石墨烯对SBS 改性沥青技术性能的影响分析

2022-09-15季浦和

福建交通科技 2022年6期

■季浦和

（福建南平路桥建设工程有限公司，南平 353000）

沥青是铺筑沥青路面的重要原材料之一，高性能的沥青材料对于沥青路面性能提升具有重要意义[1-2]。普通道路沥青对温度极其敏感，已经不能适应越来越复杂的道路交通和气候状况，容易引发沥青路面的早期病害。为了改善道路沥青的路用性能，目前通常采用掺加改性剂的方法来获得性能优异的改性沥青[3]。

与常规改性剂相比，纳米材料的比表面积大大增加，在沥青中可形成一定的网络结构，抑制水分和氧气向沥青内部的渗透，对沥青技术性能有更好的改善效果[4]。在众多的纳米材料中，具有独特结构的石墨烯受到了越来越多学者的关注，近年来逐渐被应用于道路工程领域[5-6]。它与沥青有很好的亲和力，在热沥青中能够形成以石墨烯为基础的分子结构，可极大地提高改性沥青的物理性能和路用性能[7-9]。

本文将石墨烯按照一定质量比例加入SBS 改性沥青中，制备石墨烯-SBS 复合改性沥青，通过扫描电子显微镜、基本指标试验、老化试验、动态剪切流变试验和离析试验，分析石墨烯对SBS 改性沥青技术性能的影响。

1 原材料和方法

1.1 原材料

（1）沥青。 SBS 改性沥青技术指标见表1。

表1 SBS 改性沥青技术指标

（2）石墨烯。图1 为本研究采用的石墨烯，其技术指标见表2。

图1 石墨烯

表2 石墨烯技术指标

1.2 石墨烯-SBS 复合改性沥青制备方法

将SBS 改性沥青加热熔融后，用玻璃棒均匀搅拌10 min，使沥青处于稳定的流动状态，加入一定质量分数（0%、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%）的石墨烯粉末，用玻璃棒继续轻轻搅拌10 min，使石墨烯粉末与沥青初步混合，再使用高速剪切机，转速设置为5000 r/min，温度控制在180°C 左右，剪切时间为60 min，使石墨烯均匀地分散在SBS 改性沥青中，最终制备得到不同石墨烯掺量的复合改性沥青。

1.3 石墨烯-SBS 复合改性沥青性能测试方法

采用扫描电子显微镜（SEM）观测不同石墨烯掺量的复合改性沥青微观形貌。对样品表面进行喷金预处理，电压设置为20 kV，放大倍数为10000 X。按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（以下简称《规程》）测试沥青三大指标，分析它们随石墨烯掺量变化的变化规律。（1）通过旋转薄膜加热试验制备短期老化沥青试样，具体方法参见《规程》T0610-2011，通过老化前后沥青指标的变化来评价复合改性沥青的抗老化性能。（2）采用动态剪切流变仪测试复合改性沥青的流变性质，分析其流变指标随石墨烯掺量变化的变化规律。试验温度为46-70°C，应变设置为1%，频率为10 rad/s，具体方法参见《规程》T0628-2011。（3）依据《规程》T0661-2011 对复合改性沥青进行离析试验，采用软化点差值评价复合改性沥青储存稳定性。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌

从不同石墨烯掺量的复合改性沥青SEM 微观形貌图（图2）中可看出，石墨烯掺量为0%时，沥青表面比较平整，没有明显的褶皱层状结构。随着石墨烯掺量的增加，沥青中逐渐出现了一定的片层结构。当掺量达到0.09%时，沥青中的片层结构丰富且分布均匀。但是当掺量增加到0.12%时，石墨烯片层结构发生明显的堆叠团聚现象，说明此时石墨烯掺量过高，不利于沥青结构的稳定。

图2 不同石墨烯掺量的复合改性沥青SEM 图像

2.2 基本指标

由沥青三大基本指标的测试结果（图3～5）可知，随着石墨烯掺量的增加，复合改性沥青针入度先减小后增大，软化点先升高后降低。当石墨烯掺量为0.09%时，针入度取得最小值，软化点取得最大值。石墨烯较高的比表面积使其能够更好地吸附和稳定沥青，石墨烯的层状结构能够抑制沥青分子的运动，使得沥青的稠度和硬度增加。但是当石墨烯掺量过大（0.12%）时，石墨烯在SBS 改性沥青中容易出现团聚堆叠现象，其良好的润滑和导热作用引起针入度和软化点下降。延度则随石墨烯掺量表现出不断降低的趋势，这是因为石墨烯纳米颗粒阻碍了沥青分子的自由流动，低温条件下容易出现应力集中而发生断裂。

图3 针入度测试结果

图4 软化点测试结果

图5 延度测试结果

2.3 抗老化性能

从短期老化后沥青试样的指标变化情况（图6）可知，在石墨烯掺量从0%增加到0.12%过程中，短期老化沥青试样的质量变化百分比不断减小，残留针入度比不断变大，说明石墨烯提高了SBS 改性沥青的抗老化性能。这是因为石墨烯的层状结构可阻碍氧气向沥青内部渗透，抑制沥青轻质组分挥发，从而改善沥青抗老化性能。当石墨烯掺量超过0.09%之后，质量变化百分比的降低幅度和残留针入度比的增长幅度明显减小，0.09%的石墨烯掺量具有较高的性价比。

图6 抗老化性能分析结果

2.4 流变性能

从图7 可以看出，在试验温度从46°C 升高到70°C 过程中，各沥青样品的复数模量都在不断减小，说明高温条件使沥青样品发生软化，流动性增加，抵抗变形能力降低。掺加石墨烯后，SBS 改性沥青复数模量增大，力学性能和抗变形能力增强，但是增强效果随温度的升高而逐渐减弱。在石墨烯掺量为0.09%时，复数模量取得最大值，继续增加掺量反而会导致复数模量的降低，这是由于石墨烯发生团聚堆叠现象，影响了复合改性沥青的整体性能。

图7 复数模量测试结果

从图8 可以看出，沥青试样的相位角随温度升高而增大，说明温度越高，沥青的黏性特性越大，弹性特性越弱，变形恢复能力逐步降低。掺加石墨烯后，SBS 改性沥青的相位角减小，弹性特性增大，变形恢复能力增强。当石墨烯掺量为0.09%时，复合改性沥青的相位角最小，抵抗永久变形能力最好。继续增加石墨烯掺量会造成沥青软化，黏性特性增强，弹性特性减弱，变形恢复能力降低。

图8 相位角测试结果

从图9 可以看出，沥青试样车辙因子随温度升高而降低，故高温条件下沥青路面容易出现车辙病害。掺加石墨烯提高了SBS 改性沥青的车辙因子，有利于沥青抗车辙性能的提升。在石墨烯掺量为0.09%时，车辙因子达到最大，抗车辙能力最强。

图9 车辙因子计算结果

2.5 储存稳定性

从软化点差值计算结果（图10）可知，随着石墨烯掺量的增加，软化点差值先减小后增大，在掺量为0.09%时达到最小值，比SBS 改性沥青降低了38%，说明石墨烯提高了SBS 改性沥青的储存稳定性。这是因为纳米石墨烯的片层结构能够与SBS 改性剂分子的网状交联结构相互纠缠，对SBS改性剂分子和沥青分子的运动产生了更好的屏障和抑制作用，使得二者能够在更长时间内保持稳定交联状态，而不易出现离析问题。但是当石墨烯掺量过高（0.12%）时，会导致石墨烯与SBS 改性剂的比例失调，过多的石墨烯反而会引起储存稳定性下降。