权利要求5所述的一种石墨烯沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述击打方法为采用马歇尔击实仪击打70～90次。