石墨烯對SBS 改性瀝青技術(shù)性能的影響分析

■季浦和

（福建南平路橋建設(shè)工程有限公司，南平 353000）

瀝青是鋪筑瀝青路面的重要原材料之一，高性能的瀝青材料對于瀝青路面性能提升具有重要意義[1-2]。 普通道路瀝青對溫度極其敏感，已經(jīng)不能適應(yīng)越來越復(fù)雜的道路交通和氣候狀況，容易引發(fā)瀝青路面的早期病害。 為了改善道路瀝青的路用性能，目前通常采用摻加改性劑的方法來獲得性能優(yōu)異的改性瀝青[3]。

與常規(guī)改性劑相比， 納米材料的比表面積大大增加，在瀝青中可形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制水分和氧氣向瀝青內(nèi)部的滲透， 對瀝青技術(shù)性能有更好的改善效果[4]。在眾多的納米材料中，具有獨特結(jié)構(gòu)的石墨烯受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注， 近年來逐漸被應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域[5-6]。它與瀝青有很好的親和力，在熱瀝青中能夠形成以石墨烯為基礎(chǔ)的分子結(jié)構(gòu)，可極大地提高改性瀝青的物理性能和路用性能[7-9]。

本文將石墨烯按照一定質(zhì)量比例加入SBS 改性瀝青中，制備石墨烯-SBS 復(fù)合改性瀝青，通過掃描電子顯微鏡、基本指標(biāo)試驗、老化試驗、動態(tài)剪切流變試驗和離析試驗，分析石墨烯對SBS 改性瀝青技術(shù)性能的影響。

1 原材料和方法

1.1 原材料

（1）瀝青。 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

（2）石墨烯。圖1 為本研究采用的石墨烯，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖1 石墨烯

表2 石墨烯技術(shù)指標(biāo)

1.2 石墨烯-SBS 復(fù)合改性瀝青制備方法

將SBS 改性瀝青加熱熔融后，用玻璃棒均勻攪拌10 min，使瀝青處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)，加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%）的石墨烯粉末，用玻璃棒繼續(xù)輕輕攪拌10 min，使石墨烯粉末與瀝青初步混合，再使用高速剪切機，轉(zhuǎn)速設(shè)置為5000 r/min，溫度控制在180°C 左右，剪切時間為60 min，使石墨烯均勻地分散在SBS 改性瀝青中，最終制備得到不同石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青。

1.3 石墨烯-SBS 復(fù)合改性瀝青性能測試方法

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測不同石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青微觀形貌。 對樣品表面進行噴金預(yù)處理，電壓設(shè)置為20 kV，放大倍數(shù)為10000 X。按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）測試瀝青三大指標(biāo)，分析它們隨石墨烯摻量變化的變化規(guī)律。 （1）通過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗制備短期老化瀝青試樣， 具體方法參見《規(guī)程》T0610-2011，通過老化前后瀝青指標(biāo)的變化來評價復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。（2）采用動態(tài)剪切流變儀測試復(fù)合改性瀝青的流變性質(zhì)，分析其流變指標(biāo)隨石墨烯摻量變化的變化規(guī)律。 試驗溫度為46-70°C，應(yīng)變設(shè)置為1%，頻率為10 rad/s，具體方法參見《規(guī)程》T0628-2011。（3）依據(jù)《規(guī)程》T0661-2011 對復(fù)合改性瀝青進行離析試驗，采用軟化點差值評價復(fù)合改性瀝青儲存穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

從不同石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青SEM 微觀形貌圖（圖2）中可看出，石墨烯摻量為0%時，瀝青表面比較平整，沒有明顯的褶皺層狀結(jié)構(gòu)。 隨著石墨烯摻量的增加，瀝青中逐漸出現(xiàn)了一定的片層結(jié)構(gòu)。 當(dāng)摻量達(dá)到0.09%時，瀝青中的片層結(jié)構(gòu)豐富且分布均勻。 但是當(dāng)摻量增加到0.12%時，石墨烯片層結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的堆疊團聚現(xiàn)象，說明此時石墨烯摻量過高，不利于瀝青結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖2 不同石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青SEM 圖像

2.2 基本指標(biāo)

由瀝青三大基本指標(biāo)的測試結(jié)果（圖3～5）可知，隨著石墨烯摻量的增加，復(fù)合改性瀝青針入度先減小后增大，軟化點先升高后降低。 當(dāng)石墨烯摻量為0.09%時，針入度取得最小值，軟化點取得最大值。石墨烯較高的比表面積使其能夠更好地吸附和穩(wěn)定瀝青，石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)能夠抑制瀝青分子的運動，使得瀝青的稠度和硬度增加。 但是當(dāng)石墨烯摻量過大（0.12%）時，石墨烯在SBS 改性瀝青中容易出現(xiàn)團聚堆疊現(xiàn)象，其良好的潤滑和導(dǎo)熱作用引起針入度和軟化點下降。 延度則隨石墨烯摻量表現(xiàn)出不斷降低的趨勢，這是因為石墨烯納米顆粒阻礙了瀝青分子的自由流動，低溫條件下容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂。

圖3 針入度測試結(jié)果

圖4 軟化點測試結(jié)果

圖5 延度測試結(jié)果

2.3 抗老化性能

從短期老化后瀝青試樣的指標(biāo)變化情況（圖6）可知，在石墨烯摻量從0%增加到0.12%過程中，短期老化瀝青試樣的質(zhì)量變化百分比不斷減小，殘留針入度比不斷變大，說明石墨烯提高了SBS 改性瀝青的抗老化性能。 這是因為石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)可阻礙氧氣向瀝青內(nèi)部滲透， 抑制瀝青輕質(zhì)組分揮發(fā)，從而改善瀝青抗老化性能。 當(dāng)石墨烯摻量超過0.09%之后， 質(zhì)量變化百分比的降低幅度和殘留針入度比的增長幅度明顯減小，0.09%的石墨烯摻量具有較高的性價比。

圖6 抗老化性能分析結(jié)果

2.4 流變性能

從圖7 可以看出， 在試驗溫度從46°C 升高到70°C 過程中， 各瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量都在不斷減小，說明高溫條件使瀝青樣品發(fā)生軟化，流動性增加，抵抗變形能力降低。 摻加石墨烯后，SBS 改性瀝青復(fù)數(shù)模量增大，力學(xué)性能和抗變形能力增強，但是增強效果隨溫度的升高而逐漸減弱。 在石墨烯摻量為0.09%時，復(fù)數(shù)模量取得最大值，繼續(xù)增加摻量反而會導(dǎo)致復(fù)數(shù)模量的降低，這是由于石墨烯發(fā)生團聚堆疊現(xiàn)象， 影響了復(fù)合改性瀝青的整體性能。

圖7 復(fù)數(shù)模量測試結(jié)果

從圖8 可以看出，瀝青試樣的相位角隨溫度升高而增大，說明溫度越高，瀝青的黏性特性越大，彈性特性越弱，變形恢復(fù)能力逐步降低。 摻加石墨烯后，SBS 改性瀝青的相位角減小，彈性特性增大，變形恢復(fù)能力增強。 當(dāng)石墨烯摻量為0.09%時，復(fù)合改性瀝青的相位角最小， 抵抗永久變形能力最好。繼續(xù)增加石墨烯摻量會造成瀝青軟化，黏性特性增強，彈性特性減弱，變形恢復(fù)能力降低。

圖8 相位角測試結(jié)果

從圖9 可以看出，瀝青試樣車轍因子隨溫度升高而降低，故高溫條件下瀝青路面容易出現(xiàn)車轍病害。 摻加石墨烯提高了SBS 改性瀝青的車轍因子，有利于瀝青抗車轍性能的提升。 在石墨烯摻量為0.09%時，車轍因子達(dá)到最大，抗車轍能力最強。

圖9 車轍因子計算結(jié)果

2.5 儲存穩(wěn)定性

從軟化點差值計算結(jié)果（圖10）可知，隨著石墨烯摻量的增加，軟化點差值先減小后增大，在摻量為0.09%時達(dá)到最小值，比SBS 改性瀝青降低了38%，說明石墨烯提高了SBS 改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。 這是因為納米石墨烯的片層結(jié)構(gòu)能夠與SBS 改性劑分子的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)相互糾纏，對SBS改性劑分子和瀝青分子的運動產(chǎn)生了更好的屏障和抑制作用，使得二者能夠在更長時間內(nèi)保持穩(wěn)定交聯(lián)狀態(tài)，而不易出現(xiàn)離析問題。 但是當(dāng)石墨烯摻量過高（0.12%）時，會導(dǎo)致石墨烯與SBS 改性劑的比例失調(diào)，過多的石墨烯反而會引起儲存穩(wěn)定性下降。

圖10 儲存穩(wěn)定性測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）當(dāng)石墨烯摻量為0.09%時，瀝青中的片層結(jié)構(gòu)豐富且分布均勻；當(dāng)摻量增加到0.12%時，石墨烯片層結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的堆疊團聚現(xiàn)象，說明此時石墨烯摻量過高，不利于瀝青結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（2）隨著石墨烯摻量的增加，復(fù)合改性瀝青針入度先減小后增大，軟化點先升高后降低，而延度則在不斷降低。

（3）摻加石墨烯增強了SBS 改性瀝青的抗老化性能，石墨烯摻量為0.09%時具有較高的性價比。

（4）摻加石墨烯后，SBS 改性瀝青的力學(xué)強度和彈性特性增大，抵抗永久變形能力增強。 石墨烯摻量為0.09%時，復(fù)合改性瀝青抗車轍性能最優(yōu)。

（5）石墨烯與SBS 改性瀝青形成了穩(wěn)定的物理交聯(lián)狀態(tài)，石墨烯摻量0.09%的復(fù)合改性瀝青儲存穩(wěn)定性最好，但是摻量達(dá)到0.12%時反而會引起儲存穩(wěn)定性下降。