SBS-石墨烯復合改性瀝青流變性能研究

黃瑾瑜 葉群山

(長沙理工大學交通運輸工程學院 長沙 410114)

在科技化的21世紀，納米技術與我們的生活息息相關，因此，眾多科研人員在納米技術的運用發展方面投入了大量的時間與精力。納米材料相對于傳統材料，因其在尺寸方面的優勢而具備了豐富且優良的性能表現。若將納米技術與道路材料結合，可預見其對于道路的發展將產生深遠的影響。

在2004年，英國曼徹斯特大學的Geim 和Novoselov[1]通過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。通過研究發現石墨烯具有優異的力學性能[2]、極高的導熱性[3]、高電子遷移率及優異的阻隔性能[4-6]等，使得其在復合材料、傳感器、儲能及催化材料等領域具有極其廣闊的應用前景。目前有關石墨烯的研究主要集中于高性能復合薄膜、新能源電池等方面，但在路面結構材料方面的應用研究還未見涉及。

本文通過將石墨烯與SBS改性劑混合攪拌后加入基質瀝青中進行高速剪切制備相應的復合改性瀝青。同時通過試驗，對比研究石墨烯摻量對改性瀝青常規技術指標的影響趨勢。最后對復合改性瀝青進行進行動態剪切流變試驗溫度掃描試驗，探索石墨烯對瀝青高溫抗車轍性能的影響規律。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗材料

1) 基質瀝青。選用湖南寶利瀝青有限公司生產的70號基質瀝青。

2) SBS改性劑。選用中國石化燕化茂名分公司生產的SBS改性劑。

3) 石墨烯。選用蘇州碳豐科技有限公司生產的多層石墨烯。

1.2 SBS-石墨烯復合改性瀝青的制備和實驗方法

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 ℃的基質瀝青中充分攪拌并溶脹15 min后再高速剪切90 min，剪切過程中保持溫度為180 ℃、轉速為5 000 r/min，最后制得SBS-石墨烯復合改性瀝青。

按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》規定方法對制得的復合改性瀝青進行針入度、軟化點及延度試驗。

使用動態剪切流變儀DSR對SBS-石墨烯復合改性瀝青進行溫度掃描試驗，其溫度范圍為45～85 ℃，控制其應變值γ=12%、加載角頻率ω=10 rad/s。

2 實驗結果分析

2.1 改性瀝青常規指標

改性瀝青常規指標見表1所示。

表1 復合改性瀝青常規試驗指標

由表1可見：

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

2) 改性瀝青的軟化點隨石墨烯摻量的增加而逐漸升高，當石墨烯摻量增大到2%時，軟化點增大趨勢變緩。

3) 當延度的測試溫度為5 ℃時，經過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。特別是當石墨烯摻量為1%時，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機納米材料在瀝青中無法相互交聯，且在一定程度上阻礙了瀝青的自由流動。因此在低溫情況下，石墨烯對瀝青抵抗塑性變形的能力產生了一定的負面作用，造成瀝青內部產生了一定量的應力集中點，使得瀝青在低溫受拉狀態下，更易出現斷裂破化。

2.2 DSR溫度掃描

2.2.1石墨烯對瀝青復數剪切模量的影響

復數剪切模量G*是材料在處于重復剪切變形狀態下抵抗其所受變形總阻力能力的體現。4種改性瀝青的復數剪切模量G*變化情況見圖1所示。

圖1 瀝青復數剪切模量-溫度變化曲線圖

由圖1可見，隨著溫度的逐漸升高，SBS改性瀝青及摻入石墨烯后的復合改性瀝青的G*均呈現下降趨勢，說明溫度上升導致瀝青彈性能力降低。同時，摻入石墨烯后的SBS改性瀝青的復數剪切模量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，以1%石墨烯摻量的復合改性瀝青的G*最高，而當溫度為65～85 ℃時，則2%石墨烯摻量的復合改性瀝青的G*最高。說明在溫度相對較低范圍內，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，在瀝青內部阻止瀝青膠體高溫流動所需要的石墨烯也隨之增加，因此，高摻量石墨烯復合改性瀝青在相對高溫下的抗變形能力更強。

2.2.2石墨烯對瀝青相位角的影響

相位角δ反應了瀝青中粘性與彈性成分比例關系。在粘彈性材料產生變形過程中，其應變的發生會相應地滯后于應力。若δ值越大，則表明其應變滯后情況更為明顯，即瀝青所含粘性成分更多，而瀝青的變形恢復能力就越差。4種改性瀝青瀝青的相位角δ變化見圖2所示。

圖2 瀝青相位角-溫度變化曲線圖

由圖2可見，隨著溫度上升，4種瀝青的相位角均呈現出上升趨勢，說明溫度升高導致瀝青內部的粘性成分增加，使得瀝青的彈性恢復能力降低。經過仔細對比，在45～52 ℃時，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，2%摻量的SBS-石墨烯復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，相位角則以1.5%石墨烯摻量的改性瀝青更優，1%石墨烯摻量稍次之。從以上對比可以看出，在溫度上升初期，SBS改性劑對于瀝青內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瀝青的變形恢復能力。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一步上升而逐漸減弱。

2.2.3石墨烯對瀝青抗車轍能力的影響

G*/sinδ是評價瀝青高溫性能的一個重要指標，這是一個有關于材料粘彈性能的特征函數，稱為車轍因子。車轍因子反應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的抗變形能力，即抗車轍能力越強。4種改性瀝青的車轍因子G*/sinδ變化見圖3所示。

圖3 瀝青車轍因子-溫度關系

由圖3可見，隨著溫度上升，4種改性瀝青的車轍因子逐漸減小，說明在高溫狀態下，改性瀝青的抗變形能力均逐漸衰弱。同時，摻入石墨烯后的改性瀝青抗車轍能力優于純SBS改性瀝青。在45～64 ℃的溫度范圍內，4種改性瀝青抗車轍能力大小排列順序為：0%石墨烯<2%石墨烯<1.5%石墨烯<1%石墨烯。當溫度上升到64～85 ℃溫度范圍內時，其大小排列順序為：0%石墨烯<1%石墨烯<1.5%石墨烯<2%石墨烯。這說明石墨烯的加入對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。

3 結論

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，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) 通過對SBS-石墨烯復合改性瀝青進行DSR溫度掃描試驗得出，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。

[1] NOVOSELOV K S,GEIM A K, MOROZOV S V. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science,2004,22(306):666-669.

[2] WEITZ R T, YACOBY A. Nanomaterials: graph-ene rests easy[J]. Nat. Nanotechnol,2010,5(10):699-700.

[3] DIMITRAKAKIS G K, TYLIANAKIS E,FROU-DAKIS G E.Pillared graphene:a new 3-D network nanostructure for enhanced hydrogen storage[J] ．Nano Letters,2008(8):3166-3170.

[4] K?NIG L, RIEMANN I, FRITZSCHE W. Nanodissection of human chromosomes with near-infrared femtosecond laser pulses[J]. Optics Letters,2001,26(11):819-821.

[5] ZHOU B B , WEI A Y, ZHANG Y D，et al. Generation of 210 fs laser pulses at 1093 nm by a self-starting mode-locked Yb:GYSO laser[J]. Optics Letters,2009,34(1):31-33.

[6] 葉昌勇,許達俊.SBS和SBR改性瀝青混合料抗紫外線老化性能研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2014,(4):883-886.