碳納米管對SBS改性瀝青高溫性能影響的試驗(yàn)研究

摘要：SBS改性瀝青在我國道路施工中應(yīng)用廣泛，隨著不斷地深入研究，復(fù)合改性瀝青逐漸成為主要提高瀝青性能的手段之一。為探究碳納米管對SBS改性瀝青復(fù)合改性后的高溫性能，首先借助高速剪切儀，采用熔融共混法制備出不同摻量的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青，通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、多應(yīng)力蠕變試驗(yàn)，研究不同摻量的碳納米管對SBS改性瀝青的高溫性能影響。結(jié)果表明：碳納米管的加入能夠提升SBS改性瀝青的黏度、高溫流變性能和高溫抗車轍變形能力。

關(guān)鍵詞：道路工程；碳納米管；改性瀝青；高溫性能

中圖分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""" 文章編號：

Experimental Study on the Effect of CNTs on High Temperature Performance of SBS Modified Asphalt

Abstract：SBS modified asphalt is widely used in China's road construction，and with continuous in-depth research，composite modified asphalt has gradually become one of the main means in improving asphalt performance.To investigate the high-temperature performance of CNTs in the composite modification of SBS modified asphalt，different dosages of CNTs/SBS composite modified asphalt were first prepared using a high-speed shear apparatus and melt blending method，the influence of different dosages of CNTs on the high-temperature performance of SBS modified asphalt was studied through Brinell rotation viscosity test and multiple stress creep test.The results indicate that the addition of CNTs can improve the viscosity，high-temperature rheological properties，and high-temperature resistance to rutting deformation of SBS modified asphalt.

Keywords： road engineering;CNTs;modified asphalt;high temperature performance

0 引言

隨著公路質(zhì)量需求不斷提高，對道路瀝青的性能要求也越來越高。碳納米管作為新型一維納米材料，由多個(gè)層次的碳原子沿著縱向方向排列而成，與二維石墨烯碳材料相比具有更強(qiáng)的抗壓能力和韌性，同SBS改性瀝青復(fù)合改性后，能夠促進(jìn)SBS在瀝青中的溶脹，其纖維狀的材料特性和高剛度、高模量的力學(xué)特性能夠在SBS改性瀝青中起到增黏、增稠的作用。為了對已有SBS改性瀝青的性能進(jìn)行改善，國內(nèi)外已有學(xué)者開展了碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青的相關(guān)研究。

Amin等[1]對碳納米管改性瀝青進(jìn)行短期、長期老化試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著摻量增加，SBS改性瀝青的高破壞溫度和高溫抗車轍能力增加，提高路面的抗永久變形能力；王鵬等[2]基于動態(tài)剪切流變儀，得出碳納米管能夠改善SBS改性瀝青的高溫抗車轍能力；張鵬[3]研究表明碳納米管能改善SBS改性瀝青高低溫性能、抗老化性能和存儲穩(wěn)定性；解雙瑞等[4]通過短期老化和紫外老化試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的摻入有效減小老化對于改性瀝青結(jié)構(gòu)的破壞；肖學(xué)良[5]通過修飾后的碳納米管與SBS改性瀝青復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)瀝青的高溫性能和抗老化性能得到提升；Ashish等[6]通過LAS試驗(yàn)評價(jià)了碳納米管改性瀝青的中溫性能，結(jié)果表明添加碳納米管可以提高瀝青的疲勞壽命。Mamun等[7]對單壁碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行抗水分損傷試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著碳納米管摻量的增加，水分損害在一定程度上減少。孫啟宇[8]通過多應(yīng)力蠕變試驗(yàn)得出碳納米管可以改善碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性；祝亞奇等[9]借助熱重測試、瀝青四組分和熒光顯微鏡測試分析了碳納米管對SBS的協(xié)同作用，可在不同程度上提升SBS改性瀝青的高低溫性能。謝佳雯[10]借助分子動力學(xué)，從微觀角度，分析了碳納米管、SBS與瀝青的共混效應(yīng)。

本文參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，通過對比不同摻量的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青在不同溫度下的布氏黏度和不同應(yīng)力下的蠕變試驗(yàn)，探究復(fù)合改性瀝青的高溫性能及高溫下復(fù)合改性瀝青的蠕變特性。

1 試驗(yàn)材料及制備方法

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青采用對90#基質(zhì)瀝青改性的成品I-B類SBS改性瀝青，碳納米管采用山東大展牌GT-301型，性能指標(biāo)見表1～表2。

1.2 制備方法

①將盛好體積的SBS改性瀝青在165 ℃烘箱內(nèi)加熱0.5 h，直至SBS改性瀝青處于流動狀態(tài)；②將準(zhǔn)備好的SBS改性瀝青取出，分多次、少量的將摻量為0.25%，0.50%，0.75%，1.00%，1.25%，1.50%的碳納米管加入SBS改性瀝青中，以邊加入邊攪拌的方法混入到SBS改性瀝青中，直至碳納米管粉末完全混合到SBS改性瀝青中，使碳納米管預(yù)分散到SBS改性瀝青中；③將預(yù)分散好的復(fù)合改性瀝青放在170 ℃油浴鍋內(nèi)保溫，使用高速剪切儀以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切5 min，再溶脹5 min，依此循環(huán)6次，共1 h。

2 高溫黏度特性

為探究復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能，采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀，對不同摻量的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行黏度試驗(yàn)。將制備好的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青在165 ℃烘箱加熱至流動狀態(tài)，緩慢倒入黏度試驗(yàn)管內(nèi)，將試驗(yàn)管連同轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)溫度烘箱保溫1.5 h后取出，并安置在黏度儀上繼續(xù)保溫15 min。選擇SC4-27號轉(zhuǎn)子，分別以轉(zhuǎn)速100 r/min測定135 ℃黏度，以轉(zhuǎn)速150 r/min測定175 ℃黏度（見表3）。

由表3可知，隨著碳納米管摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的黏度逐漸增大，1.50%摻量的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青相比于SBS改性瀝青在135 ℃黏度高出237 cp，在175 ℃黏度高出41.7 cp；在不同溫度下，溫度越高，布氏黏度值越下。說明隨著溫度升高，瀝青仍能保持很好的穩(wěn)定性，表明碳納米管能夠有效增強(qiáng)SBS改性瀝青的黏結(jié)力，提高SBS改性瀝青的高溫流變性能。

3 多應(yīng)力蠕變試驗(yàn)

為探究復(fù)合改性瀝青的高溫抗車轍變形能力，對不同摻量的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變試驗(yàn)，選用直徑25 mm的平行板，高度間隙為1 mm，測定下64 ℃下0.1 kPa和3.2 kPa剪應(yīng)力的剪切應(yīng)變。加載應(yīng)力1 s，卸載應(yīng)力，應(yīng)變恢復(fù)9 s，單個(gè)循環(huán)為10 s，先進(jìn)行0.1 kPa剪切應(yīng)力下的10個(gè)循環(huán)用于穩(wěn)定試樣，后測試試樣在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力各10個(gè)循環(huán)，共用時(shí)300 s。采用蠕變恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭u價(jià)瀝青在累積荷載作用下的彈性恢復(fù)能力和抗剪切能力。

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特性分析

由圖1可知，在0.1 kPa和3.2 kPa的剪切應(yīng)力下，隨著碳納米管的增加，峰值應(yīng)變逐漸變小，說明碳納米管能夠有效地增加瀝青的高溫抗剪切能力；在剪切應(yīng)力加載1 s達(dá)到峰值應(yīng)變卸載后，剪切應(yīng)變又能下降，說明碳納米管的加入在提升SBS改性瀝青抗剪切的同時(shí)，還能夠提高SBS改性瀝青的高溫抗變形能力；相比于0.1 kPa，在3.2 kPa下瀝青的峰值應(yīng)變更大，應(yīng)力卸載后，應(yīng)變的恢復(fù)能力變?nèi)?，說明剪切應(yīng)力對瀝青的恢復(fù)能力有很大影響。

3.2 蠕變特性分析

由圖2（a）可知，隨著碳納米管摻量的增加，在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力作用1 s卸載后，復(fù)合改性瀝青的蠕變恢復(fù)率增大，但對于0.25%和0.50%摻量下的復(fù)合改性瀝青蠕變恢復(fù)率均低于SBS改性瀝青，而從圖1蠕變過程來看，隨著摻量增加，峰值應(yīng)變越大，說明有可能在復(fù)合改性瀝青制備時(shí)，高速剪切使SBS改性瀝青內(nèi)部的輕質(zhì)組分發(fā)生變化，導(dǎo)致蠕變恢復(fù)率下降。在1.25%摻量下達(dá)到最大，在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力下蠕變恢復(fù)率比SBS改性瀝青提高了63.32%和13.68%，說明碳納米管能夠增強(qiáng)在重復(fù)荷載作用下瀝青的彈性恢復(fù)能力；由圖2（b）可知，隨著碳納米管的增加，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭谝欢ǔ潭壬嫌兴鶞p小，在1.25%摻量時(shí)最為明顯，0.1 kPa和3.2 kPa的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠謩e為0.031 9 kPa-1和0.324 6 kPa-1，說明碳納米管能夠增強(qiáng)SBS改性瀝青的高溫抗剪切能力。

3.3 應(yīng)力敏感特性分析

由表4可以看出加入碳納米管后，SBS復(fù)合改性瀝青的蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感特性和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感特性均出現(xiàn)增大的趨勢，在隨著摻量的不斷增大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感特性繼續(xù)減小的趨勢。在1.00%碳納米管摻量下，蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感性達(dá)到最小值，隨著摻量的繼續(xù)增大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感特性繼續(xù)增大。說明碳納米管的加入會提高SBS改性瀝青對應(yīng)力作用的敏感程度，但隨著碳納米管摻量的增多，復(fù)合改性瀝青內(nèi)部趨于穩(wěn)定，對復(fù)合改性瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用，說明通過對碳納米管摻量的有效控制，可以降低復(fù)合改性瀝青對應(yīng)力的敏感程度，提高道路瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1） 碳納米管加入SBS改性瀝青中，使得SBS改性瀝青的135 ℃黏度和175 ℃黏度增大，說明碳納米管能夠增強(qiáng)SBS改性瀝青的黏結(jié)力，提升SBS改性瀝青的高溫流變性能。

2） 在64 ℃高溫時(shí)，碳納米管的加入能夠提高SBS改性瀝青的蠕變恢復(fù)率和降低不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚f明碳納米管能夠有效提升SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)能力和高溫抗剪切能力。

3） 在多應(yīng)力重復(fù)蠕變試驗(yàn)中，可以看出3.2 kPa下的蠕變恢復(fù)率均低于0.1 kPa，3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃烤哂?.1 kPa，說明瀝青在高溫條件下對應(yīng)力較為敏感；對比不同摻量下的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青，其中蠕變恢復(fù)率應(yīng)力敏感差異在1.00％摻量時(shí)最小。綜合復(fù)合改性瀝青黏度和多應(yīng)力蠕變試驗(yàn)結(jié)果，碳納米管在SBS改性瀝青中的最佳摻量約在0.75%～1.25%。

參考文獻(xiàn)

[1]Amin I，EI-Badawy S M，Breakah T，et al.Laboratory Evaluation of Asphalt Binder Modified with CNTs for Egyptian Climate[J].Construction and Building Materials，2016，121：361-372.

[2]王鵬，劉鵬，王健，等.碳納米管對SBS改性瀝青流變性能的影響研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，34（5）：22-26.

[3]張鵬.碳納米管對SBS改性瀝青性能影響研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，31（5）：143-146.

[4]解雙瑞，徐文遠(yuǎn)，蘇禹.基于DSR的碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青抗老化性能分析[J].合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（2）： 4-7.

[5]肖學(xué)良.碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究].長沙：長沙理工大學(xué)，2017.

[6]Ashish P K，Singh D.High- and Intermediate-Temperature Performance of Asphalt Binder Containing Carbon Nanotube Using Different Rheological Approaches[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2018，30（1）：04017254.

[7]Mamun A A，Arifuzzaman M.Nano-Scale Moisture Damage Evaluation of Carbon Nanotube-Modified Asphalt[J].Construction and Building Materials，2018，193： 268-275.

[8]孫啟宇.碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青流變性質(zhì)研究[D].西安：長安大學(xué)，2020.

[9]祝亞奇，舒本安.碳納米管對SBS改性瀝青高低溫性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2018，42（1）：103-107.

[10]謝佳雯.MWCNTs對SBS改性瀝青的性能影響與增韌機(jī)理研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2022.