碳纳米材料对钢纤维增强沥青混凝土自修复性能的影响：从电学和热学的角度探讨

《Sustainable Materials and Technologies》：Influence of carbon nanomaterials on self-healing properties of steel fiber reinforced asphalt concrete: From electrical and thermal perspectives

钢纤维改性沥青混凝土中碳纳米材料分散方法对电磁加热自修复性能的影响研究。通过高速剪切和球磨法掺入碳纳米管和导电石墨，分析发现高速剪切法能有效提升6mm钢纤维体系的热导率8.6%，使电导率降低40%，显著提高自修复指数达27.3%。微观结构显示碳纳米材料均匀分散可形成导热网络，分子动力学模拟证实其促进沥青分子链重组。对比13mm钢纤维体系，碳纳米材料因孔隙填充导致热导率提升但自修复指数下降41.3%。研究提出碳基复合材料与短钢纤维协同可优化电磁热转化效率，为智能可持续道路材料设计提供新思路。

　　在现代道路建设与维护领域，提高沥青混凝土的自修复能力成为一项重要的研究方向。传统被动维护方法，如裂缝填充、路面翻新和原位热再生，虽然在一定程度上能够延长道路使用寿命，但往往难以及时有效地应对微观损伤。而自修复能力则能够实现对微小裂缝的快速修复，从而避免结构恶化，提升道路的耐久性与使用寿命。这一特性不仅有助于缓解城市道路的维护压力，还契合绿色交通发展的核心目标。然而，普通沥青混凝土在自然环境下的自修复性能较为有限，主要是由于沥青结合料的流动性不足，导致其在高温环境下无法有效流动并填充裂缝。

为了解决这一问题，近年来研究者们尝试通过引入功能性填料来增强沥青混凝土的自修复能力。碳纳米材料因其优异的导电性和导热性，以及良好的粘附性，成为一种备受关注的新型添加剂。这些材料不仅能够改善沥青结合料的热传导性能，还能在电磁感应下通过增强涡电流来提高沥青混凝土的自修复效率。此外，碳纳米材料还能够改变沥青结合料的特性，使其在特定条件下具备更好的自修复能力。研究表明，碳纳米材料在沥青混凝土中具有良好的分散性，能够在微观层面形成有效的导电网络，从而提升整体的热传导效率和自修复能力。

然而，碳纳米材料的引入也伴随着一些挑战。由于其高比表面积和强表面活性，碳纳米材料在沥青混凝土中容易发生团聚，这不仅会影响其分散效果，还可能导致局部应力集中，增加沥青混凝土的开裂风险。此外，碳纳米材料的分布不均也会影响沥青混凝土的某些性能，尤其是热传导能力。因此，选择合适的混合方法对于优化碳纳米材料在沥青混凝土中的应用至关重要。目前，常见的混合方法包括湿混和干混两种。湿混方法通常涉及将碳纳米材料溶解在溶剂中，再将其加入沥青结合料中，在适宜温度下进行搅拌，直到溶剂完全蒸发。这种方法能够实现碳纳米材料的均匀分散，但需要选择合适的溶剂并确保其完全蒸发，操作过程较为复杂。

相比之下，干混方法更为简便，通常通过机械搅拌或高速剪切（HS）方法将碳纳米材料直接加入沥青结合料中。其中，高速剪切方法因其能够通过离心力产生的剪切效应实现纳米材料的均匀分散，成为当前最常用的方法之一。这种方法不仅能够有效防止碳纳米材料的团聚，还能够实现更合理、更高效的混合效果。此外，球磨（BM）方法也是一种有效的分散手段，它通过材料与研磨球之间的相互作用，实现碳纳米材料的均匀分布，尤其适用于有机改性剂和废机油等材料的混合。球磨方法不仅能够实现碳纳米材料的均匀分散，还具备较低的设备投资和运营成本，适合大规模生产。

本研究旨在探讨碳纳米材料与钢纤维混合使用对沥青混凝土电气、热学和自修复性能的影响。通过比较不同的分散方法，如高速剪切和球磨，以及选择不同长度的钢纤维（6 mm和13 mm），研究其对沥青混凝土自修复性能的具体影响。研究还通过扫描电子显微镜（SEM）观察和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，揭示碳纳米材料对沥青结合料微观结构和分子组成的影响。实验结果显示，虽然碳纳米材料能够提升含有13 mm钢纤维的沥青混凝土半圆形弯曲试件（SCB）的初始宏观裂缝载荷和峰值载荷，但其对自修复指数（SHI）的影响却较为显著，这是由于碳纳米材料填充孔隙、提高热传导性所导致的。

在具体实验中，研究人员将螺旋形碳纳米管（H-CNTs）、镍镀碳纳米管（Ni-CNTs）和导电石墨烯（GC）通过高速剪切方法加入含有6 mm钢纤维的沥青混凝土中，结果表明，这些材料能够显著提升沥青混凝土在修复后的初始宏观裂缝载荷和自修复指数。其中，H-CNTs、Ni-CNTs和GC分别提升了12.7% / 17.5%、11.4% / 13.5%和27.3% / 32.5%。这表明，不同的碳纳米材料在提升沥青混凝土自修复性能方面具有不同的效果。同时，研究还发现，这些材料能够有效提高沥青混凝土的导热性，使其在6 mm钢纤维的沥青混凝土中导热性提升8.6%。此外，交流电阻率（测量频率为100 kHz）也有所下降，范围在4.2%至40.0%之间，而电容则有所增加，从而增强了磁感应下的涡电流生成，提高了热能转换效率。

研究还通过温度曲线的变化，验证了热能转换的效率。快速上升和缓慢冷却的温度曲线表明，碳纳米材料的加入能够显著提升沥青混凝土的热能转换效率。导电石墨烯由于其二维结构和高导电性，在热能生成和沥青结合料分子结构转变方面表现出色。实验结果表明，石墨烯能够将沥青结合料的分子结构转变为更细、更长的链，从而提升其自修复能力。此外，石墨烯还能够显著改善沥青结合料的弹性恢复性能，使其在高温环境下具备更好的自修复效果。

然而，研究也发现，通过球磨方法将H-CNTs和GC加入沥青混凝土中，对自修复指数的影响不如高速剪切方法显著。这可能是由于球磨方法导致纳米材料在沥青基质中的分布不均，增加了热传导损失，这在电容的增加中有所体现。因此，选择合适的混合方法对于优化碳纳米材料在沥青混凝土中的应用至关重要。

本研究不仅关注碳纳米材料与钢纤维的协同作用，还探讨了不同长度的钢纤维对沥青混凝土自修复性能的影响。研究结果表明，6 mm钢纤维在配合碳纳米材料时，能够有效提升沥青混凝土的自修复性能，而13 mm钢纤维虽然在导电性和导热性方面表现更好，但其对沥青混凝土压实度和施工性能的不利影响，使其在实际应用中受到一定限制。因此，选择合适的钢纤维长度对于提升沥青混凝土的自修复性能具有重要意义。

此外，研究还发现，碳纳米材料的加入能够显著提升沥青混凝土的导电性和导热性，从而增强其在电磁感应下的自修复能力。这不仅能够提高沥青混凝土的自修复效率，还能够减少维护频率和成本，促进资源节约和碳排放减少，推动可持续发展。因此，碳纳米材料在提升沥青混凝土自修复性能方面具有重要的应用前景。

本研究的结论表明，碳纳米材料的加入能够显著提升沥青混凝土的自修复性能，尤其是在配合钢纤维的情况下。高速剪切方法因其能够实现碳纳米材料的均匀分散，成为最推荐的混合方法。同时，研究还发现，不同类型的碳纳米材料在提升自修复性能方面具有不同的效果，其中导电石墨烯表现出最佳的性能。此外，研究还指出，球磨方法虽然能够实现碳纳米材料的均匀分布，但其对自修复指数的影响不如高速剪切方法显著，这可能是由于纳米材料在沥青基质中的分布不均所导致的。

通过本研究的探索，可以为自修复沥青混凝土的设计和制备提供新的思路和方法。研究不仅关注碳纳米材料与钢纤维的协同作用，还探讨了不同混合方法对自修复性能的影响。这些发现对于提升沥青混凝土的耐久性、延长使用寿命、减少维护频率和成本，以及推动可持续发展具有重要意义。同时，研究还揭示了碳纳米材料在提升沥青混凝土自修复性能方面的潜在机制，为未来的相关研究提供了理论支持。

总之，本研究通过实验和分析，揭示了碳纳米材料在提升沥青混凝土自修复性能方面的潜力，尤其是在配合钢纤维的情况下。研究还比较了不同的混合方法对自修复性能的影响，指出高速剪切方法是最有效的。此外，研究还发现，不同类型的碳纳米材料在提升自修复性能方面具有不同的效果，其中导电石墨烯表现出最佳的性能。这些发现不仅有助于提升沥青混凝土的自修复能力，还为未来的研究和应用提供了重要的参考价值。