氧化石墨烯對(duì)SBS改性瀝青流變及抗老化性能的影響研究

楊同偉

（鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來(lái)，隨著路面車輛荷載的增加和異常天氣的增多，常規(guī)瀝青路面已無(wú)法滿足使用要求，常常出現(xiàn)裂縫和車轍等早期病害。目前，高等級(jí)路面應(yīng)用最廣泛的是SBS改性瀝青，但諸多研究表明[1-2]，SBS改性瀝青在服役過(guò)程中受到車輛荷載反復(fù)作用以及水、熱、氧和紫外光的綜合作用，會(huì)降低路面的耐久性能和服役壽命。

氧化石墨烯（Graphene oxide，簡(jiǎn)稱GO）作為一種準(zhǔn)二維無(wú)機(jī)層狀納米材料，是由石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化和剝離后的產(chǎn)物，其表面富含羥基、羧基和環(huán)氧基等活性基團(tuán)，近年來(lái)常作為一種新型的瀝青改性劑材料[3]。朱俊材等[4]分析氧化石墨烯對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，結(jié)果表明，摻氧化石墨烯后可以改善瀝青膠結(jié)料的黏度、高溫性能和交聯(lián)密度，而對(duì)低溫性能無(wú)明顯影響，對(duì)于基質(zhì)瀝青改性效果要大于SBS改性瀝青。黃建云等[5]采用DSR、BBR和MSCR等手段分析氧化石墨烯復(fù)摻多聚磷酸改性瀝青在老化前后的流變性能和抗熱氧老化性能，結(jié)果表明，摻入氧化石墨烯后可有效改善瀝青結(jié)合料的高溫抗變形特性、彈性恢復(fù)和抗高溫?zé)嵫趵匣芰?，且明顯提高了瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性和抗低溫老化性能。法春光[6]通過(guò)研究氧化石墨烯對(duì)SBS改性瀝青基本技術(shù)性能和流變性能的影響得出，隨著氧化石墨烯摻量增加，瀝青膠結(jié)料高溫抗變形能力隨之增強(qiáng)，低溫抗裂性隨之減弱，且其受熱氧老化及紫外光老化后的宏觀與微觀性能變化趨勢(shì)減小。

本文借助室內(nèi)試驗(yàn)研究氧化石墨烯對(duì)SBS改性瀝青的常規(guī)性能、流變性能及老化性能的影響，以期得到最佳的氧化石墨烯用量，為類似工程應(yīng)用提供參考價(jià)值。

1 原材料性能

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青采用中石化東海牌70號(hào)道路石油瀝青，其基本技術(shù)性能見(jiàn)表1所示。SBS為YH-791線型改性劑，其拉伸強(qiáng)度為26.5MPa，苯乙烯含量不低于32%，斷裂伸長(zhǎng)率為726%，其摻量為4.5%。氧化石墨烯外觀呈黑色粉末狀，純度可達(dá)到98%，比表面積為110m2/g，片層均厚約為2.2nm。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性能Table 1 Technical performance of matrix asphalt

2 改性瀝青制備工藝

首先將基質(zhì)瀝青在145℃烘箱中加熱2h至熱熔流動(dòng)態(tài)，去除瀝青中的水分，然后以一定量倒入耐熱容器中，置于墊有石棉網(wǎng)電爐上加熱，然后分別緩緩加入提前混合好的氧化石墨烯（0.2%、0.5%、0.8%，分別占基質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和SBS改性劑（4.5%，占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)）混合物，采用溫度計(jì)將溫度控制在170℃，先用玻璃棒沿著一個(gè)方向不斷攪拌5min，然后用高速剪切機(jī)以4000r/min速率剪切40min，然后轉(zhuǎn)為2000r/min速率剪切20min，最后將制備好的GO/SBS復(fù)合改性瀝青放入170℃烘箱中發(fā)育1h，即制備完成GO/SBS復(fù)合改性瀝青[7]。

3 復(fù)合改性瀝青性能

3.1 常規(guī)性能

采用針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)分別分析氧化石墨烯用量對(duì)GO/SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能、溫度敏感性和低溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。采用聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)，盛樣管頂部和底部的軟化點(diǎn)差值評(píng)價(jià)GO/SBS復(fù)合改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 GO含量對(duì)瀝青常規(guī)性能的影響Fig.1 Effect of GO content on conventional performance of asphalt

表2 存儲(chǔ)穩(wěn)定性結(jié)果Table 2 Results of storage stability

從圖1中可以看出，隨著GO用量增加，25℃針入度值不斷減小，且GO用量大于0.5%后趨勢(shì)變緩；軟化點(diǎn)隨GO用量增加而增大；而延度逐漸減小，尤其是GO用量大于0.5%后變化明顯。說(shuō)明一定量GO可增加SBS改性瀝青的黏稠度，改善其溫度穩(wěn)定性和低溫延展性。

從表2可看出，隨著GO用量增加，頂部或底部的軟化點(diǎn)均逐漸增大，其差值越來(lái)越小，說(shuō)明GO在增強(qiáng)SBS改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性方面具有很好的作用。

3.2 高溫流變性能

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)摻不同用量GO的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，荷載作用頻率為1.59Hz，溫度掃描范圍為52～76 ℃，以試驗(yàn)得到的復(fù)數(shù)模量、相位角和換算得到的車轍因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中復(fù)數(shù)模量表征瀝青材料能夠抵抗外部剪切荷載作用的總阻力，相位角屬于正弦波應(yīng)力作用下的應(yīng)變滯后角度，能夠說(shuō)明瀝青材料的黏彈比例，車轍因子揭示了瀝青材料所能夠抵抗高溫變形和抗車轍能力的大小[8-9]。復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 GO含量對(duì)瀝青高溫流變性能的影響Fig.2 Effect of GO content on high-temperature rheological properties of asphalt

從圖2（a）可以看出，復(fù)數(shù)模量G*隨溫度升高逐漸減小，在相同溫度時(shí)，復(fù)數(shù)模量隨GO用量增加而增大，摻0.2% GO和0.5% GO對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量增加幅度較大，摻0.8%GO的復(fù)數(shù)模量相比于0.5%GO雖有所增大，但相對(duì)增大幅度較小。說(shuō)明摻入GO后提高了SBS改性瀝青抵抗外部剪切荷載作用所能承受的總阻力，增強(qiáng)了SBS改性瀝青的高溫抗剪切能力。從圖2（b）可知，不同GO用量的改性瀝青其相位角隨溫度升高逐漸增大，同樣溫度條件時(shí)隨著GO用量增加，其相位角越小，彈性成分占比相對(duì)較高。說(shuō)明摻入GO具有阻礙瀝青材料在高溫條件下由彈性變形發(fā)展為塑性變形的作用，提高瀝青材料的高溫抗變形性能。根據(jù)圖2（c）可知，不同摻量GO的車轍因子均隨溫度升高而減小，在同樣溫度下，隨著GO用量增加，車轍因子不斷增大，如在溫度64℃時(shí)，0.5% GO用量相對(duì)0% GO的車轍因子提高了29.3%，說(shuō)明加入GO后增強(qiáng)了瀝青材料的高溫抗車轍能力。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，與0%～0.5% GO用量相對(duì)比，0.8%GO相對(duì)于0.5% GO用量對(duì)應(yīng)的車轍因子增加幅度很小，說(shuō)明GO用量需要控制在一定范圍內(nèi)，超出范圍后改善效果不明顯。

3.3 低溫流變性能

采用低溫彎曲流變儀對(duì)摻不同用量GO的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行低溫流變性能評(píng)價(jià)，試驗(yàn)采用第60s時(shí)對(duì)應(yīng)的蠕變勁度S和蠕變速率m作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中S≤300MPa、m≥0.3[10]。蠕變勁度S反映了瀝青材料在受到外界溫度變化時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力大小，S值越大越容易發(fā)生開(kāi)裂，蠕變速率m表征了瀝青材料在發(fā)生應(yīng)力后的松弛能力，其值越大說(shuō)明應(yīng)力松弛能力越強(qiáng)，低溫時(shí)材料的抗開(kāi)裂能力越強(qiáng)[11]。復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 GO含量對(duì)瀝青低溫流變性能的影響Fig.3 Effect of GO content on low-temperature rheological properties of asphalt

從圖3（a）可以看出，隨著溫度下降，四種材料的蠕變勁度隨之增大，在相同溫度下，蠕變勁度隨著GO用量增加而逐漸增大，說(shuō)明GO的加入對(duì)于瀝青材料低溫性能產(chǎn)生了不利影響，會(huì)增加瀝青材料的“剛度”，低溫柔韌性降低，使其在低溫條件下變得脆硬，更容易發(fā)生開(kāi)裂，尤其是剛摻入0.2% GO和GO用量大于0.5%之后，這種效應(yīng)更明顯。根據(jù)圖3（b）可知，隨著溫度下降，摻不同用量GO的改性瀝青蠕變速率隨之減小，且在同一溫度下隨著GO用量增加，其蠕變速率m值逐漸減小，說(shuō)明加入GO后瀝青材料的抗變形能力下降，應(yīng)力松弛能力減小，低溫時(shí)更容易產(chǎn)生脆裂。

3.4 抗老化性能

采用薄膜烘箱老化試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn)分別用于評(píng)價(jià)瀝青材料的短期老化和長(zhǎng)期老化性能，其中薄膜烘箱老化試驗(yàn)溫度為163℃，試驗(yàn)時(shí)間為5h；壓力老化試驗(yàn)溫度為100℃，時(shí)間為20h，容器內(nèi)的壓力為2.1±0.1 MPa[12]。然后將經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)后的瀝青試樣用于針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)，并與老化前試樣做對(duì)比，以老化前后試樣的殘留針入度比、軟化點(diǎn)增量和殘留延度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 GO含量對(duì)瀝青抗老化性能的影響Fig.4 Effect of GO content on asphalt aging resistance

從圖4可知，無(wú)論經(jīng)過(guò)短期老化還是長(zhǎng)期老化，隨著GO用量增加，瀝青材料的殘留針入度比逐漸增大，軟化點(diǎn)增量逐漸減小，殘留延度比逐漸增大。說(shuō)明摻入GO后可以降低瀝青材料的老化程度，改善其抗老化性能。相比于不摻GO，摻0.8% GO的改性瀝青經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比分別提高了4.6%和17.6%，軟化點(diǎn)增量分別降低了2.4℃和2.5℃，殘留延度比分別提高了9.1%和9.3%，說(shuō)明加入GO可以一定程度上抑制瀝青老化的發(fā)生，提高了瀝青材料的耐老化性能。

4 結(jié)論

（1）隨著GO用量增加，復(fù)合改性瀝青的針入度變小，軟化點(diǎn)增大，延度減小，一定量GO可改善瀝青材料的黏稠性、溫度敏感性和低溫延展性。此外可提高SBS改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

（2）在相同溫度下，隨著GO用量增加，復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸增大，相位角逐漸減小，車轍因子逐漸增大，摻入一定量GO可提高SBS改性瀝青承受外部剪切荷載的總阻力，抑制其由彈性變形發(fā)展為塑性變形，增強(qiáng)其高溫抗車轍能力。考慮經(jīng)濟(jì)效果，其GO用量不宜大于0.5%。

（3）在溫度相同時(shí)，GO用量增加，復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度逐漸增大，蠕變速率逐漸減小，尤其是GO用量大于0.5%后，這種效果更為明顯。加入GO后明顯降低了SBS改性瀝青的應(yīng)力松弛能力和抗開(kāi)裂能力。

（4）無(wú)論經(jīng)過(guò)短期老化還是長(zhǎng)期老化，隨著GO用量增加，瀝青材料的殘留針入度比逐漸增大，軟化點(diǎn)增量逐漸減小，殘留延度比逐漸增大。摻入GO后可以降低瀝青材料的老化程度，改善其抗老化性能。