石墨烯改性乳化沥青在公路隧道内部路面的抗水损害性能及智能监测技术研究

公路隧道是重要交通基础设施，内部运营环境封闭、湿度高、空气流通受限。冷凝水、尾气排放和光照不足等因素，使传统沥青路面易发生水损害[1]。开发抗水损害新型隧道路面材料并高效精准监测路面服役状态，是提升隧道运营安全与耐久性的迫切需求。近年来，纳米材料改性沥青技术为提升路面性能提供新途径，石墨烯因独特结构、大比表面积、高力学强度、优异阻隔性及导电性，在沥青改性领域潜力大[2]。但如何将其有效用于隧道特殊环境乳化沥青体系，发挥抗水损优势并探索其在路面智能监测中的应用，还需深入研究。

1. 石墨烯改性乳化沥青（GMEA）的抗水损害机理

石墨烯对乳化沥青性能的提升，关键在于其纳米片层在沥青体系中的稳定分散及其与沥青、集料界面的多重相互作用。其核心抗水损机制表现为物理阻隔与化学键合的协同效应。

1.1 物理阻隔屏障

经过特定功能化处理的石墨烯纳米片 通过高速剪切等工艺均匀分散于乳化沥青中。在水分蒸发、沥青破乳成膜后，这些纳米片层在沥青胶 高度曲折的“迷宫式”物理屏障。该屏障能显著延长环境水分、溶解性盐分以及氧气等有害介 路径，有效阻碍其向对水损害最为敏感的沥青-集料界面区域迁移。这种物理阻隔作用直接降低了水分子及有害离子侵蚀界面粘结层的速率和程度。

1.2 化学键合增强

石墨烯片层表面丰富的含氧官能团为与沥青活性组分发生化学相互作用提供了活性位点。二者之间可形成化学键合或强氢键作用。这种作用显著增强了改性沥青胶浆自身的内聚力（Cohesion）。更为关键的是，功能化石墨烯还能通过其官能团与集料表面发生强相互作用，形成“沥青-石墨烯-集料”的强固桥梁，大幅提升了整个沥青-集料体系的粘附功（AdhesionWork）[3]。这种化学键合作用从根本上强化了界面抵抗水分子置换的能力，提高了体系在湿热环境下的抗剥落性。

此外，均匀分散的石墨烯网络结构也有效改善了沥青胶浆的流变性能。这些综合性能的提升，为抵抗隧道内反复的干湿循环、温度波动及车辆动态荷载提供了坚实的材料基础，共同构成了GMEA 卓越的抗水损害能力。

2. 基于GMEA 的隧道路面智能监测技术

突破传统路面状态检测方法的滞后性与局部性局限，本研究利用石墨烯赋予GMEA 的本征导电特性，将路面材料本身转化为感知元件，构建嵌入式压阻传感网络，实现智能监测。

2.1 传感原理与系统构建

在GMEA 路面结构铺筑过程中，根据监测需求将特定设计的耐候、耐久电极阵列预埋其中。这些电极与具有导电性的GMEA 材料共同构成分布式传感网络。其核心监测原理在于GMEA 的压阻效应：当路面结构在车辆荷载、温度应力或水损害发展过程中发生微小形变或产生损伤时，会导致材料内部局部应力场发生改变。这种应力变化会引起GMEA 内部导电网络的重构——石墨烯片层之间的间距增大、接触点数量减少或接触电阻增大，最终表现为预埋电极对之间电阻值的显著变化。电阻的变化量与损伤的位置、类型和严重程度密切相关。

2.2 数据采集与状态可视化

通过集成于隧道内的低功耗、抗电磁干扰数据采集系统，实时、在线获取各电极对间的电阻信号。结合先进的电阻层析成像（ERT）技术或分布式传感信号处理算法，对采集到的海量电阻数据进行处理与反演计算。ERT技术能够根据边界电极测量得到的电压/电流数据，重建材料内部电导率（或电阻率）的分布图像。通过分析不同时刻电导率分布图像的变化，即可实现对隧道路面结构内部应力分布热点、微损伤的萌生位置、扩展方向及趋势的非破坏性、空间可视化监测。这相当于为路面结构内部状态提供了“X 光透视”能力[4]。

这种“材料即传感器”（Material-as-Sensor）的理念，使得路面自身成为其健康状态的实时报告者，实现了从被动、离线、点式检测向主动、在线、全场监测的根本性转变，为隧道管养部门提供前所未有的早期预警和决策支持信息。

3. 材料工艺优化与工程应用挑战

实现GMEA 及其智能监测系统在隧道工程中的成功应用，依赖于精细的材料工艺优化和可靠的系统集成，主要涉及以下关键环节：

（1）石墨烯分散稳定性控制。这是发挥石墨烯改性效果的前提。必须通过石墨烯的表面功能化改性（提高其与沥青的相容性）和高效的分散工艺（如高速剪切结合使用合适的稳定剂或表面活性剂），确保石墨烯纳米片在乳化沥青体系中达到纳米级别的均匀分散，并具备长期的储存和施工稳定性，防止团聚。

（2）性能与成本平衡。石墨烯的掺量是影响改性效果和成本的关键因素。需通过系统试验优化掺量，在保证显著提升抗水损性能和具备足够导电性以满足监测需求的同时，兼顾材料的经济可行性。

（3）嵌入式传感网络可靠性。预埋电极的材料选择、结构设计、封装保护和布置方案至关重要。电极必须能承受高温摊铺、重型机械碾压的施工过程，并在隧道长期潮湿、化学侵蚀的严苛服役环境中保持电气连接的可靠性和信号传输的稳定性，确保监测系统的长期有效运行。

（4）监测系统集成与诊断模型。开发适用于隧道昏暗、封闭、多干扰环境的低功耗数据采集节点、可靠的数据传输网络及边缘/云端数据处理平台。核心挑战在于建立电极电阻变化与路面实际物理状态之间的定量标定关系，并开发基于机器学习等技术的智能诊断算法，实现损伤的自动识别、定位与程度评估。实验室系统测试与足尺试验段验证是建立可靠模型和算法不可或缺的环节，结果已初步证实GMEA 路面不仅抗水损性能优异，且对早期微损伤具有灵敏的响应能力。

4. 小结与展望

综上所述，GMEA 应用于公路隧道内部路面，可通过形成致密物理阻隔屏障和强化沥青-集料界面化学键合的双重协同机制，显著提升公路隧道路面的抗水侵蚀与抗剥落能力。石墨烯的本征导电特性转化为智能感知功能，构建GMEA 嵌入式压阻传感网络并融合ERT 技术，可实现对隧道内路面结构内部应力状态及微损伤萌生、扩展过程的原位、实时、空间可视化监测，为路面健康状态的精准评估和预防性养护决策提供了革命性的数据支持。未来的研究工作应着重提升监测系统在复杂隧道环境下的鲁棒性、诊断结果的精准度以及技术的工程适用性，加速该创新技术体系在公路隧道安全、高效、智能化运维中的实际转化与应用。

参考文献：

[1] 路永春. 高固含量改性乳化沥青在同步碎石封层技术中的应用[J]. 河南科技,2020(20):119-121.

[2] 刘克非,李超,朱俊材,等. 氧化石墨烯-改性竹纤维复合改性乳化沥青稀浆封层混合料性能研究[J].新型建筑材料,2020,47(10):93-97,146.

[3] 吴博. 氧化石墨烯-玄武岩纤维对水泥乳化沥青胶砂性能的影响[J]. 北方交通,2020(12):65-68.

[4] 张宗伟,何凯. 石墨烯类材料改性沥青的研究进展[J]. 中外公路,2025,45(1):100-108.