石墨烯對SBS復合改性瀝青性能影響★

張 昭 張 峰 全弘彬

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067)

0 引言

普通的道路瀝青屬于熱塑性材料，具有顯著的溫感[1]，使瀝青混合料在高溫情況下容易產生車轍，在低溫的情況下容易發生開裂[2]。因此對瀝青進行性能提升改性，從而改善道路瀝青的路用性能顯得尤其重要。

SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青可以顯著提升瀝青的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性，抗疲勞性等[3]。使SBS改性瀝青在中國道路工程中得到了廣泛的運用。不過在長時間的使用中，SBS改性瀝青混合依舊會出現各種路用問題[4]。本文嘗試在SBS改性瀝青中添加石墨烯粉末，以達到提升其混合料的路用性能。

在2004年，英國曼徹斯特大學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，石墨烯有著優異的力學性能、極高的導熱性能、阻斷性能等[5]。本文嘗試將石墨烯與SBS改性劑混合攪拌后，加入基質瀝青中，通過高速剪切成型制備石墨烯—SBS復合改性瀝青。同時通過實驗，對比不同摻量下的石墨烯—SBS復合改性瀝青與常規SBS改性瀝青的常規技術指標。最后對比分析，在不同摻量下石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料與常規SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能、抗疲勞性能及浸水馬歇爾穩定度。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

SK70號基質瀝青、中國石化所生產的SBS(791H)、石墨烯選用由上海力碩復合材料科技有限公司生產的多層石墨烯，重慶某石料廠：集料(潔凈、堅硬、耐磨的玄武巖)、礦粉(細磨石灰巖)。

1.2 儀器

微機控制電子萬能試驗機(WDW3100型，中國科學院長春科技公司)；組合式車轍式樣成型機(QCX-4，北京今谷神箭測控技術研究所)；瀝青混合料車轍試驗機(TDCZ-2，滄州恒勝偉業公路儀器有限公司)；BFA四點彎曲疲勞試驗機(澳大利亞IPCGlobal公司)重慶市威爾實驗儀器有限公司：電熱恒溫鼓風干燥機(HTF313C型)、高低溫試驗箱(HL1303C型)；上海昌吉地質儀器有限公司：馬歇爾電動擊實儀(SYD-0702 A-1型)、恒溫水浴箱(HWY-501 A型)、自動混合料攪拌機(SYD-F02-20型)。

1.3 石墨烯—SBS復合改性瀝青的制備和試驗方法

在150 ℃基質瀝青里添加摻量為5%的SBS后，分別添加0%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的石墨烯粉末混合，充分攪拌并融脹30 min后再以4 000 r/min的轉速剪切2 h，剪切過程保持溫度為175 ℃，最后制得石墨烯—SBS復合改性瀝青。

根據JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程T0606—2011進行瀝青軟化點實驗，T0605—2011進行瀝青5 ℃延度實驗，T0604—2011進行瀝青25 ℃針入度實驗。

1.4 石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的制備和試驗方法

將石墨烯—SBS改性瀝青和集料、礦粉采用電熱恒溫鼓風干燥機分別在170 ℃和240 ℃溫度加熱。按照最佳油石比將瀝青和集料、礦粉加入自動混合料攪拌機180 ℃，3 min制備混合料，級配采用AC-13見表1。通過馬歇爾電動擊實儀雙面擊打75下成型馬歇爾試件，通過瀝青混合料車轍試驗機、組合式車轍試驗機，分別成型高低溫試件，疲勞試件。試件成型后，常溫養護5 d即可測試其性能。

表1 AC-13集料分結果及級配合成

根據JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程的試驗方法，對瀝青混合料分別進行高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、馬歇爾穩定度試驗。本文采用SHRP-A303對石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料進行疲勞性能評價。

2 結果與討論

2.1 石墨烯—SBS復合改性瀝青性能

石墨烯—SBS復合改性瀝青的性能指標如表2所示。

表2 石墨烯—SBS復合改性瀝青試驗指標

在5%的SBS的添加量下，隨著石墨烯摻量的增加，延度呈降低趨勢，并且在1%的摻量下較0摻量下對比延度下降了1/2，石墨烯的摻加對于復合改性瀝青的延度影響較大，所以建議石墨烯的摻量不宜過多。通過表2對比軟化點，隨著石墨烯摻量的增加，軟化點呈上升趨勢，所以石墨烯的摻加對復合改性瀝青的高溫性能呈積極作用。對比觀察不同摻量的SBS—石墨烯復合改性瀝青的針入度，可以發現隨著石墨烯摻量的增加，針入度逐漸減小。

2.2 石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的性能研究

2.2.1高溫性能分析

試驗采用瀝青混合料車轍試驗機分別測試其60 ℃的動穩定度，實驗結果如表3所示。

表3 車轍試驗結果

從表3可以看出隨著石墨烯摻量增加，石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的60 ℃動穩定度逐漸增大，石墨的增加在不同程度上都對混合料的高溫性能有提升，在石墨烯摻量達到1%時，動穩定度相較于0添加的混合料更是提升了1倍。車轍實驗結果表明，石墨烯的摻加能有效的提高SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能。

2.2.2低溫性能分析

石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的-10 ℃低溫小梁試驗結果如表4所示。

表4 -10 ℃低溫彎曲試驗結果

通過表4可以看出，隨著石墨烯摻量的增加，混合料的勁度模量逐漸減少，在石墨烯摻量為0.25%的勁度模量較0摻量的混合料勁度模量只降低了4.1%；0.5%摻量下，勁度模量降低了6.8%；0.75%的摻量下，勁度模量降低了13.6%；1.0%的摻量下，勁度模量降低了19.1%。由此我們可以看出，石墨烯的摻加對混合料的低溫彎曲性能有影響，并且超過0.5%的石墨烯摻量情況下，混合料的勁度模量下降比較明顯，低溫彎曲性能下降較多，因此我們建議石墨烯的摻量不宜高于0.5%。

2.2.3馬歇爾性能分析

石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度實驗結果如表5所示。

表5 馬歇爾穩定度實驗結果

通過實驗結果我們可以發現石墨烯的摻加，混合料的馬歇爾穩定度略微變大，不過整體變化不大，摻加1%的石墨烯，馬歇爾穩定提升不超過5%，石墨烯的摻加使馬歇爾穩定度略微提升。流值變化不大，不隨著石墨烯添加量而發生過大的變化。

2.2.4疲勞性能分析

疲勞性能檢測選取應變力1 000 με平行試驗2次，共完成了5組疲勞試驗，實驗結果如表6所示。

表6 疲勞試驗結果

通過疲勞試驗的結果可以看出，隨著石墨烯的添加，疲勞性能提升。且隨著石墨烯摻量的增加，疲勞性能提升變大。在1%的石墨烯摻量下，疲勞性能提升較為明顯，較0%的石墨烯摻量提升達到60%，隨著石墨烯摻量的增加，疲勞性能提升越來越明顯。

3 結論

1)石墨烯添加入SBS—基質瀝青體系中，針入度略微降低，而提高復合改性瀝青的軟化點，制得的石墨烯—SBS復合改性瀝青有更優異的高溫性能，不過石墨烯的摻加，會降低復合改性瀝青的延度，影響石墨烯—SBS復合改性瀝青的低溫性能，所以綜合考慮建議石墨烯的摻量不宜超過0.5%。

2)通過石墨烯—SBS復合改性瀝青混合料的實驗，石墨烯的摻加可以明顯提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，并可以提升混合料的疲勞性能，且可以略微提升馬歇爾穩定度。不過，通過低溫彎曲實驗發現過高的石墨烯摻量對瀝青混合料的低溫性能有較大的降低影響，所以綜合考慮混合料的各方面性能，我們建議選用石墨烯的摻加量為0.5%。