碳納米管對SBS改性瀝青混凝土路用性能的影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.043

摘 要：為研究碳納米管對SBS改性瀝青混凝土路用性能的影響，利用高速剪切的方法將碳納米管摻入SBS改性瀝青混凝土中，并配置相應的瀝青混合料。通過實驗研究碳納米管對SBS改性瀝青混凝土路用性能的粘滯及相容性的影響，進而確定碳納米管的最佳摻入量為0.9%，碳納米管的摻入控制了改性瀝青材料內(nèi)部相對運動情況，提升SBS材料在瀝青混凝土中分散的均勻程度。實驗結(jié)果表明，所提出方法在荷載作用次數(shù)為20 000時的車轍深度為18.76 mm，馬歇爾穩(wěn)定度為12.98 kN，碳納米管材料能夠增強SBS改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：碳納米管；SBS改性瀝青；瀝青混凝土；混凝土路用性能；瀝青混合材料

中圖分類號：TU411；TQ117.6⁺3" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0163-04

Research on the effect of carbon nanotubes on the road performance of SBS modified asphalt concrete

LIU Zhengxiong，LIU Hecao，LI Xinyan，SHI Yan，ZHANG Lili

（Southwest Communications Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650032， China）

Abstract：To study the effect of carbon nanotubes on the road performance of SBS modified asphalt concrete，carbon nanotubes were incorporated into SBS modified asphalt concrete by high-speed shearing method，and the corresponding asphalt mixture was configured.The influence of carbon nanotubes on the viscosity and compatibility of SBS modified asphalt concrete was studied experimentally，and the optimal incorporation of carbon nanotubes was determined to be 0.9%，the addition of carbon nanotubes controlled the relative movement inside the modified asphalt material and improve the uniformity of SBS material dispersion in asphalt concrete.The experimental results showed that the rutting depth of the studied method was 18.76 mm under 20 000 load cycles，the Marshall stability was 12.98 kN，and the carbon nanotube materials can enhance the high temperature stability and water stability of SBS modified asphalt concrete.

Key words：Carbon nanotubes;SBS modified asphalt;asphalt concrete;concrete road performance;asphalt mixture material

瀝青路面建設(shè)需選擇性能良好的瀝青路面材料，目前主要在普通瀝青中摻入聚合物改性劑提升路面使用能力，其中SBS改性瀝青具備較佳的使用性能，有利于道路建設(shè)，但SBS改性瀝青存在部分分層離析等現(xiàn)象，路面性能將變差，而碳納米材料作為柔韌性較好的材料能夠有效改進SBS改性瀝青的路用性能。如在瀝青混合料中摻入高爐礦渣分析瀝青混凝土路用性能^[1]。在瀝青混合料中加入聚氨酯形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而增強荷載與低溫情況下混合料的變形性能^[2]。為此，提出碳納米管對SBS改性瀝青混凝土路用性能的影響研究。

1"實驗材料與方法

1.1"實驗材料與儀器

實驗采用YM-002號瀝青，選取的碳納米管純度為98.8%，長度約為15～40 μm，其外部直徑為35～65 nm，碳納米管相關(guān)指標參數(shù)：堆密度為0.10～0.15 g/cm³，比表面積為245～275 m²/g。

SBS改性劑型號為T6302，整體拉伸強度在20 MPa以上，拉伸斷裂伸長率較高，在850%以上，能夠有效保證混合料的拉伸操作。瀝青混合料內(nèi)部的粗顆粒集料選用玄武巖，細顆粒集料主要選擇石灰?guī)r材料，內(nèi)部填充材料選擇磨好的礦粉，所有集料均符合相關(guān)指標要求^[3-4]。

實驗儀器采用KIA-3型號的剪切流變裝置，JC-ZZ-02型號熒光顯微鏡，SZR-3瀝青針入度測試儀，在有效設(shè)置實驗儀器的條件下進行后續(xù)實驗制備操作^[5-7]。

1.2"實驗方法

1.2.1"制備工藝

將混合的瀝青放進溫度為175 ℃的烘箱中烘至2 h，等待瀝青變?yōu)橥耆廴谛螒B(tài)，取大約1 000 g的瀝青混合料放入實驗容器中，整體實驗溫度設(shè)置為175 ℃，同時添加含量為4%的SBS，利用轉(zhuǎn)速為6 500 r/min的剪切機進行材料剪切；1 h后，加入0.9%的碳納米管，當實驗容器內(nèi)的溫度達到175 ℃時，持續(xù)1 h的剪切操作，此時剪切機的轉(zhuǎn)速為4 500 r/min^[8-9]。同時將改性瀝青混合料進行溶脹發(fā)育處理，處理時長為3 h。

1.2.2"性能測試

針對不同摻量的碳納米管SBS改性瀝青混合料進行15、20和25 ℃的針入實驗，并選擇布氏黏度法測量瀝青黏度，模擬復數(shù)剪切模量，其表達式為：

式中：f表示主曲線的頻率參數(shù)；Q*表示趨向數(shù)值；Q_e*表示平衡復數(shù)模量；Q_g*表示玻璃態(tài)模量；f_t代表曲線中交叉頻率參數(shù)^[10]。

進一步提取瀝青的分離指數(shù)，進行離析實驗，將離析分為上下兩段，并檢測其內(nèi)部車轍因子的對應數(shù)值^[11-12]。由此分析瀝青的分離程度，計算其剪切模量主曲線數(shù)值：

式中：K表示實驗中的溫度；K_r表示參考溫度數(shù)值；E₁、E₂表示常值數(shù)據(jù)。

瀝青混合料分別在135 ℃和180 ℃下測量的布氏黏度如圖1所示：

由圖1可知，在碳納米管摻量不斷增加的情況下，布氏黏度的數(shù)值不斷升高，由此表明加入碳納米管將會有效增強SBS改性瀝青的黏度。在溫度較高的情況下，瀝青更易流動，整體粘度偏低，黏度之間的差距較小。在溫度較低的情況下，黏度差距較大。由此表明低溫條件下，碳納米管的摻量將會對SBS改性瀝青的黏度的產(chǎn)生更大的作用。除此之外，碳納米管在溫度較高的條件下對瀝青混合料的黏度與抗流動影響的程度較強，進一步確定瀝青混合材料的施工拌和溫度，并計算其溫度范圍；結(jié)果如表1所示：

2.1.2"相容性分析

在道路建設(shè)過程中瀝青混合料由于內(nèi)部不相容，較易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。為此，通過離析實驗分析瀝青相容性與儲存穩(wěn)定性，選擇較為常用的拌和溫度175 ℃，生產(chǎn)與運輸時間設(shè)定為36 h，儲存穩(wěn)定性的評價指標：

獲取經(jīng)過離析實驗后的瀝青分離指標數(shù)值，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在摻入碳納米管以后，改性瀝青分離數(shù)值出現(xiàn)下降的趨勢，當溫度逐漸升高，該數(shù)值不斷下降，且數(shù)值趨向于1。由此表明，在溫度不斷升高的條件下，改性瀝青的流動性不斷增加，由此減少瀝青混合料在重力情況下生成的相分離現(xiàn)象的影響。

在離析實驗后摻入及未摻入碳納米管的瀝青離析試管中的上1/3段與下1/3段處提取樣本，利用熒光顯微鏡，進行微觀觀測實驗研究，實驗放大倍數(shù)設(shè)置為50倍，未摻入碳納米管的SBS改性瀝青照射圖如圖3所示；摻入碳納米管的照射圖如圖4所示。

由圖3可知，在未摻入碳納米管之前，對離析管中的樣本進行實驗后，瀝青內(nèi)部SBS含量存在較大的差異，瀝青產(chǎn)生了較明顯的分離現(xiàn)象，離析管中的SBS產(chǎn)生部分纏連現(xiàn)象，分散性能弱。在圖4中，摻入碳納米管后，離析管內(nèi)部SBS含量均勻程度較高，并未發(fā)生纏連情況，將圖3和圖4對比可得，在摻入碳納米管之后，瀝青中絮凝形狀的SBS混合料轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒形狀，由此表明碳納米管能夠提升瀝青內(nèi)部相容性，提高SBS在改性瀝青中的分散均勻程度。

2.2"漢堡車轍實驗對比分析

結(jié)合碳納米管性能研究，選用碳納米管摻入量為9%和4%SBS改性瀝青混合料進行漢堡車轍實驗，并選用SBS與聚氨酯/環(huán)氧樹脂作為對照組進行對比分析，同時研究不同方法下的漢堡車轍深度。選用漢堡車轍測量儀器對3種瀝青混合料制成的350 mm×350 mm×75 mm的車轍板實驗零件進行45 ℃空氣浴處理，并分析實驗結(jié)果，如圖5所示。

由圖5可知，當加載次數(shù)為2萬次時，碳納米管SBS的漢堡車轍深度數(shù)值為2.86 mm，SBS改性乳化的漢堡車轍深度數(shù)值為3.12 mm，聚氨酯/環(huán)氧樹脂料的漢堡車轍深度數(shù)值為6.53 mm。由此可見，摻入碳納米管的瀝青混合料車轍深度最小。圖5切線斜率表示車轍壓深增速，其中，碳納米管SBS瀝青混合料的切線斜率最小，SBS改性乳化瀝青混合料的切線斜率次之，聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料的切線斜率最大。該現(xiàn)象表明，摻加碳納米管的瀝青混合料的抗形變性能最強。

進一步對樣本進行65 ℃水浴處理，其實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料在荷載次數(shù)為12 000次時，車轍試驗零件全部破壞，SBS改性乳化瀝青混合料在荷載次數(shù)為20 000次時，車轍深度達到20 mm實驗極限，車轍試驗零件全部破壞;碳納米管SBS瀝青混合料在荷載次數(shù)為20 000次時，車轍深度為18.76 mm，未發(fā)生任何破壞。由此表明，所提出碳納米管SBS瀝青混合料的高溫抗車轍性能較強，能夠有效實現(xiàn)對瀝青混凝土路用性能的提升。

2.3"浸水馬歇爾實驗對比分析

由于瀝青混合料在受到較大溫差的影響時，將會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，地表徑流下滲至道路結(jié)構(gòu)層，路面在水的剝蝕與壓力作用下被破壞，造成路面耐久程度降低。為此，進一步分析所研究方法的水穩(wěn)定性，并進行相應的馬歇爾實驗，設(shè)置同等對照組進行實驗對比，其實驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，碳納米管SBS瀝青混合料的內(nèi)部殘留穩(wěn)定程度最高，SBS改性乳化瀝青混合料的內(nèi)部殘留穩(wěn)定程度次之，聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料的內(nèi)部殘留穩(wěn)定程度最低。由此表明，摻入碳納米管能夠有效提升瀝青混合料內(nèi)部粘結(jié)力，增強路面對水剝蝕的承受力度，改善其水穩(wěn)定性。

3"結(jié)語

（1）增加碳納米管的含量能夠提升瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性與粘滯性，當碳納米摻和量在0.9%以上時，瀝青處于飽和狀態(tài)，路用性能改善情況也逐漸處于飽和狀態(tài)，因此碳納米管的最佳摻和量為0.9%;

（2）碳納米管的加入能夠有效促進SBS改性瀝青混凝土內(nèi)部的分散，限制內(nèi)部顆粒與瀝青分子的運動狀態(tài)，提升內(nèi)部相容性，有效改善瀝青混凝土的材料存儲穩(wěn)定性;

（3）通過浸水馬歇爾實驗表明，碳納米管的摻入能夠進一步改善瀝青材料與集合材料之間的界面特征，增強瀝青混凝土的抗水特性。

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收稿日期：2023-09-04；修回日期：2023-12-02

作者簡介：劉正雄（1982-），男，高級工程師，研究方向：橋梁路面施工;E-mail：lxx1472582021@126.com。

通訊作者：劉和操（1982-），男，高級工程師，研究方向：橋梁路面施工；E-mail：527506818@qq.com。

引文格式：劉正雄，劉和操，李新燕，等.碳納米管對SBS改性瀝青混凝土路用性能的影響研究[J].粘接，2024，51（2）：163-166.