石墨烯改性瀝青物理性能試驗研究

陳鳳娥 楊洋 李國鑫 黃仁生

摘要：文章在借鑒納米材料改性瀝青領域研究成果的基礎上，應用90#瀝青作為基質瀝青，以分別摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%納米石墨烯的方式，利用經驗流程工藝制備石墨烯改性瀝青，測試其各項物理性能。結果表明：摻入石墨烯的改性瀝青，其感溫性能情況不明顯;各溫度下石墨烯改性瀝青的針入度中25 ℃時降低最明顯;瀝青黏度的改善使改性瀝青高溫性能增強，但低溫抗裂性能減弱，更易發(fā)生斷裂。

關鍵詞：石墨烯;改性瀝青;物理性能;研究

Based on the research results of nanomaterial modified asphalt field，with 90#asphalt as matrix asphalt，and by adding 0%，0.1%，0.2%，0.3% and 0.4% nanographene respectively，this article uses the empirical process to prepare graphene modified asphalt and tests its physical properties.The results show that the temperaturesensing performance of the modified asphalt blended with graphene is not obvious;the penetration of graphene modified asphalt is most obviously reduced at 25 ℃ among different temperatures;the improvement of asphalt viscosity enhances the hightemperature performance of modified asphalt，but its lowtemperature crack resistance is weakened，prone to fractures.

Graphene;Modified asphalt;Physical properties;Research

0 引言

瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑褐色復雜混合物，是一種具有高黏度的固體、半固體或粘稠狀的有機物[1]。目前，我國交通運輸尤其是公路運輸能力日益提高，運量逐漸接近甚至超出負荷，交通運量的增長使得瀝青路面病害加重。究其原因，除了設計施工等方面，能否提高瀝青材料的性能也成為重點因素。普通道路瀝青因其自身的成分和相對分子量分布決定了其感溫性能差，高溫易軟化流淌，低溫易脆裂，難以滿足高等級公路的使用需求[2]。而聚合物改性瀝青從發(fā)展初期到現(xiàn)在以顯著提高瀝青耐久性能而被廣泛認知，但其經濟效益低、工藝系統(tǒng)性不足、機理研究尚未成型等缺點不可忽視。因此，研發(fā)一系列具有高經濟效益并能達到優(yōu)良應用性能的改性瀝青刻不容緩。

隨著技術工藝與試驗手段的發(fā)展，對納米材料的研究也更進一步。道路工程領域的持續(xù)發(fā)展，使得利用納米材料改性瀝青領域的發(fā)展突飛猛進：肖鵬、李雪峰[3]采用溶劑法將納米ZnO粒子和SBS加入基質瀝青中，制得納米ZnO/SBS改性瀝青，很好地發(fā)揮納米ZnO的特點，改善SBS在基質瀝青中的分散效果，提高SBS與瀝青界面的結合能力;張曉華[4]通過納米碳酸鈣及納米碳酸鈣和聚乙烯復合分別制備改性瀝青，使得納米碳酸鈣顆粒均勻地分散在瀝青當中，形成均勻穩(wěn)定的瀝青整體結構，從而使其低溫抗裂性、低溫穩(wěn)定性及溫度敏感性有所改善;冉龍飛等[5]利用膨潤土中富含的天然層狀硅酸鹽有機化“插層”預處理，在熔融瀝青中“剝離”為納米顆粒，并在瀝青中均勻分散，形成納米增強瀝青復合材料。但學者們利用的納米材料主要以層狀硅酸鹽、納米ZnO、蒙脫土為主，種類繁多、標準不一且機理研究尚未能夠得到廣泛認同。2004年，英國曼徹斯特大學Novoselov教授及其團隊，首次通過研究微機械剝離技術制備出石墨烯。石墨烯是一種呈六角蜂巢單片層狀的二維納米材料，其厚度只有一個碳原子厚度，具有優(yōu)異的電力學、熱力學、光學及力學性能。本文在前人研究納米材料改性瀝青的基礎上，借鑒納米材料領域研究成果，試圖在納米材料改性瀝青領域以石墨烯改性瀝青打開突破口，利用石墨烯改性瀝青并測試其物理性能，為今后納米材料改性瀝青提供研究依據(jù)與基礎。

1 試驗

利用石墨烯與瀝青熔融混合，制備出納米石墨烯改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）進行針入度、環(huán)球法軟化點試驗，并測試石墨烯改性瀝青的低溫延度、針入度指數(shù)、當量軟化點及當量脆點，研究石墨烯改性瀝青物理性指標及其機理。

1.1 試驗原材料

1.1.1 基質瀝青

采用廣西某瀝青廠生產的90#瀝青，各項性能指標符合技術規(guī)范要求，見表1。

1.1.2 石墨烯

由于石墨烯制備過程中各種參數(shù)不宜把控，不穩(wěn)定的制備技術嚴重影響試驗結果與改性過程。為了降低由于石墨烯制備所產生的試驗誤差，本試驗中石墨烯采用納米石墨烯，其主要指標見表2。

1.2 改性瀝青制備與物理性能測試方法

石墨烯改性瀝青工藝尚沒有系統(tǒng)流程，研究小組根據(jù)試驗需要，經過反復試驗，得出一套可制備石墨烯改性瀝青的流程：將基質瀝青裝入容器中→將容器放置于烘箱進行加熱→當基質瀝青呈流動狀態(tài)時取出→將基質瀝青容器放在鋪有石棉網的加熱設備之上攪拌8～12 min（整個過程溫度≤145 ℃）→將事先稱重完畢且未受污染的石墨烯均勻摻入基質瀝青中→待加入完畢后用干凈玻璃棒手動緩慢攪拌12 min→將初步混合均勻的石墨烯瀝青放置于攪拌器中以2 000 r/min的速度攪拌12～18 min→停止后立即通過高速剪切儀器以4 500 r/min的速度改性90 min→結束石墨烯改性瀝青制備。將石墨烯改性瀝青按照《規(guī)程》測試15 ℃、25 ℃、30 ℃的針入度、軟化點、延度、針入度指數(shù)（PI）、當量軟化點（T800）、當量脆點（T1，2）。

2 試驗結果與分析

本試驗應用90#瀝青作為基質瀝青，以分別摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%納米石墨烯的方式，利用通過反復試驗得出的一套經驗流程制備石墨烯改性瀝青，并分別測試其物理性能指標。其中，三大指標測試結果如表3所示，相關計算指標結果如表4所示。

2.1 感溫性能

石墨烯改性瀝青溫度敏感性的評價指標為表4中針入度指數(shù)（PI）數(shù)值，將此數(shù)值繪制得到不同摻入量石墨烯對瀝青溫感性能的影響曲線，如圖1所示。觀察圖1可知：利用二維納米材料石墨烯改性瀝青其針入度指數(shù)（PI）隨著石墨烯摻入量的變化在0.54～0.80之間波動，改變其感溫性能情況不明顯。這可能是由于石墨烯屬二維納米材料，在基質瀝青中自由度受限，使瀝青分子鏈與納米材料聚集時結構較容易受到溫度的影響而改變。

2.2 高溫性能

改性瀝青的高溫抗變形能力可以參考針入度變化而反映，觀察圖2～4可知：（1）隨著石墨烯摻入量的逐漸增加，15 ℃、25 ℃、30 ℃下石墨烯改性瀝青的針入度均出現(xiàn)不同程度的降低，即石墨烯的摻入會使改性瀝青稠度增大;（2）三種溫度下石墨烯改性瀝青針入度隨摻入量逐漸降低的變化幅度為9.13%、10.04%、8.53%，可以看出25 ℃時，石墨烯的摻入對瀝青針入度的影響最大，其余兩種溫度相對影響較小;（3）由于石墨烯的摻入，改性瀝青中潛在的物理化學反應過程被激活，自由度適中的二維納米材料石墨烯與基質瀝青的相容性尚可。

軟化點與當量軟化點可以反映石墨烯的摻入對瀝青黏度的影響，觀察下頁圖5～6可知：石墨烯的摻入對瀝青黏度的改善效果明顯，黏度隨著摻入量的增加逐漸提高，可以反映石墨烯改性瀝青的高溫性能增強。由于改性瀝青高溫性能主要取決于高溫下瀝青層之間分子的運動，石墨烯的摻入使得納米級別下二維材料阻礙瀝青分子層運動，從而有效改善改性瀝青的高溫性能。

2.3 低溫性能

由于瀝青在現(xiàn)場應用時常經歷低溫環(huán)境，而低溫環(huán)境下的瀝青易脆性可以致使裂紋的出現(xiàn)與擴展，所以有必要通過延度與當量脆點評估石墨烯改性瀝青的低溫性能。觀察圖7～8可知：（1）石墨烯的摻入使改性瀝青低溫抗裂性能減弱，隨著指標的下降，石墨烯改性瀝青更易出現(xiàn)裂縫而斷裂;（2）石墨烯的摻入，使瀝青分子與石墨烯可能出現(xiàn)聚集態(tài)等情形，從而使得瀝青分子之間相互聯(lián)系受到阻礙，增加改性瀝青材料的缺陷。

3 結語

本文在借鑒納米材料改性瀝青領域研究成果的基礎上，應用90#瀝青作為基質瀝青，以分別摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%納米石墨烯的方式，利用經驗流程工藝制備石墨烯改性瀝青，測試其各項物理性能，得到以下結論：

（1）摻入石墨烯的改性瀝青，由于自由度受限，其針入度指數(shù)（PI）隨著石墨烯摻入量的變化而波動，改變其感溫性能情況不明顯。

（2）摻入石墨烯的改性瀝青，隨著石墨烯摻入量的逐漸增加，一方面各溫度下石墨烯改性瀝青的針入度降低幅度為9.13%、10.04%、8.53%，25 ℃時降低最明顯;另一方面石墨烯的摻入對瀝青黏度的改善效果明顯，從而有效改善改性瀝青高溫性能。

（3）摻入石墨烯的改性瀝青，其低溫抗裂性能減弱，更易發(fā)生斷裂。

參考文獻：

[1]張明祥.納米氧化鋅改性瀝青及其抗老化性能研究[D].西安：長安大學，2015.

[2]王昊鵬，龔明輝，楊 軍，等.納米改性瀝青研究進展[J].石油瀝青，2015，29（3）：51-58.

[3]肖 鵬，李雪峰.納米ZnO/SBS改性瀝青微觀結構與共混機理[J].江蘇大學學報（自然科學版），2006（6）：548-551.

[4]張曉華.納米碳酸鈣改性瀝青及其混合料的性能研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.

[5]冉龍飛，黃維蓉，朱寶華.納米膨潤土改性瀝青機理研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2008（1）：73-76.