SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青流變性能研究

黃瑾瑜 葉群山

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114)

在科技化的21世紀(jì)，納米技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)，因此，眾多科研人員在納米技術(shù)的運(yùn)用發(fā)展方面投入了大量的時(shí)間與精力。納米材料相對(duì)于傳統(tǒng)材料，因其在尺寸方面的優(yōu)勢(shì)而具備了豐富且優(yōu)良的性能表現(xiàn)。若將納米技術(shù)與道路材料結(jié)合，可預(yù)見(jiàn)其對(duì)于道路的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

在2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim 和Novoselov[1]通過(guò)膠帶剝離石墨片的方式，獲得了目前世界上最薄的二維納米材料石墨烯。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能[2]、極高的導(dǎo)熱性[3]、高電子遷移率及優(yōu)異的阻隔性能[4-6]等，使得其在復(fù)合材料、傳感器、儲(chǔ)能及催化材料等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。目前有關(guān)石墨烯的研究主要集中于高性能復(fù)合薄膜、新能源電池等方面，但在路面結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用研究還未見(jiàn)涉及。

本文通過(guò)將石墨烯與SBS改性劑混合攪拌后加入基質(zhì)瀝青中進(jìn)行高速剪切制備相應(yīng)的復(fù)合改性瀝青。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)比研究石墨烯摻量對(duì)改性瀝青常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的影響趨勢(shì)。最后對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)溫度掃描試驗(yàn)，探索石墨烯對(duì)瀝青高溫抗車轍性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 基質(zhì)瀝青。選用湖南寶利瀝青有限公司生產(chǎn)的70號(hào)基質(zhì)瀝青。

2) SBS改性劑。選用中國(guó)石化燕化茂名分公司生產(chǎn)的SBS改性劑。

3) 石墨烯。選用蘇州碳豐科技有限公司生產(chǎn)的多層石墨烯。

1.2 SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青的制備和實(shí)驗(yàn)方法

選取摻量為5%的SBS改性劑，并分別摻入0%，1%，1.5%，2%的石墨烯粉末混合搖勻后，添加到150 ℃的基質(zhì)瀝青中充分?jǐn)嚢璨⑷苊?5 min后再高速剪切90 min，剪切過(guò)程中保持溫度為180 ℃、轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，最后制得SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青。

按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定方法對(duì)制得的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)。

使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR對(duì)SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，其溫度范圍為45～85 ℃，控制其應(yīng)變值γ=12%、加載角頻率ω=10 rad/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

改性瀝青常規(guī)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 復(fù)合改性瀝青常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)

由表1可見(jiàn)：

1) 在25 ℃下，瀝青針入度隨石墨烯摻量的增加呈減小趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯摻量為1%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的針入度下降幅度略大于其他摻量。

2) 改性瀝青的軟化點(diǎn)隨石墨烯摻量的增加而逐漸升高，當(dāng)石墨烯摻量增大到2%時(shí)，軟化點(diǎn)增大趨勢(shì)變緩。

3) 當(dāng)延度的測(cè)試溫度為5 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)石墨烯改性后的瀝青延度比未摻入石墨烯的瀝青有大幅降低。特別是當(dāng)石墨烯摻量為1%時(shí)，改性瀝青的延度減小了50%。

上述分析表明，石墨烯的加入不僅提高了SBS改性瀝青的稠度，且對(duì)改性瀝青起到了硬化的效果，一定程度上改善了SBS改性瀝青的高溫性能。但是摻入SBS改性瀝青中的石墨烯作為無(wú)機(jī)納米材料在瀝青中無(wú)法相互交聯(lián)，且在一定程度上阻礙了瀝青的自由流動(dòng)。因此在低溫情況下，石墨烯對(duì)瀝青抵抗塑性變形的能力產(chǎn)生了一定的負(fù)面作用，造成瀝青內(nèi)部產(chǎn)生了一定量的應(yīng)力集中點(diǎn)，使得瀝青在低溫受拉狀態(tài)下，更易出現(xiàn)斷裂破化。

2.2 DSR溫度掃描

2.2.1石墨烯對(duì)瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的影響

復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料在處于重復(fù)剪切變形狀態(tài)下抵抗其所受變形總阻力能力的體現(xiàn)。4種改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*變化情況見(jiàn)圖1所示。

圖1 瀝青復(fù)數(shù)剪切模量-溫度變化曲線圖

由圖1可見(jiàn)，隨著溫度的逐漸升高，SBS改性瀝青及摻入石墨烯后的復(fù)合改性瀝青的G*均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明溫度上升導(dǎo)致瀝青彈性能力降低。同時(shí)，摻入石墨烯后的SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*高于未摻石墨烯的改性瀝青，表明由于石墨烯的加入，瀝青的高溫抗變形能力得到了一定的改善。其中，在45～60 ℃范圍內(nèi)，以1%石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青的G*最高，而當(dāng)溫度為65～85 ℃時(shí)，則2%石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青的G*最高。說(shuō)明在溫度相對(duì)較低范圍內(nèi)，少量石墨烯的摻入即可改善SBS改性瀝青的抗變形能力，而隨著溫度的增加，在瀝青內(nèi)部阻止瀝青膠體高溫流動(dòng)所需要的石墨烯也隨之增加，因此，高摻量石墨烯復(fù)合改性瀝青在相對(duì)高溫下的抗變形能力更強(qiáng)。

2.2.2石墨烯對(duì)瀝青相位角的影響

相位角δ反應(yīng)了瀝青中粘性與彈性成分比例關(guān)系。在粘彈性材料產(chǎn)生變形過(guò)程中，其應(yīng)變的發(fā)生會(huì)相應(yīng)地滯后于應(yīng)力。若δ值越大，則表明其應(yīng)變滯后情況更為明顯，即瀝青所含粘性成分更多，而瀝青的變形恢復(fù)能力就越差。4種改性瀝青瀝青的相位角δ變化見(jiàn)圖2所示。

圖2 瀝青相位角-溫度變化曲線圖

由圖2可見(jiàn)，隨著溫度上升，4種瀝青的相位角均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，說(shuō)明溫度升高導(dǎo)致瀝青內(nèi)部的粘性成分增加，使得瀝青的彈性恢復(fù)能力降低。經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)比，在45～52 ℃時(shí)，未摻石墨烯的SBS改性瀝青的相位角明顯低于摻加石墨烯后的改性瀝青；在52～77 ℃的溫度范圍內(nèi)，2%摻量的SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青的相位角低于其他3種改性瀝青；而在77～85 ℃的溫度范圍內(nèi)，相位角則以1.5%石墨烯摻量的改性瀝青更優(yōu)，1%石墨烯摻量稍次之。從以上對(duì)比可以看出，在溫度上升初期，SBS改性劑對(duì)于瀝青內(nèi)部彈性成分的有效影響起主要作用，石墨烯的摻入并不利于該溫度段內(nèi)瀝青的變形恢復(fù)能力。但是隨著溫度的逐漸上升，石墨烯的摻入有效地減緩了瀝青彈性成分的降低速率，其影響能力隨溫度的進(jìn)一步上升而逐漸減弱。

2.2.3石墨烯對(duì)瀝青抗車轍能力的影響

G*/sinδ是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的一個(gè)重要指標(biāo)，這是一個(gè)有關(guān)于材料粘彈性能的特征函數(shù)，稱為車轍因子。車轍因子反應(yīng)瀝青抵抗永久變形的能力，車轍因子大的瀝青材料擁有更強(qiáng)的抗變形能力，即抗車轍能力越強(qiáng)。4種改性瀝青的車轍因子G*/sinδ變化見(jiàn)圖3所示。

圖3 瀝青車轍因子-溫度關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，隨著溫度上升，4種改性瀝青的車轍因子逐漸減小，說(shuō)明在高溫狀態(tài)下，改性瀝青的抗變形能力均逐漸衰弱。同時(shí)，摻入石墨烯后的改性瀝青抗車轍能力優(yōu)于純SBS改性瀝青。在45～64 ℃的溫度范圍內(nèi)，4種改性瀝青抗車轍能力大小排列順序?yàn)椋?%石墨烯<2%石墨烯<1.5%石墨烯<1%石墨烯。當(dāng)溫度上升到64～85 ℃溫度范圍內(nèi)時(shí)，其大小排列順序?yàn)椋?%石墨烯<1%石墨烯<1.5%石墨烯<2%石墨烯。這說(shuō)明石墨烯的加入對(duì)瀝青的抗車轍能力有一定改善，且隨著溫度的上升、石墨烯的摻量越大，其抗車轍能力越強(qiáng)。

3 結(jié)論

1) 石墨烯的摻入降低了SBS改性瀝青的針入度和延度，提高了SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)，表明石墨烯可提高瀝青的稠度并使瀝青硬化，改善瀝青高溫性能，降低瀝青的低溫抗拉能力。

2) 通過(guò)對(duì)SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青進(jìn)行DSR溫度掃描試驗(yàn)得出，石墨烯的摻入減緩了SBS改性瀝青彈性成分的流失，提高了SBS改性瀝青的抗車轍能力。

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