CN112878133A - 一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构 - Google Patents
一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，属于路面融雪化冰的技术领域，具体涉及一种自融雪路面的铺装结构。本发明的目的是要解决现有导电沥青的导电性、抗裂性和耐久性差及石墨烯加热膜的应用环境苛刻，使用寿命短，使其对现有路面进行改良，以使现有路面达到融雪化冰的成本高，效果差的问题。基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层、石墨烯基导电沥青层、导电形状记忆复合材料层、绝缘沥青层和面层；所述的墨烯基导电沥青层内间隔排布有多个电极。本发明一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构可以对现有路面进行改良。本发明可获得一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构。
Description
技术领域
本发明属于路面融雪化冰的技术领域，具体涉及一种自融雪路面的铺装结构。
背景技术
我国四季气候变化明显，尤其是深秋、冬季及初春季节受冷空气影响，气温变化明显，带来大量降雨、降雪，使得路面易于积雪、积冰，进而对道路交通造成较大影响，路面积冰积雪对行驶车辆的驱动性及安全性极为不利。如何高效的除去路面冰雪对保障冬季道路交通安全与通行能力具有重要意义。
目前的除雪方式主要是人工除雪、机械除雪、融雪剂除雪，但这些除雪方法均具有事后性，不能保证积雪的及时清除。机械除雪和人工除雪具有成本高、效率低和封闭交通时间长等缺点，而撒融雪盐会一方面，也会对绿化植被、土壤及水体造成长期侵害和污染，因此，电热除雪方式被认为是众多道路除雪技术中综合表现良好的主动除雪方式，因此，目前逐渐采用导电沥青铺装路面或者采用石墨烯加热膜铺装路面。
导电沥青是一种智能的道路建筑材料，利用导电沥青的电热效应对自身加热，可广泛用于沥青道路应急除冰和冬季保证通行等方法。导电沥青接通电源后，通过加热效应能够使覆盖积雪的沥青路面温度升高，及时融化冰雪，有效消除冰雪危害。但是沥青本身是绝缘体，所以制备的导电沥青中添加导电相材料，通过导电相使得沥青能够导电，但现有导电沥青的导电性能往往不是十分理想，且现有导电沥青的经过热胀冷缩后容易嵌缝开裂，渗水，因此，抗裂性和耐久性差。
中国专利CN107100054A公开了一种使用石墨烯加热膜的T形梁桥桥面铺装施工方法，具体公开了采用5mm石墨烯加热膜进行加热，缩短冬天桥面结冰期加快冰雪融化，但是石墨烯加热膜适应的环境只能是平面，该专利中也记载了，安放铺设5mm石墨烯加热膜时，要清除桥面基层上的杂物，使尘土、颗粒物或突起物直径不超过0.5mm，保证桥面基层的干燥、干净，避免影响石墨烯加热膜的加热效率。石墨烯加热膜的适应的平面的苛刻环境限制了它的应用，且石墨烯加热膜怕折，200次内会断裂，使用寿命不会超过3年，使用寿命短，当受到路面环境的变化将会缩短石墨烯加热膜的使用寿命。
因此，对于新建沥青路面，旧沥青路面，旧水泥混凝土路面均无法使用现有导电沥青或石墨烯加热膜进行铺装，以达到融雪化冰的目的。
发明内容
本发明的目的是要解决现有导电沥青的导电性、抗裂性和耐久性差及石墨烯加热膜的应用环境苛刻，使用寿命短，使其对现有路面进行改良，以使现有路面达到融雪化冰的成本高，效果差的问题，而提供一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构。
基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层、石墨烯基导电沥青层、导电形状记忆复合材料层、绝缘沥青层和面层；所述的石墨烯基导电沥青层内间隔排布有多个电极；所述的隔热层、石墨烯基导电沥青层、导电形状记忆复合材料层和绝缘沥青层相邻的两层界面之间分别通过乳化沥青粘接剂粘结，面层铺设在绝缘沥青层上；
所述的石墨烯基导电沥青层按重量份数由10份～15份沥青、80份～120份集料、12～18份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的5％～10％，氧化石墨烯占沥青重量的2％～5％，改性碳纤维占沥青重量的8％～20％；
所述的改性碳纤维的制备方法如下：
①、将单宁酸置于pH为8.0的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌，得到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液；
②、向浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液中加入三氯化铁，搅拌均匀，再将碳纤维加入到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲液中，超声混合均匀，再在室温和搅拌速度为200r/min～500r/min下反应2h～4h，再进行过滤，去除滤液，将固体物质进行干燥，得到改性碳纤维；
步骤②中所述的碳纤维的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.3g～0.5g):(1mL～2mL)；
步骤②中所述的三氯化铁的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.1g～0.2g):(1mL～2mL)。
本发明的优点：
一、本发明基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层、石墨烯基导电沥青层、导电形状记忆复合材料层、绝缘沥青层和面层，其中面层能延长该铺装结构的使用寿命，绝缘沥青层防止水渗入和漏电，隔热层能有效减少热量向下传递，减少热量损耗，使热量向上传递到面层，热量能够融化冰雪；当汽车施压时，设置导电形状记忆复合材料层能够起到缓冲作用，并能发生复位，防止该铺装结构受到重力时发生裂纹和破损现象，起到了对石墨烯基导电沥青层的保护作用；
二、本发明使用单宁酸对氧化石墨烯进行改性，由于单宁酸中含有苯环，苯环有一定的刚性，超支化分子更坚硬一些，且由于具有大量的端羟基，能与聚合物基体之间具有很好的相容性，与树脂基体形成机械啮合作用；
三、本发明制备的改性聚苯胺由于含有全氟辛酸，全氟辛酸具有—CF2—疏水结构，因此，改性聚苯胺具有疏水性；改性聚苯胺可以与改性氧化石墨烯进行交联，形成网络结构，提高了导电形状记忆复合材料的力学性能和导电性；
四、本发明在碱性条件下将单宁酸与三氯化铁通过络合沉积到碳纤维表面，提高了石墨烯基导电沥青层的导电性，进而降低了氧化石墨烯的用量，降低了成本；
五、本发明一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构可以对现有路面进行改良，以使现有路面达到融雪化冰的成本高，解决了使用化学融雪剂污染环境和机械除雪和人工除雪具有成本高、效率低和封闭交通时间长的问题，同时解决了现有导电沥青的经过热胀冷缩后容易嵌缝开裂，渗水的问题，也避免使用石墨烯加热膜；本发明一种基于石墨烯的自融雪路面对于新建沥青路面，旧沥青路面，旧水泥混凝土路面的改造均适用。
本发明可获得一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构。
附图说明
图1为本发明的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
具体实施方式一：本实施方式基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层1、石墨烯基导电沥青层2、导电形状记忆复合材料层3、绝缘沥青层4和面层5；所述的石墨烯基导电沥青层2内间隔排布有多个电极6；所述的隔热层1、石墨烯基导电沥青层2、导电形状记忆复合材料层3和绝缘沥青层4相邻的两层界面之间分别通过乳化沥青粘接剂粘结，面层5铺设在绝缘沥青层4上；
所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由10份～15份沥青、80份～120份集料、12～18份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的5％～10％，氧化石墨烯占沥青重量的2％～5％，改性碳纤维占沥青重量的8％～20％；
所述的改性碳纤维的制备方法如下：
①、将单宁酸置于pH为8.0的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌，得到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液；
②、向浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液中加入三氯化铁，搅拌均匀，再将碳纤维加入到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲液中，超声混合均匀，再在室温和搅拌速度为200r/min～500r/min下反应2h～4h，再进行过滤，去除滤液，将固体物质进行干燥，得到改性碳纤维；
步骤②中所述的碳纤维的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.3g～0.5g):(1mL～2mL)；
步骤②中所述的三氯化铁的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.1g～0.2g):(1mL～2mL)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2的制备方法如下：
一、按重量份数称取10份～15份沥青、80份～120份集料和12～18份矿粉；将沥青、集料和改性碳纤维在170℃～175℃下搅拌3min～5min，再加入矿粉搅拌2min～3min，得到初混料；
二、将导电形状记忆复合材料和氧化石墨烯加入到初混料中，再在155℃～165℃下搅拌2min～3min，采用马歇尔击实法，得到所述的石墨烯基导电沥青层(2)。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由12份～14份沥青、90份～110份集料、15～16份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的8％～9％，氧化石墨烯占沥青质量的3％～4％，改性碳纤维占沥青重量的10％～15％。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2的厚度为3cm～5cm，绝缘沥青层4的厚度为0.3cm～0.6cm。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的导电形状记忆复合材料层3由导电形状记忆复合材料制备而成，厚度为0.3cm～0.5cm。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的隔热层1是采用75份SBS改性乳化沥青和25份空心微珠混合制备而成，厚度为0.3cm～0.5cm。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的面层5为预防性养护封层或沥青混凝土，厚度为1.5cm～2.5cm。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：导电形状记忆复合材料是按照以下步骤制备的：
一、制备环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
①、将壳聚糖溶解到乙酸溶液中，然后加入全氟辛酸、苯胺和去离子水，搅拌20min～40min，再加入过硫酸铵水溶液，继续搅拌1h～2h，得到反应液；将反应液的pH值调节至中性，再加入无水乙醇，得到反应产物；
②、首先使用丙酮对反应产物进行清洗，再使用无水乙醇清洗，最后烘干，得到改性聚苯胺；
③、将改性聚苯胺和环氧树脂加入到丙酮中，得到悬浊液，再将悬浊液超声，再在温度为60℃～65℃下挥发丙酮，得到环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
步骤一③中所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或脂环族环氧树脂中的一种或几种；
步骤一③中所述的改性聚苯胺和环氧树脂的质量比为(0.1～0.3):1；
二、向环氧树脂/改性聚苯胺混合物中加入固化剂、CMP-410环氧树脂活性增韧剂和改性氧化石墨烯，再超声，最后将混合物倒入模具中固化成型，脱膜后得到导电形状记忆复合材料；
步骤二中所述的固化剂为邻苯二甲酸酐或二乙烯三胺，固化剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(20～40):100；
步骤二中所述的CMP-410环氧树脂活性增韧剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(20～30):100；
步骤二中所述的改性氧化石墨烯与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(5～10):100。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：所述的改性氧化石墨烯是按以下步骤制备的：
一、将氧化石墨烯和单宁酸加入到去离子水中，再超声分散，得到氧化石墨烯/单宁酸溶液；
步骤一中所述的氧化石墨烯/单宁酸溶液中氧化石墨烯的浓度为3mg/L～5mg/L，单宁酸的浓度为6mg/L～10mg/L；
步骤一中所述的超声分散的功率为200W～400W，超声分散的时间为0.5h～1h；
二、将氧化石墨烯/单宁酸溶液在反应温度为90℃～95℃和搅拌速度为500r/min～1000r/min的条件下反应8h～12h，得到改性氧化石墨烯。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一①中所述的乙酸溶液的质量分数为15％～25％；步骤一①中所述的全氟辛酸与苯胺的摩尔比为1:(4～7)；步骤一①中所述的壳聚糖的质量与苯胺的体积比为(2g～3g):(30mL～40mL)；步骤一①中所述的壳聚糖的质量与乙酸溶液的体积比为(2g～3g):(200mL～300mL)；步骤一①中所述的过硫酸铵水溶液的浓度为0.6mol/L～0.7mol/L；步骤一①中所述的乙酸溶液与去离子水的体积比为1:1；步骤一①中所述的乙酸溶液与无水乙醇的体积比为1:(2～3)；步骤一①中所述的乙酸溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1:(0.5～0.8)；步骤一②中首先使用丙酮对反应产物进行清洗3次～5次，再使用无水乙醇对反应产物进行清洗3次～5次，最后在60℃～65℃下真空干燥，得到改性聚苯胺；步骤二中所述的固化成型的工艺为：首先在60℃～70℃下固化2h～4h，然后在100℃～120℃下固化2h～3h，最后在130℃下固化2h～2.5h；步骤二中所述的超声时间为10min～15min。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层1、石墨烯基导电沥青层2、导电形状记忆复合材料层3、绝缘沥青层4和面层5；所述的石墨烯基导电沥青层2内间隔排布有多个电极6；所述的隔热层1、石墨烯基导电沥青层2、导电形状记忆复合材料层3和绝缘沥青层4相邻的两层界面之间分别通过乳化沥青粘接剂粘结，面层5铺设在绝缘沥青层4上；
所述的电极6为铜网电极；
所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由13份沥青、90份集料、14份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的8％，氧化石墨烯占沥青重量的4％，改性碳纤维占沥青重量的15％，集料的级配采用AC-20；
所述的改性碳纤维的制备方法如下：
①、将单宁酸置于pH为8.0的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌，得到浓度为1g/L的单宁酸缓冲溶液；
②、向浓度为1g/L的单宁酸缓冲溶液中加入三氯化铁，搅拌均匀，再将碳纤维加入到浓度为1g/L的单宁酸缓冲液中，超声混合均匀，再在室温和搅拌速度为500r/min下反应3h，再进行过滤，去除滤液，将固体物质进行干燥，得到改性碳纤维；
步骤②中所述的碳纤维的质量与浓度为1g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为0.4g:2mL；
步骤②中所述的三氯化铁的质量与浓度为1g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为0.15g:2mL。
实施例1所述的石墨烯基导电沥青层2的制备方法如下：
一、按重量份数称取13份沥青、90份集料和14份矿粉；将沥青、集料和改性碳纤维在170℃下搅拌5min，再加入矿粉搅拌3min，得到初混料；
二、将导电形状记忆复合材料和氧化石墨烯加入到初混料中，再在160℃下搅拌2.5min，采用马歇尔击实法，得到所述的石墨烯基导电沥青层2。
实施例1所述的石墨烯基导电沥青层2的厚度为4cm，绝缘沥青层4的厚度为0.3cm。
实施例1所述的所述的导电形状记忆复合材料层3由导电形状记忆复合材料制备而成，厚度为0.4cm。
实施例1所述的所述的隔热层1是采用75份SBS改性乳化沥青和25份空心微珠混合制备而成，厚度为0.5cm。
实施例1所述的所述的面层5为沥青混凝土，厚度为2cm。
实施例1所述的导电形状记忆复合材料是按照以下步骤制备的：
一、制备环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
①、将壳聚糖溶解到质量分数为20％的乙酸溶液中，然后加入全氟辛酸、苯胺和去离子水，搅拌30min，再加入0.6mol/L的过硫酸铵水溶液，继续搅拌1h，得到反应液；将反应液的pH值调节至中性，再加入无水乙醇，得到反应产物；
步骤一①中所述的全氟辛酸与苯胺的摩尔比为1:5；所述的壳聚糖的质量与苯胺的体积比为2g:30mL；所述的壳聚糖的质量与乙酸溶液的体积比为2g:200mL；所述的乙酸溶液与去离子水的体积比为1:1；所述的乙酸溶液与无水乙醇的体积比为1:2；所述的乙酸溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1:0.6；
②、首先使用丙酮对反应产物进行清洗，再使用无水乙醇清洗，最后烘干，得到改性聚苯胺；
步骤一②中首先使用丙酮对反应产物进行清洗5次，再使用无水乙醇对反应产物进行清洗5次，最后在60℃下真空干燥，得到改性聚苯胺；
③、将改性聚苯胺和环氧树脂加入到丙酮中，得到悬浊液，再将悬浊液超声，再在温度为60℃下挥发丙酮，得到环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
步骤一③中所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂；
步骤一③中所述的改性聚苯胺和环氧树脂的质量比为0.2:1；
二、向环氧树脂/改性聚苯胺混合物中加入固化剂、CMP-410环氧树脂活性增韧剂和改性氧化石墨烯，再超声，最后将混合物倒入模具中固化成型，脱膜后得到导电形状记忆复合材料；
步骤二中所述的固化剂为二乙烯三胺，固化剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为35:100；
步骤二中所述的CMP-410环氧树脂活性增韧剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为20:100；
步骤二中所述的改性氧化石墨烯与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为8:100；
步骤二中所述的固化成型的工艺为：首先在65℃下固化3h，然后在110℃下固化2h，最后在130℃下固化2h；步骤二中所述的超声时间为15min；
步骤二中所述的改性氧化石墨烯是按以下步骤制备的：
①、将氧化石墨烯和单宁酸加入到去离子水中，再超声分散，得到氧化石墨烯/单宁酸溶液；
步骤①中所述的氧化石墨烯/单宁酸溶液中氧化石墨烯的浓度为4mg/L，单宁酸的浓度为7mg/L；
步骤①中所述的超声分散的功率为300W，超声分散的时间为1h；
②、将氧化石墨烯/单宁酸溶液在反应温度为90℃和搅拌速度为1000r/min的条件下反应10h，得到改性氧化石墨烯。
实施例1制备的导电形状记忆复合材料的电阻率为0.09Ω·m，玻璃化转变温度为72℃，可以实现电—热驱动，最大回复应变为99.5％。
实施例2：本实施例与实施例1的不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由13份沥青、90份集料、14份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的8％，氧化石墨烯占沥青重量的3％，改性碳纤维占沥青重量的13％。其它步骤及参数与实施例1均相同。
实施例3：本实施例与实施例1的不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由13份沥青、90份集料、14份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的10％，氧化石墨烯占沥青重量的2％，改性碳纤维占沥青重量的10％。其它步骤及参数与实施例1均相同。
实施例4：本实施例与实施例1的不同点是：所述的石墨烯基导电沥青层2按重量份数由13份沥青、90份集料、14份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的7％，氧化石墨烯占沥青重量的3％，改性碳纤维占沥青重量的12％。其它步骤及参数与实施例1均相同。
对实施例1～4制备的石墨烯基导电沥青层进行电阻率、高温稳定性、低温抗裂性能、路面升温效果、水稳定性和老化性能进行测试。
1、电阻率测定：
实施例中的石墨烯基导电沥青层的电阻率测定按《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》BT 1410-2006测定电阻率，采用万用表来测量其电阻率，通过电阻率来反应实施例中的石墨烯基导电沥青层的导电特性，结果见表1所示：
表1
| 试件类型 | 电阻率(Ω·m) |
| 实施例1 | 1.57 |
| 实施例2 | 2.19 |
| 实施例3 | 1.86 |
| 实施例4 | 1.92 |
从表1可知，实施例中加入导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯和改性碳纤维能显著降低石墨烯基导电沥青层的电阻率，其中，导电形状记忆复合材料的电阻率仅仅为0.09Ω·m，导电形状记忆复合材料中由于使用了壳聚糖对聚苯胺进行改性，碳纤维使用单宁酸进行改性，单宁酸与壳聚糖可形成网络结构，提供了足够的电化学反应活性区域，显著提高了石墨烯基导电沥青层的导电性能。
2、高温稳定性检测
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011)，采用60度车辙试验的动稳定度来评价石墨烯基导电沥青层的高温稳定性。按标准成型车辙板试件进行高温车辙试验，试件尺寸300mm×300mm×50mm，结果如下见表2所示：
表2
| 试件类型 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 动稳定性次/分) | 6357 | 5894 | 6156 | 6083 |
由表2可知，改性碳纤维的加入能够形成三维空间网结构，起到传递和加筋的作用，与沥青的粘聚力相互重叠和补充，防止骨料的滑移，提高了抗变形能力，同时由于单宁酸中含有苯环，苯环有一定的刚性，超支化分子更坚硬一些，能够使碳纤维通过其网格结构进行抗变性能力加强，同时能够与导电形状记忆复合材料相互作用，增加了稳定性。
3、低温抗裂性能的测定
取实施例1～实施例4制备的石墨烯基导电沥青层在﹣10℃放置4h，室温放置4h为一个循环，连续三个循环后，实施例1～实施例4制备的石墨烯基导电沥青层表面均无裂纹。
4、路面升温效果测试
在旧沥青混凝土模拟路面上依次铺设实施例1～实施例4中的隔热层(1)、石墨烯基导电沥青层(2)、导电形状记忆复合材料层(3)、绝缘沥青层(4)和面层(5)，得到尺寸为300mm×300mm×300mm的试件；将组成的试件放入﹣10℃中，电极接40V外接电源，路面的升温效果如表3所示；
表3
由于表面温度达到0℃以上即可以实现融冰化雪，由表3可知，实施例1～4制备的基于石墨烯的自融雪路面铺装结构的发热效果好，当在﹣10℃中，电极接36V外接电源后120min都能达到5℃以上，因此，可以用于北方寒冷地区，同时本发明制备的石墨烯的自融雪路面对于新建沥青路面，旧沥青路面，旧水泥混凝土路面的改造均适用。
5、浸水马歇尔试验及试验结果分析
参照中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011，评价石墨烯基导电沥青层的水稳定性；分别在60℃水中浸泡30min和48h，取出后进行稳定度比较，结果见表4所示；
表4
由表4可知，导电形状记忆复合材料和改性碳纤维的加入对石墨烯基导电沥青层的水稳定性有改善效果，导电形状记忆复合材料中含有全氟辛酸，全氟辛酸具有—CF2—疏水结构，增加了水分进入的难度，因此，能够增大石墨烯基导电沥青层的水稳定性，改性碳纤维增强了石墨烯基导电沥青层的抗裂性能，因此实施例制备的石墨烯基导电沥青层的水稳定性能较好。
6、沥青的老化性能研究
沥青路面在使用过程中会出现老化的现象，老化会影响沥青路面的性能，因此研究沥青的老化性能的研究非常重要。本实验中石墨烯基导电沥青层的老化性能研究的温度设置为170℃，老化时间设为80min，实验指标为老化后的低温残留延度及残留针入度比，见表5所示；
表5
由表5可知，实施例1～4制备的石墨烯基导电沥青层的老化性能均优异，这是由于实施例1～4中添加了导电形状记忆复合材料和改性碳纤维，延缓了沥青的升温速率，改善了沥青的耐老化性能。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于基于石墨烯的自融雪路面铺装结构包括自下而上依次铺设在路面的隔热层(1)、石墨烯基导电沥青层(2)、导电形状记忆复合材料层(3)、绝缘沥青层(4)和面层(5)；所述的石墨烯基导电沥青层(2)内间隔排布有多个电极(6)；所述的隔热层(1)、石墨烯基导电沥青层(2)、导电形状记忆复合材料层(3)和绝缘沥青层(4)相邻的两层界面之间分别通过乳化沥青粘接剂粘结，面层(5)铺设在绝缘沥青层(4)上；
所述的石墨烯基导电沥青层(2)按重量份数由10份～15份沥青、80份～120份集料、12～18份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的5％～10％，氧化石墨烯占沥青重量的2％～5％，改性碳纤维占沥青重量的8％～20％；
所述的改性碳纤维的制备方法如下：
①、将单宁酸置于pH为8.0的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌，得到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液；
②、向浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液中加入三氯化铁，搅拌均匀，再将碳纤维加入到浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲液中，超声混合均匀，再在室温和搅拌速度为200r/min～500r/min下反应2h～4h，再进行过滤，去除滤液，将固体物质进行干燥，得到改性碳纤维；
步骤②中所述的碳纤维的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.3g～0.5g):(1mL～2mL)；
步骤②中所述的三氯化铁的质量与浓度为0.5g/L～1.5g/L的单宁酸缓冲溶液的体积比为(0.1g～0.2g):(1mL～2mL)。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的石墨烯基导电沥青层(2)的制备方法如下：
一、按重量份数称取10份～15份沥青、80份～120份集料和12～18份矿粉；将沥青、集料和改性碳纤维在170℃～175℃下搅拌3min～5min，再加入矿粉搅拌2min～3min，得到初混料；
二、将导电形状记忆复合材料和氧化石墨烯加入到初混料中，再在155℃～165℃下搅拌2min～3min，采用马歇尔击实法，得到所述的石墨烯基导电沥青层(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的石墨烯基导电沥青层(2)按重量份数由12份～14份沥青、90份～110份集料、15～16份矿粉、导电形状记忆复合材料、氧化石墨烯、改性碳纤维组成；其中，导电形状记忆复合材料占沥青重量的8％～9％，氧化石墨烯占沥青质量的3％～4％，改性碳纤维占沥青重量的10％～15％。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的石墨烯基导电沥青层(2)的厚度为3cm～5cm，绝缘沥青层(4)的厚度为0.3cm～0.6cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的导电形状记忆复合材料层(3)由导电形状记忆复合材料制备而成，厚度为0.3cm～0.5cm。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的隔热层(1)是采用75份SBS改性乳化沥青和25份空心微珠混合制备而成，厚度为0.3cm～0.5cm。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的面层(5)为预防性养护封层或沥青混凝土，厚度为1.5cm～2.5cm。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于导电形状记忆复合材料是按照以下步骤制备的：
一、制备环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
①、将壳聚糖溶解到乙酸溶液中，然后加入全氟辛酸、苯胺和去离子水，搅拌20min～40min，再加入过硫酸铵水溶液，继续搅拌1h～2h，得到反应液；将反应液的pH值调节至中性，再加入无水乙醇，得到反应产物；
②、首先使用丙酮对反应产物进行清洗，再使用无水乙醇清洗，最后烘干，得到改性聚苯胺；
③、将改性聚苯胺和环氧树脂加入到丙酮中，得到悬浊液，再将悬浊液超声，再在温度为60℃～65℃下挥发丙酮，得到环氧树脂/改性聚苯胺混合物；
步骤一③中所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或脂环族环氧树脂中的一种或几种；
步骤一③中所述的改性聚苯胺和环氧树脂的质量比为(0.1～0.3):1；
二、向环氧树脂/改性聚苯胺混合物中加入固化剂、CMP-410环氧树脂活性增韧剂和改性氧化石墨烯，再超声，最后将混合物倒入模具中固化成型，脱膜后得到导电形状记忆复合材料；
步骤二中所述的固化剂为邻苯二甲酸酐或二乙烯三胺，固化剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(20～40):100；
步骤二中所述的CMP-410环氧树脂活性增韧剂与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(20～30):100；
步骤二中所述的改性氧化石墨烯与环氧树脂/改性聚苯胺混合物中环氧树脂的质量比为(5～10):100。
9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于所述的改性氧化石墨烯是按以下步骤制备的：
一、将氧化石墨烯和单宁酸加入到去离子水中，再超声分散，得到氧化石墨烯/单宁酸溶液；
步骤一中所述的氧化石墨烯/单宁酸溶液中氧化石墨烯的浓度为3mg/L～5mg/L，单宁酸的浓度为6mg/L～10mg/L；
步骤一中所述的超声分散的功率为200W～400W，超声分散的时间为0.5h～1h；
二、将氧化石墨烯/单宁酸溶液在反应温度为90℃～95℃和搅拌速度为500r/min～1000r/min的条件下反应8h～12h，得到改性氧化石墨烯。
10.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯的自融雪路面铺装结构，其特征在于步骤一①中所述的乙酸溶液的质量分数为15％～25％；步骤一①中所述的全氟辛酸与苯胺的摩尔比为1:(4～7)；步骤一①中所述的壳聚糖的质量与苯胺的体积比为(2g～3g):(30mL～40mL)；步骤一①中所述的壳聚糖的质量与乙酸溶液的体积比为(2g～3g):(200mL～300mL)；步骤一①中所述的过硫酸铵水溶液的浓度为0.6mol/L～0.7mol/L；步骤一①中所述的乙酸溶液与去离子水的体积比为1:1；步骤一①中所述的乙酸溶液与无水乙醇的体积比为1:(2～3)；步骤一①中所述的乙酸溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1:(0.5～0.8)；步骤一②中首先使用丙酮对反应产物进行清洗3次～5次，再使用无水乙醇对反应产物进行清洗3次～5次，最后在60℃～65℃下真空干燥，得到改性聚苯胺；步骤二中所述的固化成型的工艺为：首先在60℃～70℃下固化2h～4h，然后在100℃～120℃下固化2h～3h，最后在130℃下固化2h～2.5h；步骤二中所述的超声时间为10min～15min。
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