纳米氧化石墨烯和碳纳米管对暴露于除冰盐的沥青路面低温开裂的影响研究

《Materials Today Communications》：Investigation into the Impact of Nano-Graphene Oxide and Carbon Nanotubes on the Low-Temperature Cracking of Asphalt Roads Exposed to Deicing Salts

　　

由于盐渗入地下水和土壤，寒冷高降水地区携带除冰盐的径流引起腐蚀并引发环境问题；这些问题促使研究人员努力开发具有增强抗盐腐蚀耐久性的混合料。因此，研究人员采用了一个全面的实验室计划来评估在盐水环境中用碳纳米管（CNT）和纳米氧化石墨烯（NGO）改性的沥青和沥青混凝土（AC）的低温开裂。基础材料包括两种沥青等级、两种集料类型、两种纳米材料以及三种除冰盐（NaCl、CaCl₂和MgCl₂）。通过半圆弯曲试验（SCB）测定了沥青混凝土（AC）的断裂能（FE）和断裂韧性（FT）。通过拉脱试验（Pull-off test）获得了沥青-集料粘附/内聚拉脱拉伸强度（APOTS/CPOTS）。通过弯曲梁流变仪试验（BBR）评估了沥青的低温流变性能（蠕变刚度和m值）。潮湿条件下的除冰盐对AC造成了严重损伤。这种损伤表现为沥青中蠕变刚度升高、m值降低、混合料中FE和FT降低，以及沥青-集料系统内APOTS和CPOTS减弱。在低温下，CaCl₂造成的损伤最大，而NaCl造成的损伤最小。CaCl₂引起的FE和FT值降低分别评估为70%和60%。具体而言，在沥青中使用0.6%的NGO使FE和FT值平均增加了1.2倍。这表明NGO补偿了除冰盐的破坏效应。

在寒冷高降水地区，除冰盐的径流渗入地下水与土壤，引发腐蚀问题并加剧环境担忧。这些盐类（如NaCl、CaCl₂、MgCl₂）在冬季道路维护中广泛使用，但其对沥青路面的损害日益严重，尤其表现为低温开裂。现有研究表明，纳米氧化石墨烯（NGO）和碳纳米管（CNT）能有效提升沥青的流变、断裂及粘附/内聚性能，但在盐水环境下的低温性能研究尚不充分。为此，研究人员开展了一项全面的实验室研究，评估CNT和NGO改性沥青及沥青混凝土（AC）在除冰盐溶液影响下的低温开裂行为，旨在为寒冷地区提供耐盐腐蚀的耐久性混合料设计依据。该论文发表在《Materials Today Communications》。

研究人员采用的关键技术方法包括：半圆弯曲试验（SCB）测定AC的断裂能（FE）和断裂韧性（FT）；拉脱试验（Pull-off test）测定沥青-集料系统的粘附拉脱拉伸强度（APOTS）和内聚拉脱拉伸强度（CPOTS）；弯曲梁流变仪试验（BBR）测定沥青的蠕变刚度和m值。样本来源涉及两种沥青（PG 58-22和PG 64-16）、两种集料（石灰岩和花岗岩）、两种纳米材料（CNT和NGO，含量0.3%和0.6%的沥青质量）以及三种除冰盐（NaCl、CaCl₂、MgCl₂）。环境 conditioning 包括盐溶液浸泡、冻融循环及低温测试（-10°C和-20°C）。

**5.1 蠕变刚度（Creep Stiffness）**
通过BBR试验发现，盐水环境显著增加了所有沥青的蠕变刚度，表明其柔韧性降低、低温开裂风险增大。CaCl₂导致最严重的刚化，NaCl影响最小。CNT和NGO的掺入有效降低了蠕变刚度，其中NGO效果更优，0.6%用量下蠕变刚度降低15-20%。这归因于纳米材料形成的屏障抑制了盐离子和水分侵入，减缓了氧化老化。

**5.2 m值（m-Value）**
BBR试验显示，盐水环境降低了沥青的m值，即应力松弛能力减弱。CaCl₂和MgCl₂的负面效应大于NaCl。CNT和NGO提高了m值，0.6%用量下m值提升12-18%，NGO略优于CNT，说明纳米材料增强了沥青在低温下释放热应力的能力。

**5.3 断裂能（FE）**
SCB试验表明，盐水环境导致AC的FE显著降低，其中CaCl₂使FE下降达70%。CNT和NGO显著提升了FE，0.6%NGO使FE平均增加40%，甚至超过纯水条件下的对照组。纳米材料通过桥接微裂纹和耗散能量来增强抗裂性。

**5.4 断裂韧性（FT）**
SCB试验显示，FT在盐水环境中大幅下降，CaCl₂导致FT降低60%。CNT和NGO提高了FT，0.6%用量下FT平均增加30%（NGO）和25%（CNT）。纳米材料的随机分布形成三维网络，阻碍裂纹扩展并消耗能量。

**5.5 内聚拉脱拉伸强度（CPOTS）**
Pull-off试验表明，盐水环境降低了沥青的内聚强度，CaCl₂破坏最严重。CNT和NGO增强了CPOTS，0.6%NGO使CPOTS平均增加35%。纳米材料通过机械互锁和分子间作用力强化了沥青基体。

**5.6 粘附拉脱拉伸强度（APOTS）**
Pull-off试验显示，盐水环境削弱了沥青-集料界面粘附，CaCl₂和MgCl₂影响大于NaCl。CNT和NGO提高了APOTS，0.6%NGO使APOTS平均增加40%。NGO的含氧官能团与集料形成强氢键，而CNT提供机械互锁。

**5.7 统计分析**
独立样本t检验表明，0.3%和0.6%的CNT/NGO均显著改善了所有低温性能参数（p<0.05），且0.6%用量效果更优，证明了纳米材料改性的技术有效性。

总结讨论部分，研究人员指出，除冰盐的破坏作用主要源于离子诱导的氧化老化、盐结晶以及界面化学键破坏。CNT和NGO通过抑制离子渗透、增强裂纹桥接和提高界面粘附力来缓解损伤。其中，NGO因片层结构和含氧官能团表现出更优的综合性能。PG 64-16沥青与石灰岩集料组合是未改性时的最佳基础组合，而0.6%NGO改性PG 64-16与石灰岩组合在盐水低温环境下展现出最高的FE、FT、CPOTS、APOTS、m值及最低的蠕变刚度，被推荐为最耐低温开裂的混合料。

研究结论翻译如下：
鉴于寒冷地区AC在除冰盐腐蚀下极易发生低温开裂，本研究评估了CNT和NGO改性AC在盐水低温环境下的流变性能、断裂性能及粘附/内聚性能，旨在为严酷环境中的耐久性混合料提供全面视角和实用方案。主要发现包括：
- 除冰盐在潮湿条件下导致AC严重劣化，表现为沥青蠕变刚度升高、m值降低、混合料FE和FT降低、以及沥青-集料系统APOTS和CPOTS减弱。
- 对比除冰盐，CaCl₂在低温下破坏最大，NaCl最小，破坏排序为CaCl₂ > MgCl₂ > NaCl。
- 在-20°C低温下，AC及其沥青-集料界面在抵抗内聚和粘附破坏方面表现最弱，沥青的蠕变刚度和m值达到最易受热应力损伤的临界点。
- NGO和CNT显著提升了FE、FT、APOTS、CPOTS，同时降低了蠕变刚度并提高了沥青的松弛能力（m值），抑制了低温裂纹的萌生和扩展。
- 0.6%CNT使蠕变刚度降低15-20%，m值提高12-18%，FE和FT平均增加35%和25%。
- 0.6%NGO使CPOTS和APOTS平均增加35%和40%，FE和FT平均增加40%和30%。
- NGO在改善低温性能方面优于CNT，且将两种纳米材料用量从0.3%增至0.6%显著增强了其提升效果。
- PG 64-16与石灰岩组合是最优基础混合料，而0.6%NGO改性PG 64-16与石灰岩组合在除冰盐潮湿条件下表现出最高的CPOTS、APOTS、FE、FT、m值及最低的蠕变刚度，因此被推荐为最耐低温开裂的混合料。
- 最弱组合为硅质集料与PG 58-22沥青的未改性混合料，暴露于CaCl₂潮湿条件。