石墨烯SBS双改性沥青力学性能研究

田俊

（鄂尔多斯应用技术学院 内蒙古鄂尔多斯 017100）

0 引言

在公路建设当中，由于沥青混凝土路面具有良好的路用性能以及使用性能，并且建设速度快、养护维修简便等特点，我国90%以上高等级公路都采用这种路面结构形式。但是沥青混凝土属于粘弹性材料，对于外界温度及荷载的变化有很强的敏感性，反映在夏季高温季节时就极易出现车辙、推移等永久性变形，冬季容易出现温缩裂缝。因此解决沥青路面的流动变形问题已引起了全国各地的普遍关注。但对沥青进行改性可显著提高路面的使用性能，在众多改性沥青中SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青由于同时具有高温稳定性和低温抗裂性，已逐步成为一种惯用的改性沥青品种。然而，由于SBS在沥青材料中的分散粒径偏大，而且没有均匀分散，导致SBS改性沥青路面随着行车荷载和自然因素等在长时间的作用下，出现不同程度的路面破坏。近年来，有研究发现，为使SBS与沥青分子间相互组合，可在SBS改性沥青中加入其他纳米材料，来增强沥青路面抗高温车辙和抗低温开裂等性能的研究。本课题通过在基质沥青中添加石墨烯和SBS改性剂对沥青进行改性，探讨石墨烯对SBS改性沥青性能的影响以及使用性能和效果评价的研究。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成的单层片状结构的新材料。石墨烯是单原子层厚度的石墨，由sp2杂化碳原子形成呈蜂窝状并无限扩展的二维晶体材料，石墨烯的发现引起了科学家的密切关注，有研究者报道了其在电子、储能、传感器等其他领域的相关功能及特性。石墨烯中每个碳原子与其它3个相邻的碳原子形成共价键，剩余1个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，是一种典型的二维材料。这些性质使得其与SBS以及沥青的相容性比其他无机纳米材料更好，这种可以提供大量电子的独特结构也将成为沥青和SBS之间潜在的桥梁[1-2]。

1 国内外研究现状及趋势

1.1 国外的研究现状

2017年石墨烯产品生产商Directa Plus和专门从事沥青添加剂的Iterchimica开发了一种正在申请专利的沥青添加剂，该添加剂采用了Directa Plus的Graphene Plus技术。正是石墨烯的导热性增强了沥青的性能，从而在高温条件下沥青与添加剂混在一起时才难以软化，在天气寒冷时硬化和开裂。除此之外，为降低道路磨损，尤其是在高负荷下，该添加剂还可以利用沥青的弹性和强度来实现。据估计，加入沥青有可能使路面的平均使用寿命从目前的六七年提升至12-14年[3-4]。

1.2 国内的研究现状

大连理工大学鞠维权，SBS改性沥青混凝土路面技术研究；吉林大学王鹏鹏，SBS改性吉林大学沥青混凝土在辽开线公路上的应用研究；哈尔滨市第十建筑工程有限责任公司刘勇刚、黑龙江省林业设计研究院曲志鹏，改性沥青SBS施工技术探讨；河海大学力学与材料学院何青、马爱斌，常州市河海科技研究院有限公司江静华等，石墨烯的制备及其在金属防腐中的应用进展；山西路桥第一工程有限责任公司杜建政，石墨烯-SBS改性沥青的性能研究；中国石化北京化工研究院金立、杜志国、石莹、郝雪松、鲁树亮、王国清，石墨烯及其衍生材料在多相催化中的研究进展[5-6]。

2018年5月，南宁大桥封闭维修，第一次采用了沈培康团队最新研发的石墨烯复合橡胶改性沥青路面技术，当晚南宁大桥正式恢复通车，这也是“石墨烯公路”的首次“实战”考验。如何对基质沥青进行改性并将其性能发挥最优是未来研究的趋势。

综上所述，这些研究对我们本文的研究都有一定的帮助，且这些研究为本文的研究提供了方向和途径，值得我们借鉴。

2 亟待解决的问题

内蒙古地区是典型的中温带季风气候，具有降水量少而且不均匀、寒暑温度变化剧烈的特点。冬季漫长而且非常寒冷，且1月份最冷，月平均气温从南向北由零下10℃递减到零下32℃，夏季最热月份是在7月份，最高气温为36℃~43℃，气温变化剧烈，冷暖悬殊很大。因此对沥青路面需要具备良好的高温稳定性和低温稳定性要求。由于温差大导致的车辙和水损害已经成为我区沥青路面质量控制的关键问题。采用性能差的沥青路面，不仅加快了路面的早期损坏，而且严重影响了行车速度、危及行车安全并且加大了养护成本、缩短了路面的使用寿命。由此带来的直接和间接经济损失巨大，维修所造成的材料消耗、环境污染、交通堵塞等损失都难以估量。

为了解决沥青路面在高温条件下的车辙、推移等病害，近几年来国内外的道路工作研究者尝试采用石墨烯改性沥青混合料作为防止或减缓沥青路面的高温变形和低温稳定性。经过长期的跟踪观测发现其防止变形的效果确实优于其他常规结构。将石墨烯和沥青有效结合，会创造出耐久性更强的路面。石墨烯为生态铺路的添加剂提高沥青路面的耐久性和可持续性。沥青性能的提高是石墨烯导热性的结果，使沥青与添加剂混合时不易在高温下软化，在天气寒冷时硬化和开裂。该添加剂还通过增加沥青的弹性和强度来减少道路磨损，特别是在高负荷下。据估计，石墨烯加入SBS改性沥青有可能使路面的平均使用寿命从目前的六七年提升至12-14年。正是这种能力使得这些添加剂成为道路养护应用的一个特别有吸引力的选择，例如修补道路坑洼。重要的是，与EcoPave混合的沥青也是可回收的，在新路面的铺设时几乎可重复利用100%的磨碎的沥青，从而减少垃圾填埋和提取新沥青的需要。石墨烯的添加使传统SBS改沥青路面的各项指标都得到了大幅度提高，能有效提高路面的高温动稳定性、低温抗裂性、路面粘结度、耐老化等特性并且能有效地解决钢箱梁桥面易出现的诸多问题。

在SBS改沥沥青中添加了石墨烯，沥青路面高温稳定度可以达到1万以上，是国家路面技术规范标准的3倍，并且具有显著的抗车辙性和抗剪切能力；其他指标也均有30%~50%的提升。因此，因地制宜优选改性沥青、制订改性沥青规范，开展石墨烯改性沥青混合料高温稳定性和低温抗裂能力等的深入研究，将为我区沥青路面建设提供可靠的技术支撑，具有重要的现实意义和研究必要性。综上所述，该文的研究具有实际意义和理论指导意义。

3 结论与展望

通过专题学习，收集相关资料，了解石墨烯的材料特性；通过调查研究，对石墨烯SBS双改性沥青性能进行分析。以5%的SBS改性剂和不同比例石墨烯改性剂与基质沥青进行配合，确定石墨烯的最佳参量，并提出石墨烯SBS双改性沥青的技术标准。通过实验、数据分析，对石墨烯与SBS改性沥青协同作用进行分析，提出石墨烯与SBS改性沥青协同作用科学的质量控制标准和设计方案。通过将SBS改性剂及石墨烯混合后掺入基质沥青中制备石墨烯SBS复合改性沥青，测量其针入度、软化点和延度。同时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。结果表明，石墨烯可以显著的增强SBS改性沥青的高温性能，对SBS改性沥青产生了硬化效果，减弱了沥青的低温抗拉能力。伴随着温度的升高，SBS改性沥青弹性成分的流失也因石墨烯的加入有所减缓，提高其抗车辙能力。

综上所述，本文结合内蒙古地区气候特点，研究在SBS改性沥青中添加石墨烯以后，对SBS沥青力学性能进行研究。对提高我区道路建设质量，改善现有材料的不足，具有重要的实际意义。