碳纳米管对SBS改性沥青高温性能影响的试验研究

摘要：SBS改性沥青在我国道路施工中应用广泛，随着不断地深入研究，复合改性沥青逐渐成为主要提高沥青性能的手段之一。为探究碳纳米管对SBS改性沥青复合改性后的高温性能，首先借助高速剪切仪，采用熔融共混法制备出不同掺量的碳纳米管/SBS复合改性沥青，通过布氏旋转黏度试验、多应力蠕变试验，研究不同掺量的碳纳米管对SBS改性沥青的高温性能影响。结果表明：碳纳米管的加入能够提升SBS改性沥青的黏度、高温流变性能和高温抗车辙变形能力。

关键词：道路工程；碳纳米管；改性沥青；高温性能

中图分类号：U414文献标识码：A""" 文章编号：

Experimental Study on the Effect of CNTs on High Temperature Performance of SBS Modified Asphalt

Abstract：SBS modified asphalt is widely used in China's road construction，and with continuous in-depth research，composite modified asphalt has gradually become one of the main means in improving asphalt performance.To investigate the high-temperature performance of CNTs in the composite modification of SBS modified asphalt，different dosages of CNTs/SBS composite modified asphalt were first prepared using a high-speed shear apparatus and melt blending method，the influence of different dosages of CNTs on the high-temperature performance of SBS modified asphalt was studied through Brinell rotation viscosity test and multiple stress creep test.The results indicate that the addition of CNTs can improve the viscosity，high-temperature rheological properties，and high-temperature resistance to rutting deformation of SBS modified asphalt.

Keywords： road engineering;CNTs;modified asphalt;high temperature performance

0 引言

随着公路质量需求不断提高，对道路沥青的性能要求也越来越高。碳纳米管作为新型一维纳米材料，由多个层次的碳原子沿着纵向方向排列而成，与二维石墨烯碳材料相比具有更强的抗压能力和韧性，同SBS改性沥青复合改性后，能够促进SBS在沥青中的溶胀，其纤维状的材料特性和高刚度、高模量的力学特性能够在SBS改性沥青中起到增黏、增稠的作用。为了对已有SBS改性沥青的性能进行改善，国内外已有学者开展了碳纳米管/SBS复合改性沥青的相关研究。

Amin等[1]对碳纳米管改性沥青进行短期、长期老化试验，结果表明随着掺量增加，SBS改性沥青的高破坏温度和高温抗车辙能力增加，提高路面的抗永久变形能力；王鹏等[2]基于动态剪切流变仪，得出碳纳米管能够改善SBS改性沥青的高温抗车辙能力；张鹏[3]研究表明碳纳米管能改善SBS改性沥青高低温性能、抗老化性能和存储稳定性；解双瑞等[4]通过短期老化和紫外老化试验，研究发现碳纳米管的掺入有效减小老化对于改性沥青结构的破坏；肖学良[5]通过修饰后的碳纳米管与SBS改性沥青复合改性，发现沥青的高温性能和抗老化性能得到提升；Ashish等[6]通过LAS试验评价了碳纳米管改性沥青的中温性能，结果表明添加碳纳米管可以提高沥青的疲劳寿命。Mamun等[7]对单壁碳纳米管/SBS复合改性沥青进行抗水分损伤试验，结果表明随着碳纳米管掺量的增加，水分损害在一定程度上减少。孙启宇[8]通过多应力蠕变试验得出碳纳米管可以改善碳纳米管/SBS复合改性沥青的高温稳定性；祝亚奇等[9]借助热重测试、沥青四组分和荧光显微镜测试分析了碳纳米管对SBS的协同作用，可在不同程度上提升SBS改性沥青的高低温性能。谢佳雯[10]借助分子动力学，从微观角度，分析了碳纳米管、SBS与沥青的共混效应。

本文参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，通过对比不同掺量的碳纳米管/SBS复合改性沥青在不同温度下的布氏黏度和不同应力下的蠕变试验，探究复合改性沥青的高温性能及高温下复合改性沥青的蠕变特性。

1 试验材料及制备方法

1.1 试验材料

沥青采用对90#基质沥青改性的成品I-B类SBS改性沥青，碳纳米管采用山东大展牌GT-301型，性能指标见表1～表2。

1.2 制备方法

①将盛好体积的SBS改性沥青在165 ℃烘箱内加热0.5 h，直至SBS改性沥青处于流动状态；②将准备好的SBS改性沥青取出，分多次、少量的将掺量为0.25%，0.50%，0.75%，1.00%，1.25%，1.50%的碳纳米管加入SBS改性沥青中，以边加入边搅拌的方法混入到SBS改性沥青中，直至碳纳米管粉末完全混合到SBS改性沥青中，使碳纳米管预分散到SBS改性沥青中；③将预分散好的复合改性沥青放在170 ℃油浴锅内保温，使用高速剪切仪以4 500 r/min的转速高速剪切5 min，再溶胀5 min，依此循环6次，共1 h。

2 高温黏度特性

为探究复合改性沥青的高温流变性能，采用布氏旋转黏度仪，对不同掺量的碳纳米管/SBS复合改性沥青进行黏度试验。将制备好的碳纳米管/SBS复合改性沥青在165 ℃烘箱加热至流动状态，缓慢倒入黏度试验管内，将试验管连同转子在试验温度烘箱保温1.5 h后取出，并安置在黏度仪上继续保温15 min。选择SC4-27号转子，分别以转速100 r/min测定135 ℃黏度，以转速150 r/min测定175 ℃黏度（见表3）。

由表3可知，随着碳纳米管掺量的增加，复合改性沥青的黏度逐渐增大，1.50%掺量的碳纳米管/SBS复合改性沥青相比于SBS改性沥青在135 ℃黏度高出237 cp，在175 ℃黏度高出41.7 cp；在不同温度下，温度越高，布氏黏度值越下。说明随着温度升高，沥青仍能保持很好的稳定性，表明碳纳米管能够有效增强SBS改性沥青的黏结力，提高SBS改性沥青的高温流变性能。

3 多应力蠕变试验

为探究复合改性沥青的高温抗车辙变形能力，对不同掺量的碳纳米管/SBS复合改性沥青进行多应力蠕变试验，选用直径25 mm的平行板，高度间隙为1 mm，测定下64 ℃下0.1 kPa和3.2 kPa剪应力的剪切应变。加载应力1 s，卸载应力，应变恢复9 s，单个循环为10 s，先进行0.1 kPa剪切应力下的10个循环用于稳定试样，后测试试样在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力各10个循环，共用时300 s。采用蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量评价沥青在累积荷载作用下的弹性恢复能力和抗剪切能力。

3.1 应力应变特性分析

由图1可知，在0.1 kPa和3.2 kPa的剪切应力下，随着碳纳米管的增加，峰值应变逐渐变小，说明碳纳米管能够有效地增加沥青的高温抗剪切能力；在剪切应力加载1 s达到峰值应变卸载后，剪切应变又能下降，说明碳纳米管的加入在提升SBS改性沥青抗剪切的同时，还能够提高SBS改性沥青的高温抗变形能力；相比于0.1 kPa，在3.2 kPa下沥青的峰值应变更大，应力卸载后，应变的恢复能力变弱，说明剪切应力对沥青的恢复能力有很大影响。

3.2 蠕变特性分析

由图2（a）可知，随着碳纳米管掺量的增加，在0.1 kPa和3.2 kPa应力作用1 s卸载后，复合改性沥青的蠕变恢复率增大，但对于0.25%和0.50%掺量下的复合改性沥青蠕变恢复率均低于SBS改性沥青，而从图1蠕变过程来看，随着掺量增加，峰值应变越大，说明有可能在复合改性沥青制备时，高速剪切使SBS改性沥青内部的轻质组分发生变化，导致蠕变恢复率下降。在1.25%掺量下达到最大，在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力下蠕变恢复率比SBS改性沥青提高了63.32%和13.68%，说明碳纳米管能够增强在重复荷载作用下沥青的弹性恢复能力；由图2（b）可知，随着碳纳米管的增加，不可恢复蠕变柔量在一定程度上有所减小，在1.25%掺量时最为明显，0.1 kPa和3.2 kPa的不可恢复蠕变柔量分别为0.031 9 kPa-1和0.324 6 kPa-1，说明碳纳米管能够增强SBS改性沥青的高温抗剪切能力。

3.3 应力敏感特性分析

由表4可以看出加入碳纳米管后，SBS复合改性沥青的蠕变恢复率应力敏感特性和不可恢复蠕变柔量应力敏感特性均出现增大的趋势，在随着掺量的不断增大，不可恢复蠕变柔量应力敏感特性继续减小的趋势。在1.00%碳纳米管掺量下，蠕变恢复率应力敏感性达到最小值，随着掺量的继续增大，不可恢复蠕变柔量应力敏感特性继续增大。说明碳纳米管的加入会提高SBS改性沥青对应力作用的敏感程度，但随着碳纳米管掺量的增多，复合改性沥青内部趋于稳定，对复合改性沥青的结构稳定性产生积极作用，说明通过对碳纳米管掺量的有效控制，可以降低复合改性沥青对应力的敏感程度，提高道路沥青的结构稳定性。

4 结论

1） 碳纳米管加入SBS改性沥青中，使得SBS改性沥青的135 ℃黏度和175 ℃黏度增大，说明碳纳米管能够增强SBS改性沥青的黏结力，提升SBS改性沥青的高温流变性能。

2） 在64 ℃高温时，碳纳米管的加入能够提高SBS改性沥青的蠕变恢复率和降低不可恢复蠕变柔量，说明碳纳米管能够有效提升SBS改性沥青的弹性恢复能力和高温抗剪切能力。

3） 在多应力重复蠕变试验中，可以看出3.2 kPa下的蠕变恢复率均低于0.1 kPa，3.2 kPa下的不可恢复蠕变柔量均高于0.1 kPa，说明沥青在高温条件下对应力较为敏感；对比不同掺量下的碳纳米管/SBS复合改性沥青，其中蠕变恢复率应力敏感差异在1.00％掺量时最小。综合复合改性沥青黏度和多应力蠕变试验结果，碳纳米管在SBS改性沥青中的最佳掺量约在0.75%～1.25%。

参考文献

[1]Amin I，EI-Badawy S M，Breakah T，et al.Laboratory Evaluation of Asphalt Binder Modified with CNTs for Egyptian Climate[J].Construction and Building Materials，2016，121：361-372.

[2]王鹏，刘鹏，王健，等.碳纳米管对SBS改性沥青流变性能的影响研究[J].山东建筑大学学报，2019，34（5）：22-26.

[3]张鹏.碳纳米管对SBS改性沥青性能影响研究[J].甘肃科学学报，2019，31（5）：143-146.

[4]解双瑞，徐文远，苏禹.基于DSR的碳纳米管/SBS复合改性沥青抗老化性能分析[J].合成材料老化与应用，2020，49（2）： 4-7.

[5]肖学良.碳纳米管/SBS复合改性沥青及混合料性能研究].长沙：长沙理工大学，2017.

[6]Ashish P K，Singh D.High- and Intermediate-Temperature Performance of Asphalt Binder Containing Carbon Nanotube Using Different Rheological Approaches[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2018，30（1）：04017254.

[7]Mamun A A，Arifuzzaman M.Nano-Scale Moisture Damage Evaluation of Carbon Nanotube-Modified Asphalt[J].Construction and Building Materials，2018，193： 268-275.

[8]孙启宇.碳纳米管/SBS复合改性沥青流变性质研究[D].西安：长安大学，2020.

[9]祝亚奇，舒本安.碳纳米管对SBS改性沥青高低温性能的影响[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（1）：103-107.

[10]谢佳雯.MWCNTs对SBS改性沥青的性能影响与增韧机理研究[D].广州：广州大学，2022.