石墨烯改性沥青物理性能试验研究

陈凤娥 杨洋 李国鑫 黄仁生

摘要：文章在借鉴纳米材料改性沥青领域研究成果的基础上，应用90#沥青作为基质沥青，以分别掺入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%纳米石墨烯的方式，利用经验流程工艺制备石墨烯改性沥青，测试其各项物理性能。结果表明：掺入石墨烯的改性沥青，其感温性能情况不明显;各温度下石墨烯改性沥青的针入度中25 ℃时降低最明显;沥青黏度的改善使改性沥青高温性能增强，但低温抗裂性能减弱，更易发生断裂。

关键词：石墨烯;改性沥青;物理性能;研究

Based on the research results of nanomaterial modified asphalt field，with 90#asphalt as matrix asphalt，and by adding 0%，0.1%，0.2%，0.3% and 0.4% nanographene respectively，this article uses the empirical process to prepare graphene modified asphalt and tests its physical properties.The results show that the temperaturesensing performance of the modified asphalt blended with graphene is not obvious;the penetration of graphene modified asphalt is most obviously reduced at 25 ℃ among different temperatures;the improvement of asphalt viscosity enhances the hightemperature performance of modified asphalt，but its lowtemperature crack resistance is weakened，prone to fractures.

Graphene;Modified asphalt;Physical properties;Research

0 引言

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，是一种具有高黏度的固体、半固体或粘稠状的有机物[1]。目前，我国交通运输尤其是公路运输能力日益提高，运量逐渐接近甚至超出负荷，交通运量的增长使得沥青路面病害加重。究其原因，除了设计施工等方面，能否提高沥青材料的性能也成为重点因素。普通道路沥青因其自身的成分和相对分子量分布决定了其感温性能差，高温易软化流淌，低温易脆裂，难以满足高等级公路的使用需求[2]。而聚合物改性沥青从发展初期到现在以显著提高沥青耐久性能而被广泛认知，但其经济效益低、工艺系统性不足、机理研究尚未成型等缺点不可忽视。因此，研发一系列具有高经济效益并能达到优良应用性能的改性沥青刻不容缓。

随着技术工艺与试验手段的发展，对纳米材料的研究也更进一步。道路工程领域的持续发展，使得利用纳米材料改性沥青领域的发展突飞猛进：肖鹏、李雪峰[3]采用溶剂法将纳米ZnO粒子和SBS加入基质沥青中，制得纳米ZnO/SBS改性沥青，很好地发挥纳米ZnO的特点，改善SBS在基质沥青中的分散效果，提高SBS与沥青界面的结合能力;张晓华[4]通过纳米碳酸钙及纳米碳酸钙和聚乙烯复合分别制备改性沥青，使得纳米碳酸钙颗粒均匀地分散在沥青当中，形成均匀稳定的沥青整体结构，从而使其低温抗裂性、低温稳定性及温度敏感性有所改善;冉龙飞等[5]利用膨润土中富含的天然层状硅酸盐有机化“插层”预处理，在熔融沥青中“剥离”为纳米颗粒，并在沥青中均匀分散，形成纳米增强沥青复合材料。但学者们利用的纳米材料主要以层状硅酸盐、纳米ZnO、蒙脱土为主，种类繁多、标准不一且机理研究尚未能够得到广泛认同。2004年，英国曼彻斯特大学Novoselov教授及其团队，首次通过研究微机械剥离技术制备出石墨烯。石墨烯是一种呈六角蜂巢单片层状的二维纳米材料，其厚度只有一个碳原子厚度，具有优异的电力学、热力学、光学及力学性能。本文在前人研究纳米材料改性沥青的基础上，借鉴纳米材料领域研究成果，试图在纳米材料改性沥青领域以石墨烯改性沥青打开突破口，利用石墨烯改性沥青并测试其物理性能，为今后纳米材料改性沥青提供研究依据与基础。

1 试验

利用石墨烯与沥青熔融混合，制备出纳米石墨烯改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（以下简称《规程》）进行针入度、环球法软化点试验，并测试石墨烯改性沥青的低温延度、针入度指数、当量软化点及当量脆点，研究石墨烯改性沥青物理性指标及其機理。

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青

采用广西某沥青厂生产的90#沥青，各项性能指标符合技术规范要求，见表1。

1.1.2 石墨烯

由于石墨烯制备过程中各种参数不宜把控，不稳定的制备技术严重影响试验结果与改性过程。为了降低由于石墨烯制备所产生的试验误差，本试验中石墨烯采用纳米石墨烯，其主要指标见表2。

1.2 改性沥青制备与物理性能测试方法

石墨烯改性沥青工艺尚没有系统流程，研究小组根据试验需要，经过反复试验，得出一套可制备石墨烯改性沥青的流程：将基质沥青装入容器中→将容器放置于烘箱进行加热→当基质沥青呈流动状态时取出→将基质沥青容器放在铺有石棉网的加热设备之上搅拌8～12 min（整个过程温度≤145 ℃）→将事先称重完毕且未受污染的石墨烯均匀掺入基质沥青中→待加入完毕后用干净玻璃棒手动缓慢搅拌12 min→将初步混合均匀的石墨烯沥青放置于搅拌器中以2 000 r/min的速度搅拌12～18 min→停止后立即通过高速剪切仪器以4 500 r/min的速度改性90 min→结束石墨烯改性沥青制备。将石墨烯改性沥青按照《规程》测试15 ℃、25 ℃、30 ℃的针入度、软化点、延度、针入度指数（PI）、当量软化点（T800）、当量脆点（T1，2）。

2 试验结果与分析

本试验应用90#沥青作为基质沥青，以分别掺入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%纳米石墨烯的方式，利用通过反复试验得出的一套经验流程制备石墨烯改性沥青，并分别测试其物理性能指标。其中，三大指标测试结果如表3所示，相关计算指标结果如表4所示。

2.1 感温性能

石墨烯改性沥青温度敏感性的评价指标为表4中针入度指数（PI）数值，将此数值绘制得到不同掺入量石墨烯对沥青温感性能的影响曲线，如图1所示。观察图1可知：利用二维纳米材料石墨烯改性沥青其针入度指数（PI）随着石墨烯掺入量的变化在0.54～0.80之间波动，改变其感温性能情况不明显。这可能是由于石墨烯属二维纳米材料，在基质沥青中自由度受限，使沥青分子链与纳米材料聚集时结构较容易受到温度的影响而改变。

2.2 高温性能

改性沥青的高温抗变形能力可以参考针入度变化而反映，观察图2～4可知：（1）随着石墨烯掺入量的逐渐增加，15 ℃、25 ℃、30 ℃下石墨烯改性沥青的针入度均出现不同程度的降低，即石墨烯的掺入会使改性沥青稠度增大;（2）三种温度下石墨烯改性沥青针入度随掺入量逐渐降低的变化幅度为9.13%、10.04%、8.53%，可以看出25 ℃时，石墨烯的掺入对沥青针入度的影响最大，其余两种温度相对影响较小;（3）由于石墨烯的掺入，改性沥青中潜在的物理化学反应过程被激活，自由度适中的二维纳米材料石墨烯与基质沥青的相容性尚可。

软化点与当量软化点可以反映石墨烯的掺入对沥青黏度的影响，观察下页图5～6可知：石墨烯的掺入对沥青黏度的改善效果明显，黏度随着掺入量的增加逐渐提高，可以反映石墨烯改性沥青的高温性能增强。由于改性沥青高温性能主要取决于高温下沥青层之间分子的运动，石墨烯的掺入使得纳米级别下二维材料阻碍沥青分子层运动，从而有效改善改性沥青的高温性能。

2.3 低温性能

由于沥青在现场应用时常经历低温环境，而低温环境下的沥青易脆性可以致使裂纹的出现与扩展，所以有必要通过延度与当量脆点评估石墨烯改性沥青的低温性能。观察图7～8可知：（1）石墨烯的掺入使改性沥青低温抗裂性能减弱，随着指标的下降，石墨烯改性沥青更易出现裂缝而断裂;（2）石墨烯的掺入，使沥青分子与石墨烯可能出现聚集态等情形，从而使得沥青分子之间相互联系受到阻碍，增加改性沥青材料的缺陷。

3 结语

本文在借鉴纳米材料改性沥青领域研究成果的基础上，应用90#沥青作为基质沥青，以分别掺入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%纳米石墨烯的方式，利用经验流程工艺制备石墨烯改性沥青，测试其各项物理性能，得到以下结论：

（1）掺入石墨烯的改性沥青，由于自由度受限，其针入度指数（PI）随着石墨烯掺入量的变化而波动，改变其感温性能情况不明显。

（2）掺入石墨烯的改性沥青，随着石墨烯掺入量的逐渐增加，一方面各温度下石墨烯改性沥青的针入度降低幅度为9.13%、10.04%、8.53%，25 ℃时降低最明显;另一方面石墨烯的掺入对沥青黏度的改善效果明顯，从而有效改善改性沥青高温性能。

（3）掺入石墨烯的改性沥青，其低温抗裂性能减弱，更易发生断裂。

参考文献：

[1]张明祥.纳米氧化锌改性沥青及其抗老化性能研究[D].西安：长安大学，2015.

[2]王昊鹏，龚明辉，杨 军，等.纳米改性沥青研究进展[J].石油沥青，2015，29（3）：51-58.

[3]肖 鹏，李雪峰.纳米ZnO/SBS改性沥青微观结构与共混机理[J].江苏大学学报（自然科学版），2006（6）：548-551.

[4]张晓华.纳米碳酸钙改性沥青及其混合料的性能研究[D].长沙：长沙理工大学，2017.

[5]冉龙飞，黄维蓉，朱宝华.纳米膨润土改性沥青机理研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2008（1）：73-76.