石墨烯復合橡膠瀝青改性制備方法及應用

摘 要：瀝青作為基礎路面工程的重要選材，其性能的好壞直接關系到路面的使用年限以及使用性能，為解決瀝青在實踐應用中存在的老化以及流動性問題，研究提出了一種石墨烯復合橡膠對瀝青進行改性的方式，并介紹了其制備方法。通過對石墨烯復合橡膠瀝青材料性能的測定發現這一材料的微觀結構更為緊密，且其流變性能測試以及老化性能測試結果都明顯的高于基底瀝青材料，更能夠符合道路工程以及建筑防水的現實需要，具有較為廣泛的應用前景。

關鍵詞：石墨烯；橡膠瀝青；制備方法；實踐應用

中圖分類號：

TQ333.99

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0012-03

Modified preparation method and application of graphene composite rubber asphalt

WANG Min1，WEI Dongxuan2

（1.Yangling Vocational amp; Technical College，Xianyang 712100，Shaanxi China;

2.Chang’an University，Xi’an 710064，China）

Abstract：Asphalt，as an important material selection for basic road engineering，its performance is directly related to the service life and performance of the pavement.In order to solve the aging and fluidity problems of asphalt in practical applications，a method of modifying asphalt with graphene composite rubber was proposed and its preparation method was introduced.Through the performance measurement of the graphene compound rubber asphalt material，it was found that the microstructure of this material was more compact，and its rheological performance test and aging performance test results were significantly higher than the base asphalt material，which could better meet the practical needs of road engineering and building waterproofing，and had a wide application prospect.

Key words：graphene; rubber asphalt; preparation method; practical application

隨著我國交通運輸業的蓬勃發展，車輛大型化以及重型化趨勢更為明顯，傳統的聚合物改性瀝青路面不能夠滿足交通運輸的需要。尤其在我國的東南沿海地區，因為年降水量過多，夏季潮濕悶熱加之極大的交通流量使得瀝青路面遭受車轍以及水損害。隨著學者對于瀝青路面改性的重視程度愈加提升，無機納米石墨烯材料得到更為廣泛的關注，其作為一種碳原子緊密堆積的新材料，具有優異的機械以及化學性能，將其與橡膠材料共同應用于瀝青材料改性中，有望能夠提升瀝青材料的性能指標，為其在工程項目中的進一步推廣打下良好的基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

石墨烯，RSG-GPI型號，粉體厚度10 mm以下，江蘇先豐納米材料科技有限公司；橡膠，40目橡膠粉，山東王氏兄弟橡塑科技有限公司；瀝青，A-70號道路石油基質瀝青，中石化；SBS改性劑，TH-791型苯乙烯類熱塑彈體，中石化巴陵公司［1-2］。

1.2 石墨烯復合橡膠瀝青制備

用天平稱取1 400 g瀝青進行加熱，待瀝青加熱至140 ℃后加入60 g橡膠粉，然后進行低速攪拌，升溫至185 ℃后，以800 r/min的轉速攪拌10 min，待橡膠與瀝青混合分散均勻，橡膠無明顯大顆粒時，將0.5%的石墨烯25 g加入到橡膠以及瀝青混合材料中，持續性加熱，并用玻璃棒進行人工攪拌，待表面無明顯漂浮材料后，加入SBS改性劑15 g，再次攪拌5 min，后靜置10 min。使用高速乳化剪切機以5 000 r/min的速度對靜置后復合瀝青材料進行持續性剪切30 min。剪切過程中瀝青保持加熱狀態，溫度控制在（180±5）℃，最后使用超聲波對制備材料進行分散［3-4］。

1.3 石墨烯復合橡膠瀝青性能測試

（1）分析石墨烯橡膠瀝青微觀結構。采用掃描電鏡進行微觀實驗，掃描電鏡，型號EM-30AX，產自北京天耀科技有限公司;

（2）高溫流變性能測試。采用動態剪切流變儀對石墨烯復合橡膠瀝青性能進行測定，動態剪切流變儀，型號DRS，產自天津市港源試驗儀器廠，轉速0.01～2 850 r/min，角速度范圍0.01～300 rad/s，試驗頻率10.0 rad/s，振蕩頻率0.1～10 Hz，動態掃描溫度為35、40、45、50、55、60、65以及70 ℃［5-6］;

（3）老化性能測試。采用旋轉薄膜加熱實驗以及壓力老化實驗方式對改性后復合瀝青進行測試，并對其老化指數進行計算，老化指數（AI）=復數模量老化后/復數模量老化前［7-8］。

2 試驗測試結果分析

2.1 微觀結構掃描分析

使用掃描電鏡對石墨烯橡膠瀝青的微觀結構進行分析，其性能指標如表1所示。

由表1可知，經過掃描電鏡檢驗，改性后的瀝青復合材料的針入度、延度、軟化點等項目結果均處于技術要求范圍內。加入石墨烯以及橡膠的瀝青改性材料中更容易形成網絡分子結構，微觀結構更為緊密［9-10］。

2.2 高溫流變性能測試

使用動態剪切流變儀對石墨烯橡膠瀝青流變性能進行測定，監測改性后瀝青的復數模量、相位角以及車轍因子，結果如表2所示。

由表2可知，石墨烯橡膠瀝青的復數模量以及車轍因子隨著溫度的增高呈現出明顯下降的趨勢。在高溫環境下，瀝青膠結料對于荷載作用的彈性能力強，在發生變形后能夠較快的恢復。摻入石墨烯以及橡膠材料的瀝青顯著的增強了瀝青分子體系結構的勁性以及韌性［11-12］。同時，其相位角隨著溫度的升高增加的更為緩慢，說明在加入石墨烯以及橡膠材料后，彈性物質明顯增加，在溫度上升的過程中彈性比例趨于穩定狀態。

2.3 老化性能測試

按照瀝青的老化機制可以劃分為短期以及長期2種，其中短期老化為在短時間內高溫環境下的老化，長期老化是瀝青道路在應用環節所出現的老化現象［13-14］。分別選用復數模量以及老化指數對石墨烯橡膠瀝青復合材料老化性能結果進行評價，結果如表3所示。

由表3可知，石墨烯橡膠復合材料在短期以及長期老化條件下其AI老化指數都明顯的小于純基底瀝青，表明石墨烯以及橡膠材料能夠明顯的改善瀝青的短期以及長期耐老化性能。瀝青發生老化主要是由于其中的輕質油分揮發，與空氣中的氧氣發生氧化反應，從而導致分子結構的變化［15-16］。將石墨烯以及橡膠材料應用于瀝青改性中，會使得瀝青膠結料中穿插更為緊密的石墨烯片層結構，一定程度上阻止了瀝青材料的油分揮發，改善其短期以及長期的老化性能。

3 石墨烯復合橡膠瀝青的應用

研究表明，加入石墨烯以及橡膠的瀝青改性劑材料的微觀分析結構更為緊密，其高溫流變性能與老化性能都明顯的優于未進行改性的材料。作為一種由碳氫化合物以及非金屬衍生物所組成的黑褐色有機高分子材料，石墨烯復合橡膠瀝青在道路工程以及建筑防水中將有更為廣泛的應用空間［17-18］。在道路工程方面，石墨烯橡膠改性瀝青材料鋪筑的路面彈性、耐磨性以及耐高低溫變化性都明顯的高于基底瀝青，能夠適應不同環境下的路面需求，將路面的使用壽命延長至15年。在建筑防水方面，使用石墨烯橡膠改性瀝青作為膠粘劑進行防水卷材，不僅價格低廉，且抗水損能力強、耐老化能力強，刺激性氣味小，具有安全以及經濟效益［19-20］。

4 結語

采用2種及以上的材料進行復配提升原材的改性效果已經成為熱點問題，石墨烯作為一種高強度、高韌性的納米材料，將其作為添加劑與橡膠、瀝青相融合進行改性，能夠極大的改善瀝青內部的聚集力，提升瀝青材料的高溫抗變形能力以及抗老化性能，在道路工程建設以及建筑防水等方面具有極為廣泛的應用意義。

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