SBS-石墨烯复合改性沥青流变性能研究

黄瑾瑜 叶群山

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙 410114)

在科技化的21世纪，纳米技术与我们的生活息息相关，因此，众多科研人员在纳米技术的运用发展方面投入了大量的时间与精力。纳米材料相对于传统材料，因其在尺寸方面的优势而具备了丰富且优良的性能表现。若将纳米技术与道路材料结合，可预见其对于道路的发展将产生深远的影响。

在2004年，英国曼彻斯特大学的Geim 和Novoselov[1]通过胶带剥离石墨片的方式，获得了目前世界上最薄的二维纳米材料石墨烯。通过研究发现石墨烯具有优异的力学性能[2]、极高的导热性[3]、高电子迁移率及优异的阻隔性能[4-6]等，使得其在复合材料、传感器、储能及催化材料等领域具有极其广阔的应用前景。目前有关石墨烯的研究主要集中于高性能复合薄膜、新能源电池等方面，但在路面结构材料方面的应用研究还未见涉及。

本文通过将石墨烯与SBS改性剂混合搅拌后加入基质沥青中进行高速剪切制备相应的复合改性沥青。同时通过试验，对比研究石墨烯掺量对改性沥青常规技术指标的影响趋势。最后对复合改性沥青进行进行动态剪切流变试验温度扫描试验，探索石墨烯对沥青高温抗车辙性能的影响规律。

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

1) 基质沥青。选用湖南宝利沥青有限公司生产的70号基质沥青。

2) SBS改性剂。选用中国石化燕化茂名分公司生产的SBS改性剂。

3) 石墨烯。选用苏州碳丰科技有限公司生产的多层石墨烯。

1.2 SBS-石墨烯复合改性沥青的制备和实验方法

选取掺量为5%的SBS改性剂，并分别掺入0%，1%，1.5%，2%的石墨烯粉末混合摇匀后，添加到150 ℃的基质沥青中充分搅拌并溶胀15 min后再高速剪切90 min，剪切过程中保持温度为180 ℃、转速为5 000 r/min，最后制得SBS-石墨烯复合改性沥青。

按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定方法对制得的复合改性沥青进行针入度、软化点及延度试验。

使用动态剪切流变仪DSR对SBS-石墨烯复合改性沥青进行温度扫描试验，其温度范围为45～85 ℃，控制其应变值γ=12%、加载角频率ω=10 rad/s。

2 实验结果分析

2.1 改性沥青常规指标

改性沥青常规指标见表1所示。

表1 复合改性沥青常规试验指标

由表1可见：

1) 在25 ℃下，沥青针入度随石墨烯掺量的增加呈减小趋势。当石墨烯掺量为1%时，复合改性沥青的针入度下降幅度略大于其他掺量。

2) 改性沥青的软化点随石墨烯掺量的增加而逐渐升高，当石墨烯掺量增大到2%时，软化点增大趋势变缓。

3) 当延度的测试温度为5 ℃时，经过石墨烯改性后的沥青延度比未掺入石墨烯的沥青有大幅降低。特别是当石墨烯掺量为1%时，改性沥青的延度减小了50%。

上述分析表明，石墨烯的加入不仅提高了SBS改性沥青的稠度，且对改性沥青起到了硬化的效果，一定程度上改善了SBS改性沥青的高温性能。但是掺入SBS改性沥青中的石墨烯作为无机纳米材料在沥青中无法相互交联，且在一定程度上阻碍了沥青的自由流动。因此在低温情况下，石墨烯对沥青抵抗塑性变形的能力产生了一定的负面作用，造成沥青内部产生了一定量的应力集中点，使得沥青在低温受拉状态下，更易出现断裂破化。

2.2 DSR温度扫描

2.2.1石墨烯对沥青复数剪切模量的影响

复数剪切模量G*是材料在处于重复剪切变形状态下抵抗其所受变形总阻力能力的体现。4种改性沥青的复数剪切模量G*变化情况见图1所示。

图1 沥青复数剪切模量-温度变化曲线图

由图1可见，随着温度的逐渐升高，SBS改性沥青及掺入石墨烯后的复合改性沥青的G*均呈现下降趋势，说明温度上升导致沥青弹性能力降低。同时，掺入石墨烯后的SBS改性沥青的复数剪切模量G*高于未掺石墨烯的改性沥青，表明由于石墨烯的加入，沥青的高温抗变形能力得到了一定的改善。其中，在45～60 ℃范围内，以1%石墨烯掺量的复合改性沥青的G*最高，而当温度为65～85 ℃时，则2%石墨烯掺量的复合改性沥青的G*最高。说明在温度相对较低范围内，少量石墨烯的掺入即可改善SBS改性沥青的抗变形能力，而随着温度的增加，在沥青内部阻止沥青胶体高温流动所需要的石墨烯也随之增加，因此，高掺量石墨烯复合改性沥青在相对高温下的抗变形能力更强。

2.2.2石墨烯对沥青相位角的影响

相位角δ反应了沥青中粘性与弹性成分比例关系。在粘弹性材料产生变形过程中，其应变的发生会相应地滞后于应力。若δ值越大，则表明其应变滞后情况更为明显，即沥青所含粘性成分更多，而沥青的变形恢复能力就越差。4种改性沥青沥青的相位角δ变化见图2所示。

图2 沥青相位角-温度变化曲线图

由图2可见，随着温度上升，4种沥青的相位角均呈现出上升趋势，说明温度升高导致沥青内部的粘性成分增加，使得沥青的弹性恢复能力降低。经过仔细对比，在45～52 ℃时，未掺石墨烯的SBS改性沥青的相位角明显低于掺加石墨烯后的改性沥青；在52～77 ℃的温度范围内，2%掺量的SBS-石墨烯复合改性沥青的相位角低于其他3种改性沥青；而在77～85 ℃的温度范围内，相位角则以1.5%石墨烯掺量的改性沥青更优，1%石墨烯掺量稍次之。从以上对比可以看出，在温度上升初期，SBS改性剂对于沥青内部弹性成分的有效影响起主要作用，石墨烯的掺入并不利于该温度段内沥青的变形恢复能力。但是随着温度的逐渐上升，石墨烯的掺入有效地减缓了沥青弹性成分的降低速率，其影响能力随温度的进一步上升而逐渐减弱。

2.2.3石墨烯对沥青抗车辙能力的影响

G*/sinδ是评价沥青高温性能的一个重要指标，这是一个有关于材料粘弹性能的特征函数，称为车辙因子。车辙因子反应沥青抵抗永久变形的能力，车辙因子大的沥青材料拥有更强的抗变形能力，即抗车辙能力越强。4种改性沥青的车辙因子G*/sinδ变化见图3所示。

图3 沥青车辙因子-温度关系

由图3可见，随着温度上升，4种改性沥青的车辙因子逐渐减小，说明在高温状态下，改性沥青的抗变形能力均逐渐衰弱。同时，掺入石墨烯后的改性沥青抗车辙能力优于纯SBS改性沥青。在45～64 ℃的温度范围内，4种改性沥青抗车辙能力大小排列顺序为：0%石墨烯<2%石墨烯<1.5%石墨烯<1%石墨烯。当温度上升到64～85 ℃温度范围内时，其大小排列顺序为：0%石墨烯<1%石墨烯<1.5%石墨烯<2%石墨烯。这说明石墨烯的加入对沥青的抗车辙能力有一定改善，且随着温度的上升、石墨烯的掺量越大，其抗车辙能力越强。

3 结论

1) 石墨烯的掺入降低了SBS改性沥青的针入度和延度，提高了SBS改性沥青的软化点，表明石墨烯可提高沥青的稠度并使沥青硬化，改善沥青高温性能，降低沥青的低温抗拉能力。

2) 通过对SBS-石墨烯复合改性沥青进行DSR温度扫描试验得出，石墨烯的掺入减缓了SBS改性沥青弹性成分的流失，提高了SBS改性沥青的抗车辙能力。

[1] NOVOSELOV K S,GEIM A K, MOROZOV S V. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science,2004,22(306):666-669.

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[3] DIMITRAKAKIS G K, TYLIANAKIS E,FROU-DAKIS G E.Pillared graphene:a new 3-D network nanostructure for enhanced hydrogen storage[J] ．Nano Letters,2008(8):3166-3170.

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