碳纳米SBS复合改性沥青路用性能研究

2023-07-04冯松锴杨广军

粘接 2023年4期

冯松锴杨广军

摘要：为研究碳纳米材料对SBS改性沥青混合料性能的影响，通过3大指标和老化试验研究了碳纳米掺量对于SBS改性沥青的高低温和老化性能，确定了碳纳米掺量宜为0.9%，在此基础上通过汉堡车辙试验、低温弯曲试验和浸水马歇尔试验研究了碳纳米SBS复合改性沥青混合料的高低温和水稳定性能。結果表明，碳纳米可改善复合改性沥青混合料的高温抗永久变形能力和抗水损害性能，但降低了应力松弛能力和抗裂性能。

关键词：碳纳米材料；SBS；改性沥青；沥青混合料；路用性能

中图分类号：U414；TQ325.1+2

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0062-05

Study on road performance of carbon nano SBS composite modified asphalt mixture

FENG Songkai，YANG Guangjun

（1.Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.，LTD.，Zhengzhou 450000，China;

2.School of Civil Engineering，Zhengzhou Institute of Aviation Engineering，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：In order to elucidate the effects of carbon nano materials on the performance of SBS modified asphalt mixture，the high and low temperature and aging performance of carbon nano content on SBS modified bitumen were studied through three indexes and aging test.It was demonstrated that the carbon nano content should be 0.9%.Based on these data，the high and low temperature and water stability of carbon nano SBS composite modified asphalt mixture were studied byHamburg rutting test，low temperature bending test and water immersion Marshall test.The results showed that carbon nano could improve the high temperature permanent deformation resistance and water damage resistance of composite modified asphalt mixture，but reduced the stress relaxation ability and crack resistance.

Key words： carbon nanomaterials;SBS； modified asphalt;asphalt mixture;road performance

沥青路面作为高等级公路或城市道路的主要路面形式，具有行车舒适感强、施工时间短和易维修养护等优点，但沥青路面在投入使用一段时间后，路面往往会出现泛油、拥包和车辙、裂缝、坑槽等病害，因此，对于沥青路面材料的性能要求较高。沥青胶结料是影响沥青路面性能的主要因素，普通沥青材料已无法满足路面长期使用的要求［1-3］。目前主要是通过在普通沥青中添加一种或多种聚合物改性剂制备改性沥青，以改善沥青路面的使用性能，常见的聚合物改性剂主要有SBS、丁苯橡胶、聚乙烯等，其中SBS改性沥青由于其优异的路用性能在高等级公路和城市次干道以上沥青路面中广泛采用；但SBS改性沥青也存在一定的不足，如长期储存后沥青和改性剂会发生分层离析现象，且经过紫外光线老化的沥青性能变差［4-5］。碳纳米管是一种强度较高、柔韧性较好的材料，被广泛用于各个领域，有研究表明，碳纳米材料会与SBS改性剂产生共轭效应，不但可以改善SBS改性沥青的储存稳定性和抗紫外线老化性能，而且可以改善沥青路面的使用性能［7-8］。为了探究碳纳米材料对SBS改性沥青的路用性能影响和碳纳米材料的适宜掺量，本文将碳纳米材料和SBS改性剂复掺加入基质沥青中制备碳纳米SBS复合改性沥青，通过沥青常规指标试验和沥青混合料高低温和水稳定性试验进行研究。

1 原材料与配合比

1.1 原材料性能

试验采用中石化70号基质沥青，其各项技术指标如表1所示；选用青岛某纳米新材料有限公司生产的碳纳米管，其纯度高达987%，长度在10～30 μm，外径为30～50 nm，堆密度为0.09 g/cm3；SBS改性剂为中石化巴陵产的线型YH-791H，其嵌段比S/B为30∶70，拉伸强度不低于15 MPa，断裂伸长率不低于800%；粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，填料选择石灰岩磨细的矿粉，集料及填料指标性能均满足相关技术要求，其粗集料技术指标如表2所示。

1.2 沥青胶结料性能

1.2.1 制备工艺

将基质沥青在（140±5）℃恒温烘箱中加热至流淌状态，然后按比例称取一定量的基质沥青和SBS改性剂利用电炉加热，并采用高速剪切机以3 500 r/min的速率剪切1 h，期间控制温度在（165±5）℃，剪切完成后分次放入称量好的碳纳米管，控制剪切速率在2 000 r/min，剪切1 h后在（165±5）℃恒温烘箱中溶胀发育2 h，即制备完成碳纳米SBS复合改性沥青。

1.2.2 沥青胶结料性能

研究表明，SBS改性剂掺量为4%～5%时，SBS改性沥青的路用性能较好［9-11］。为确定碳纳米材料的最佳掺量，本文在试验时固定SBS改性剂掺量为4.5%不变，选取0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%此5种掺量的碳納米材料制备碳纳米SBS复合改性沥青，研究碳纳米掺量对于老化前后复合改性沥青3大指标性能的影响，试验结果如图1～图3、表3所示。

从图1～图3可以看出，随着碳纳米掺量的增加，针入度值逐渐变小，软化点逐渐升高，延度降低；在碳纳米掺量超过0.9%之后，针入度和软化点变化幅值趋于平缓，而延度则迅速降低。说明碳纳米的加入增加了复合改性沥青的黏度和稠度，在提高复合改性沥青高温稳定性和降低温度敏感性的同时，削弱了复合改性沥青的低温性能，且碳纳米对于沥青性能的提升是有限的，并非掺量越高越好，从3大指标性能来看，其掺量宜为0.9%。

由表3可知，以未掺碳纳米的SBS改性沥青为对照组，加入碳纳米的复合改性沥青经过短期老化试验后针入度比相对较大，软化点增值相对较小；尽管随着碳纳米掺量增加，延度比在减小，但加入碳纳米后的复合改性沥青延度比整体上相对较高，一方面说明沥青经过短期老化后针入度和延度变小，软化点升高，沥青变得更加脆硬；另一方面，随着碳纳米的加入在一定程度上对于复合改性沥青的老化性能是有利的，明显减小了短期老化对于SBS改性沥青性能的影响程度。

1.3 沥青混合料配合比设计

综合目前改性沥青在新建公路或城市道路结构层的使用情况，本文选取密级配中粒式沥青混合料AC-16作为本次试验的设计级配，其合成级配如表4所示。

由表4可知，以碳纳米SBS复合改性沥青为例确定沥青混合料的最佳沥青用量，参考国内外已有研究成果［12］，以预估5组油石比分别为4.2%、4.6%、5.0%、5.4%、5.8%制备标准马歇尔试件，试验或计算得到的相关物理及力学指标与油石比的关系综合确定最佳油石比，其相关指标测试结果如表5所示。

由表5可知，毛体积密度和稳定度最大值分别对应的油石比为5.4%和5.0%，空隙率值及饱和度值对应的油石比（OAC）分别为4.9%和4.8%，其取平均值为OAC1=5.0%；结合《公路沥青路面施工技术规范》关于密级配沥青混合料AC-16各项指标标准值对应的最大油石比和最小油石比分别为4.75%、5.3%，二者取平均值为OAC2=5.0%，最终得到碳纳米SBS复合改性沥青混合料的最佳油石比为OAC=（OAC1+ OAC2）/2=5.0%；同理可得到普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料的最佳油石比分别为4.6%、4.9%。

2 路用性能

结合对于碳纳米SBS复合改性沥青胶结料的性能研究，取碳纳米掺量0.9%和SBS掺量为4.5%制备的复合改性沥青进行混合料性能试验，分别进行高温稳定性、水稳定性和低温性能评价，并以普通基质沥青和4.5%SBS改性沥青混合料作为对照组。

2.1 高温稳定性分析

沥青作为一种粘弹性体，易受到温度的影响，在夏季高温状态下沥青的弹性成分减少，粘性成分增加，在外界车辆荷载作用下容易发生不可逆的永久变形，长时间便形成车辙、拥包等病害，影响行车安全。本文采用汉堡车辙仪对碳纳米SBS、SBS、普通基质等3种沥青混合料成型的300 mm×300 mm×50 mm车辙板试件分别进行温度50 ℃空气浴和温度60 ℃水浴试验，具体结果如图4、表6所示。

从图4可以看出，在温度50 ℃空气浴条件下加载2万次时，碳纳米SBS、SBS和普通沥青混合料对应的车辙深度分别为3.31、3.68和7.16 mm，显然加入碳纳米后的SBS改性沥青混合料车辙深度最小。曲线的切线斜率反映了车辙深度随荷载加载次数的变化规律，切线斜率越大，车辙深度增速就越大［13］。从3种沥青混合料对应曲线的切线斜率来看，普通沥青混合料从加载开始一直呈现较大的切线斜率。而碳纳米SBS与单掺SBS的2种改性沥青混合料的曲线走势基本一致；但在同样的加载次数下，碳纳米SBS复合改性沥青混合料的车辙深度相对纯SBS改性沥青混合料较小。说明掺入SBS改性剂可以改善沥青混合料的高温性能，而加入碳纳米材料的复合改性沥青混合料高温抗车辙和抗永久变形能力最佳。

由表6可知，在温度60 ℃水浴条件下，基质沥青、SBS改性沥青混合料分别在荷载作用次数5 000、15 000时，试件车辙深度已达到20 mm导致试验停止，试件完全破坏。在初压阶段，加入碳纳米的复合改性沥青混合料车辙深度增长速率低于纯SBS，且碳纳米SBS复合改性沥青混合料在荷载作用次数为15 000时，车辙深度为18.49 mm，且未发生破坏。说明碳纳米材料可以增强SBS改性沥青混合料的高温抗车辙能力。此外，发现相对于温度50 ℃空气浴条件下，温度60 ℃水浴试验时由于温度更高，加之水的作用，使得试件的车辙深度和破坏程度加剧。

2.2 水稳定性

沥青混合料受温度影响较大，在外界温度的冷热交替下路面会逐渐开裂，以及半刚性基层的反射裂缝也会引起沥青面层产生不同程度的开裂，雨水会逐渐通过路面裂缝向下渗入结构层，加之外界车辆荷载的反复作用产生的动水压力，集料与沥青界面长时间在水的剥蚀和动水压力作用下发生破坏，导致沥青路面的耐久性下降［14］。本文采用马歇尔试验对碳纳米SBS复合改性沥青的水稳定性进行试验研究，以计算得到的残留稳定度进行评价，试验结果如表7所示。

由表7可知，3种沥青混合料残留稳定度中碳纳米SBS最大，SBS次之，基质沥青的最小，还发现加入碳纳米的复合改性沥青混合料稳定度值更大；说明碳纳米的加入增强了沥青胶结料与集料的粘接力，对于水的剥蚀作用具有更强的承受力，一定程度改善了沥青混合料的水稳定性。

2.3 低温性能

在高温时由于沥青受热劲度模量较小，且具有良好的流动性，沥青路面开裂可能性较小；但在低温时由于沥青材料变得硬脆，且在路面结构层内外的温缩应力作用下，很容易产生温缩裂缝和疲劳裂缝［15］。尤其在北方，沥青混合料需要具备更好的低温抗开裂性能。本文采用低温小梁弯曲试验对碳纳米SBS复合改性沥青混合料的低温性能进行评价，环境箱温度为-10 ℃，将车辙板切割为250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，试验结果如表8所示。

由表8可知，相对于纯SBS改性沥青混合料，碳纳米SBS复合改性沥青混合料的弯拉强度和劲度模量更大；而弯拉应变较小，可以看出尽管加入碳纳米提高了弯拉强度，但也增加了混合料在低温时的脆硬性，降低了混合料的低温应力松弛能力。碳纳米对于复合改性沥青混合料产生了不利影响，使得沥青混合料在低温时的抗裂性能更差，这与前文关于沥青胶结料5 ℃延度试验结果相一致。

3 结语

（1）通过对碳纳米SBS复合改性沥青进行3大指标和老化性能试验，碳纳米可提高改性沥青的粘稠度，改善沥青的高温稳定性和抗老化性能，降低沥青的温度敏感性，推荐碳纳米掺量为0.9%；

（2）从汉堡车辙试验结果发现，碳纳米SBS复合改性沥青混合料具有更小的车辙深度和更大的荷载作用次数，无论是在温度50 ℃空气浴，还是温度60 ℃水浴条件下，都足以表明碳纳米材料增强了复合改性沥青混合料的高温抗车辙和抗永久变形能力；

（3）通过浸水马歇尔试验发现，碳纳米能够改善沥青与集料的界面特性，提高沥青混合料的抗水损害性能；

（4）从低温小梁弯曲试验结果可知，加入碳纳米后将增加沥青混合料在低温条件下的脆性，具有更低的应力松弛能力和抗裂性能。

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