石墨烯SBS雙改性瀝青力學性能研究

田俊

（鄂爾多斯應用技術學院 內蒙古鄂爾多斯 017100）

0 引言

在公路建設當中，由于瀝青混凝土路面具有良好的路用性能以及使用性能，并且建設速度快、養護維修簡便等特點，我國90%以上高等級公路都采用這種路面結構形式。但是瀝青混凝土屬于粘彈性材料，對于外界溫度及荷載的變化有很強的敏感性，反映在夏季高溫季節時就極易出現車轍、推移等永久性變形，冬季容易出現溫縮裂縫。因此解決瀝青路面的流動變形問題已引起了全國各地的普遍關注。但對瀝青進行改性可顯著提高路面的使用性能，在眾多改性瀝青中SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青由于同時具有高溫穩定性和低溫抗裂性，已逐步成為一種慣用的改性瀝青品種。然而，由于SBS在瀝青材料中的分散粒徑偏大，而且沒有均勻分散，導致SBS改性瀝青路面隨著行車荷載和自然因素等在長時間的作用下，出現不同程度的路面破壞。近年來，有研究發現，為使SBS與瀝青分子間相互組合，可在SBS改性瀝青中加入其他納米材料，來增強瀝青路面抗高溫車轍和抗低溫開裂等性能的研究。本課題通過在基質瀝青中添加石墨烯和SBS改性劑對瀝青進行改性，探討石墨烯對SBS改性瀝青性能的影響以及使用性能和效果評價的研究。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子組成的單層片狀結構的新材料。石墨烯是單原子層厚度的石墨，由sp2雜化碳原子形成呈蜂窩狀并無限擴展的二維晶體材料，石墨烯的發現引起了科學家的密切關注，有研究者報道了其在電子、儲能、傳感器等其他領域的相關功能及特性。石墨烯中每個碳原子與其它3個相鄰的碳原子形成共價鍵，剩余1個p軌道電子形成π鍵，π電子可以自由移動，是一種典型的二維材料。這些性質使得其與SBS以及瀝青的相容性比其他無機納米材料更好，這種可以提供大量電子的獨特結構也將成為瀝青和SBS之間潛在的橋梁[1-2]。

1 國內外研究現狀及趨勢

1.1 國外的研究現狀

2017年石墨烯產品生產商Directa Plus和專門從事瀝青添加劑的Iterchimica開發了一種正在申請專利的瀝青添加劑，該添加劑采用了Directa Plus的Graphene Plus技術。正是石墨烯的導熱性增強了瀝青的性能，從而在高溫條件下瀝青與添加劑混在一起時才難以軟化，在天氣寒冷時硬化和開裂。除此之外，為降低道路磨損，尤其是在高負荷下，該添加劑還可以利用瀝青的彈性和強度來實現。據估計，加入瀝青有可能使路面的平均使用壽命從目前的六七年提升至12-14年[3-4]。

1.2 國內的研究現狀

大連理工大學鞠維權，SBS改性瀝青混凝土路面技術研究；吉林大學王鵬鵬，SBS改性吉林大學瀝青混凝土在遼開線公路上的應用研究；哈爾濱市第十建筑工程有限責任公司劉勇剛、黑龍江省林業設計研究院曲志鵬，改性瀝青SBS施工技術探討；河海大學力學與材料學院何青、馬愛斌，常州市河海科技研究院有限公司江靜華等，石墨烯的制備及其在金屬防腐中的應用進展；山西路橋第一工程有限責任公司杜建政，石墨烯-SBS改性瀝青的性能研究；中國石化北京化工研究院金立、杜志國、石瑩、郝雪松、魯樹亮、王國清，石墨烯及其衍生材料在多相催化中的研究進展[5-6]。

2018年5月，南寧大橋封閉維修，第一次采用了沈培康團隊最新研發的石墨烯復合橡膠改性瀝青路面技術，當晚南寧大橋正式恢復通車，這也是“石墨烯公路”的首次“實戰”考驗。如何對基質瀝青進行改性并將其性能發揮最優是未來研究的趨勢。

綜上所述，這些研究對我們本文的研究都有一定的幫助，且這些研究為本文的研究提供了方向和途徑，值得我們借鑒。

2 亟待解決的問題

內蒙古地區是典型的中溫帶季風氣候，具有降水量少而且不均勻、寒暑溫度變化劇烈的特點。冬季漫長而且非常寒冷，且1月份最冷，月平均氣溫從南向北由零下10℃遞減到零下32℃，夏季最熱月份是在7月份，最高氣溫為36℃~43℃，氣溫變化劇烈，冷暖懸殊很大。因此對瀝青路面需要具備良好的高溫穩定性和低溫穩定性要求。由于溫差大導致的車轍和水損害已經成為我區瀝青路面質量控制的關鍵問題。采用性能差的瀝青路面，不僅加快了路面的早期損壞，而且嚴重影響了行車速度、危及行車安全并且加大了養護成本、縮短了路面的使用壽命。由此帶來的直接和間接經濟損失巨大，維修所造成的材料消耗、環境污染、交通堵塞等損失都難以估量。

為了解決瀝青路面在高溫條件下的車轍、推移等病害，近幾年來國內外的道路工作研究者嘗試采用石墨烯改性瀝青混合料作為防止或減緩瀝青路面的高溫變形和低溫穩定性。經過長期的跟蹤觀測發現其防止變形的效果確實優于其他常規結構。將石墨烯和瀝青有效結合，會創造出耐久性更強的路面。石墨烯為生態鋪路的添加劑提高瀝青路面的耐久性和可持續性。瀝青性能的提高是石墨烯導熱性的結果，使瀝青與添加劑混合時不易在高溫下軟化，在天氣寒冷時硬化和開裂。該添加劑還通過增加瀝青的彈性和強度來減少道路磨損，特別是在高負荷下。據估計，石墨烯加入SBS改性瀝青有可能使路面的平均使用壽命從目前的六七年提升至12-14年。正是這種能力使得這些添加劑成為道路養護應用的一個特別有吸引力的選擇，例如修補道路坑洼。重要的是，與EcoPave混合的瀝青也是可回收的，在新路面的鋪設時幾乎可重復利用100%的磨碎的瀝青，從而減少垃圾填埋和提取新瀝青的需要。石墨烯的添加使傳統SBS改瀝青路面的各項指標都得到了大幅度提高，能有效提高路面的高溫動穩定性、低溫抗裂性、路面粘結度、耐老化等特性并且能有效地解決鋼箱梁橋面易出現的諸多問題。

在SBS改瀝瀝青中添加了石墨烯，瀝青路面高溫穩定度可以達到1萬以上，是國家路面技術規范標準的3倍，并且具有顯著的抗車轍性和抗剪切能力；其他指標也均有30%~50%的提升。因此，因地制宜優選改性瀝青、制訂改性瀝青規范，開展石墨烯改性瀝青混合料高溫穩定性和低溫抗裂能力等的深入研究，將為我區瀝青路面建設提供可靠的技術支撐，具有重要的現實意義和研究必要性。綜上所述，該文的研究具有實際意義和理論指導意義。

3 結論與展望

通過專題學習，收集相關資料，了解石墨烯的材料特性；通過調查研究，對石墨烯SBS雙改性瀝青性能進行分析。以5%的SBS改性劑和不同比例石墨烯改性劑與基質瀝青進行配合，確定石墨烯的最佳參量，并提出石墨烯SBS雙改性瀝青的技術標準。通過實驗、數據分析，對石墨烯與SBS改性瀝青協同作用進行分析，提出石墨烯與SBS改性瀝青協同作用科學的質量控制標準和設計方案。通過將SBS改性劑及石墨烯混合后摻入基質瀝青中制備石墨烯SBS復合改性瀝青，測量其針入度、軟化點和延度。同時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。結果表明，石墨烯可以顯著的增強SBS改性瀝青的高溫性能，對SBS改性瀝青產生了硬化效果，減弱了瀝青的低溫抗拉能力。伴隨著溫度的升高，SBS改性瀝青彈性成分的流失也因石墨烯的加入有所減緩，提高其抗車轍能力。

綜上所述，本文結合內蒙古地區氣候特點，研究在SBS改性瀝青中添加石墨烯以后，對SBS瀝青力學性能進行研究。對提高我區道路建設質量，改善現有材料的不足，具有重要的實際意義。