纳米材料复合改性沥青性能评价

董罗超　曹新建　王祎宾　刘峰

摘 要：为研究高黏度复合改性沥青，采用氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）和橡胶粉为复合改性剂对70#基质沥青进行改性。通过针入度试验、延度试验、软化点试验、动力黏度试验及布氏旋转黏度试验分析GO和橡胶粉的不同掺量对基质沥青性能的影响规律，从而确定GO和橡胶粉的最佳复合掺量。研究结果表明：随着GO和橡胶粉的增加，GO/橡胶粉复合改性沥青针入度减小，但当GO掺量为0.08%时，复合改性沥青的针入度减小速率变慢，当GO掺量为0.05%时，针入度达到最小值;复合改性沥青的延度和软化点随GO的增加而升高，尤其是GO掺量为0.05%时复合改性沥青的软化点均大于80 ℃;随着GO和橡胶粉的增加，复合改性沥青的60 ℃动力黏度和175 ℃旋转黏度值均提高，且0.05%GO+18%橡膠粉的175 ℃旋转黏度值大于3.0 Pa·s。所以，掺量为0.05%GO+18%橡胶粉的复合改性沥青可显著提升基质沥青的黏度、稠度、热储存稳定性及抗永久变形能力，从而提升道路使用寿命。

关键词：路面材料;高黏沥青;氧化石墨烯;复合改性

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-0-03

Performance Evaluation of Nano Material Composite Modified Asphalt

DONG Luochao CAO Xinjian WANG Yibin LIU Feng

（1.School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045;2.Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-huaihe Water Diversion， Hefei Anhui 230001;

3.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： In order to study high viscosity composite modified asphalt， Graphene Oxide （GO） and rubber powder were used as composite modifiers to modify 70# matrix asphalt. Through penetration test， ductility test， softening point test， dynamic viscosity test and Brinell rotary viscosity test， the influence law of different content of GO and rubber powder on the performance of matrix asphalt is analyzed， so as to determine the best compound content of GO and rubber powder. The results show that with the increase of GO and rubber powder， the penetration of GO / rubber powder composite modified asphalt decreases， but when the content of GO is 0.08%， the reduction rate of penetration of composite modified asphalt slows down， and the penetration reaches the minimum when the content of GO is 0.05%; The ductility and softening point of composite modified asphalt increase with the increase of GO， especially when the content of GO is 0.05%， the softening point of composite modified asphalt is greater than 80 ℃; With the increase of GO and rubber powder， the 60 ℃ dynamic viscosity and 175 ℃ rotational viscosity of composite modified asphalt increase， and the 175 ℃ rotational viscosity of 0.05% GO + 18% rubber powder is greater than 3.0 Pa · s. Therefore， the composite modified asphalt with the best content of 0.05% GO + 18% rubber powder can significantly improve the viscosity， consistency， thermal storage stability and permanent deformation resistance of the base asphalt， so as to improve the service life of the road.

Keywords： pavement materials;high viscosity asphalt;graphene oxide;composite modification

随着经济的高速发展和交通荷载的快速增加，传统改性沥青路面逐渐出现各种问题，如高温性能不足导致路面出现龟裂、车辙、变形，低温性能不足导致路面开裂等，造成路面使用寿命低、维护成本高的现象，是我国交通领域新时期面临的重要难题之一。因此，研发环保、高品质、长寿命的沥青改性材料对我国交通领域创新发展具有重要意义。近年来，由于汽车保有量大幅度递增，每年产生的报废轮胎越来越多，而废旧轮胎属于工业有害固体废弃物，在常温下不能降解，势必会形成黑色污染，危及地球的生态环境，所以废旧橡胶轮胎的资源化高效利用得到了广泛关注。研究发现，橡胶粉改性沥青拥有较好的高低温和抗疲劳性能。采用橡胶粉改性沥青混合料铺筑路面，具有减少交通噪声和增加路面抗滑性等优点。陆晶晶等发现当橡胶粉添加剂量约为20%时，橡胶沥青高温、低温和黏弹性能都有不同程度的提高[1]。黄绍龙等认为当活性橡胶粉掺量为15%时所制得的高黏度改性沥青具有最佳使用功能[2]。纳米材料是指尺寸在

1～100 nm范围内的固体材料，通常具有一般材料不具备的物理、化学等方面的特殊性能。研究发现，纳米材料可极大提高基质沥青的力学性能、抗老化性能和耐久性。氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）作为石墨的新型碳纳米材料，是石墨粉经化学氧化后剥离而得的产物，一般采用Hummers法制备。GO具有比表面积大、尺寸小及宏观量子隧道效应等优良性能[3]。GO表面丰富的含氧官能团如羟基、羧基、环氧基和酯基等可与众多聚合物稳定相容[4]。朱俊才等研究发现，GO可显著提高复合改性沥青的黏度、高温稳定性和抗疲劳性能[5]，但是其对低温性能并无明显改善，而橡胶粉可显著提高沥青的低温性能[6]。因此，利用废旧橡胶粉和纳米材料GO为复合改性剂，研究制备高低温性能良好的高黏度改性沥青可为透水性沥青路面的应用发展提供新的参考。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青。试验采用河南省郑州市郑发市政建设有限公司生产的70#石油沥青，对照组为壳牌高黏沥青，基本技术指标如表1所示。

1.1.2 氧化石墨烯。本试验采用由苏州碳丰石墨烯科技有限公司生产的GR-005-4型高品质工业级氧化石墨烯，基本技术指标如表2所示。

1.1.3 橡胶粉。试验研究采用细度为40目的橡胶粉，基本技术指标如表3所示。

1.2 试样的制备

复合改性沥青制备工艺为将基质沥青加热至175 ℃后开启速率为5 000 r/min的高速剪切机，加入氧化石墨烯剪切10 min，待其分散均匀后边加入橡胶粉边进行人工搅拌，待无明显团聚现象后继续高速剪切40 min。剪切完成后置于170 ℃环境中溶胀发育30 min，即可完成GO/橡胶粉复合改性沥青的制备。

1.3 复合改性沥青常规性能测试

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）分别对不同掺量的复合改性沥青进行针入度、软化点测试，分析GO和橡胶粉对基质沥青的稠度、刚度和抗永久变形能力的改善作用，通過延度试验分析其对基质沥青的低温抗裂性能改善效果，通过60 ℃动力黏度试验（真空减压毛细管法）和175 ℃布氏黏度试验（布洛克菲尔德黏度计法），分析其对基质沥青的施工和易性的影响。

2 结果与分析

各复合改性沥青常规性能测试如表4所示。

由表4可以得出以下结论。①随着GO和橡胶粉的增加，GO/橡胶粉复合改性沥青针入度减小。但当GO掺量为0.08%时，复合改性沥青的针入度减小速率变慢;当GO掺量为0.05%时，复合改性沥青的针入度达到最小值。②随着GO和橡胶粉的增加，复合改性沥青的延度增大，软化点升高。尤其是GO掺量为0.05%时，复合改性沥青的软化点均大于80 ℃，这是由于GO具有巨大的比表面积，并含有丰富且活跃的含氧官能团，GO会吸附沥青中的轻质组分以产生范德华力，使得沥青分子之间距离减小，形成致密的空间交联结构物，从而提高硬度，改善其高温性能。③随着GO和橡胶粉的增加，改性沥青的60 ℃动力黏度和175 ℃旋转黏度值均提高，（0.02%～0.08%）GO+（16%～18%）橡胶粉共9组复合改性沥青的60 ℃动力黏度值均大于25 000 Pa·s，且0.05%GO+18%橡胶粉的复合改性沥青175 ℃旋转黏度值大于3.0 Pa·s。④通过上述试验分析得出制备纳米材料复合改性沥青的最佳掺量为0.05%GO和18%橡胶粉。

3 结论

①掺加GO和橡胶粉可显著提高基质沥青的稠度、黏度、热储存稳定性及抗永久变形能力。

②GO/橡胶粉复合改性沥青拥有优越的高温稳定性和致密的空间交联结构，可提高沥青的弹性恢复能力。

③后续研究中可增加对GO/橡胶粉复合改性沥青的黏韧性指标研究，从宏观性能方面进一步评价复合改性沥青的黏附性能。

参考文献：

[1]陆晶晶.橡胶沥青性能影响因素与改性机理研究[D].西安：长安大学，2010：6-12.

[2]黄绍龙，金帆，李明.活性橡胶粉改性高粘度橡胶沥青的开发[J].中外公路，2015（1）：268-271.

[3]FANG C，YU R，LIU S，et al.Nanomaterials applied in asphalt modification： a review[J].Journal of Materials Science & Technology，2013（7）：589-594.

[4]WANG J，JIA H，JI D，et al.Enhancements of the mechanical properties and thermal conductivity of carboxylated acrylonitrile butadiene rubber with the addition of graphene oxide[J].Journol of Materials Science，2013（4）：1571-1577.

[5]朱俊材，李泉，刘克非.氧化石墨烯改性复合改性沥青的性能[J].中国粉体技术，2018（4）：70-76.

[6]王尉，何亮，王大为，等.橡胶沥青及其混合料低温性能研究进展[J].公路，2016（1）：181-187.