多臂碳纳米管/SBS复合改性沥青高低温性能研究

2022-09-21程梦筠刘建芳廖亚雄

黑龙江交通科技 2022年9期

程梦筠，刘建芳，廖亚雄，张毅

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430000；2.中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

沥青路面可表现出优异的路用性能，在全世界范围内被广泛使用。然而沥青路面在长时间行车荷载作用中，难以避免产生诸如高温车辙、低温开裂等病害，严重影响沥青的使用寿命。随着纳米材料开发与应用的快速发展，将其添加到路用沥青中作为改性剂以改善其高低温性能，成为路用沥青材料研究者十分关注的问题。碳纳米管因其独特的纳米结构，成为纳米材料中备受关注的沥青改性材料。国内外研究者针对碳纳米管改性沥青的高低温性能、抗氧化性能、抗车辙、抗温缩开裂以及微观结构、改性机理等展开了大量的研究，研究结果表明碳纳米管材料对沥青流变性能具有较好的提高效果，且一定程度改善了沥青抵抗温缩开裂和疲劳性能，提高了沥青与石料的粘结，增强了沥青的抵抗水损害能力，但对高温抗车辙、低温抗裂能力提升较为有限。为增强碳纳米管对沥青改性效果，研究者提出碳纳米管辅以其他改性剂的复合改性方案，将以热塑性弹性体(SBS)为代表的聚合物与碳纳米管复配改性沥青，旨在提高沥青综合性能。

热塑性弹性体(SBS)是聚合物改性沥青中应用最为广泛、提升效果最为显著的改性剂之一。SBS改性沥青可表现优异的路用性能，但在与纳米材料复合改性方面的研究仍在起步阶段。黄子义等人研究表明碳纳米管/SBS复合改性沥青具有优异的抗变形和抗车辙能力，尤其是可以改善混合料的路用性能。解双瑞等人研究发现碳纳米管提高了SBS改性沥青的高温性能与老化性能。王鹏等人研究碳纳米管与SBS改性沥青的制备工艺。肖学良等人发现碳纳米管对SBS改性沥青的黏度、软化点提升效果较好，对延度和低温蠕变性能无显著影响。

1 试验材料

1.1 基质沥青

本文所采用70基质沥青(东海牌)，其性能指标如表1所示。

表1 东海牌70#沥青参数

1.2 多臂碳纳米管

本文采用的试验材料多壁碳纳米管(MWCNTs)主要物理性能指标如表2所示，生产厂商为山东大展纳米材料有限公司。

表2 多壁碳纳米管的物理参数

1.3 SBS

本文采用的试验材料热塑性弹性体(SBS)主要物理性能指标如表3所示，生产厂商为燕山石化的生产的星型SBS4303。

表3 SBS4303物理参数

2 试验方法

2.1 改性沥青制备

首先使用高速剪切仪制备碳纳米管单掺改性沥青，将碳纳米材料加入到基质沥青中，预先人工搅拌达到均匀，然后以3 000 r/min的转速高速剪切1 h，剪切温度为165 ℃，得到碳纳米管单掺改性沥青。随后加入SBS颗粒，继续剪切1 h，转速为4 000 r/min，剪切温度180 ℃，剪切完毕后，置入恒温箱中160 ℃下发育0.5 h，得到碳纳米管SBS复合改性沥青。

本文将多壁碳纳米管以0.2%、0.6%的掺量以及SBS1%、2%、3%的掺量分别加入到基质沥青中，制得改性沥青后具体试验方案如表4所示。

表4 试验方案

2.2 三大指标试验

延度试验：对改性沥青进行延度指标试验(测试温度5 ℃)，拉伸率为5 cm/min；针入度试验；对改性沥青进行针入度指标试验(标准针在5 s内沉入保温在25 ℃时的沥青试样中的深度)；软化点试验：对改性沥青进行软化点试验。以上试验均根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)中所涉及的试验方法。

2.3 动态剪切流变试验

本文采用动态剪切流变试验设备(剪切速率10 rad/s、试验温度58～94 ℃)，分别测试碳纳米管SBS复合改性沥青原样、RTFOT后改性沥青以及70基质沥青，以复数剪切模量(*)、相位角()和车辙因子(*sin)为试验指标，对比老化前后的数据变化以分析碳纳米管、SBS对改性沥青高温性能的作用。

3 试验结果与讨论

3.1 SBS掺量对碳纳米管改性沥青影响分析

对表4试验方案中各试验配比沥青进行三大指标试验，分析SBS掺量对掺加了0.2%和0.6%碳纳米管改性沥青的作用效果。试验结果如图1所示。

图1 不同SBS掺量对沥青的性能影响

分析图1(a)，在碳纳米管掺量不变的基础上，随着SBS的含量增加，复合改性沥青的针入度随之持续降低。而随着碳纳米管掺量的不断增加，改性沥青针入度呈现先增后减的变化趋势。SBS掺量高于1%的时候，针入度呈现逐渐下降的趋势，并且下降速度增加，SBS掺量高于2%的时候，针入度虽然继续呈现下降的趋势，但下降速度趋缓。这是由于SBS的掺入逐渐在沥青中发挥溶胀作用，整体上碳纳米管与SBS颗粒溶胀形成相互联结的三维网络结构。SBS掺量低时，颗粒溶胀并不足以支撑结构，随着含量的持续增加，SBS颗粒溶胀效果联结成网状，使得沥青针入度快速下降。

SBS的掺量对沥青延度具有较好的改善作用，图1b显示SBS的掺入使得掺加0.2%碳纳米管和0.6%碳纳米管的沥青延度均有较大的提高，掺加0.2%碳纳米管的沥青延度的提升最为显著。SBS在沥青中的溶胀作用是导致沥青塑性增加的主要原因，沥青掺入聚合物SBS后，通过高速剪切将SBS颗粒均匀分布于沥青内部，随后颗粒溶胀后，使得其内部结构更加均匀，由于SBS颗粒的存在导致内部受力趋于均匀，而碳纳米管颗粒在结构中起着填充的作用，但由于碳纳米管作为纳米材料，很难分布均匀，在外力作用下，碳纳米管分布不均匀处更容易出现应力集中并最先开始发生破坏，所以碳纳米管含量高对延度有不利影响。

分析图1(c)，在掺入SBS后，改性沥青软化点得到显著提高。SBS掺量小于2%的时候，软化点随SBS增加持续提高，当掺量超过2%后，掺量0.6%碳纳米管的沥青软化点上升趋势提高。SBS在沥青中形成的溶胶结构使得沥青整体性增强，软化点随之增长，当SBS低于某个含量的时候，由于含量不够，改性沥青无法形成整体结构，因此对改性沥青高温性能的改善作用不明显。

同时分析图1(a)、图1(c)，单掺SBS对基质沥青的也具有较好的改善效果，但掺加一定量碳纳米管后，沥青改善效果更为显著，这是由于SBS掺量提高后，使得沥青中SBS颗粒熔融后，形成一个整体性较好的网状结构，提高了沥青的延展性。而碳纳米管在沥青相中既可作为SBS结构的填充，又由于优异的力学性能，可以发挥较好的骨架支撑作用，结合具有弹性的SBS颗粒，促使复合结构具有变形能力。SBS、碳纳米管的复配显著改善了沥青高温性能，同时又避免了变形能力的损失。

3.2 碳纳米管SBS复合改性沥青高温流变性能

以碳纳米管掺量0.6%改性沥青为基础，分别掺入0%(空白组)、1%、2%、3%SBS制得的复合改性沥青，以复数剪切模量*、相位角和车辙因子*sin作为试验评价指标，综合分析SBS掺量对改性沥青的高温流变性能作用效果。试验结果如图2所示。

图2 动态剪切流变试验结果

复数剪切模量(*)反应沥青在反复剪切力的作用下，抵抗变形所产生的应力，*数值越高，表明该沥青抵抗外力产生变形越小，性能越强。分析图2(a)，温度上升导致沥青的剪切模量持续降低，高掺量SBS改性沥青较低掺量的变形更小，表明SBS掺量的增加促使碳纳米管改性沥青更硬，剪切模量增加，但在相同温度，掺量3%SBS的改性沥青，复数剪切模量(*)明显比其他掺量有更高的增长速度，表明3%SBS复配0.6%碳纳米管的改性沥青性能最优异。这是由于该配比下的沥青相中，SBS、碳纳米管共同形成了复杂的网络结构。

相位角()为沥青粘弹性能力，数值上为粘性与弹性成分的比值，即若为0°，表明该沥青为纯弹性，若为90°时，表明沥青为纯粘性。越小，则表明高温环境下，沥青下变形后恢复能力越好。分析图2(b)，温度不断增长导致不同掺量的改性沥青相位角增加，该状态下，沥青更加趋近于粘性材料，但在相同温度下，掺入SBS后，改性改性沥青相位角呈现持续下降的趋势。在掺量3%SBS时，表现效果最好，这是由于SBS掺入有效的提高了沥青的弹性。

车辙因子(*sin)反应沥青混合料在高温环境下，抵抗车辆荷载而变形的能力，数值越大，则沥青混合料对车辙的抵抗能力越强。分析图2(c)，SBS显著的改善了复合沥青高温抗车辙的能力，并且掺量为3%时，改善效果最为显著。以3%SBS、0.6%碳纳米管复配的改性沥青，其PG分级中高温分级最高可达到70。