石墨烯对SBS复合改性沥青性能影响★

张 昭 张 峰 全弘彬

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067)

0 引言

普通的道路沥青属于热塑性材料，具有显著的温感[1]，使沥青混合料在高温情况下容易产生车辙，在低温的情况下容易发生开裂[2]。因此对沥青进行性能提升改性，从而改善道路沥青的路用性能显得尤其重要。

SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物)改性沥青可以显著提升沥青的高温抗车辙性能、低温抗开裂性，抗疲劳性等[3]。使SBS改性沥青在中国道路工程中得到了广泛的运用。不过在长时间的使用中，SBS改性沥青混合依旧会出现各种路用问题[4]。本文尝试在SBS改性沥青中添加石墨烯粉末，以达到提升其混合料的路用性能。

在2004年，英国曼彻斯特大学通过胶带剥离石墨片的方式，获得了目前世界上最薄的二维纳米材料石墨，石墨烯有着优异的力学性能、极高的导热性能、阻断性能等[5]。本文尝试将石墨烯与SBS改性剂混合搅拌后，加入基质沥青中，通过高速剪切成型制备石墨烯—SBS复合改性沥青。同时通过实验，对比不同掺量下的石墨烯—SBS复合改性沥青与常规SBS改性沥青的常规技术指标。最后对比分析，在不同掺量下石墨烯—SBS复合改性沥青混合料与常规SBS改性沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、抗疲劳性能及浸水马歇尔稳定度。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

SK70号基质沥青、中国石化所生产的SBS(791H)、石墨烯选用由上海力硕复合材料科技有限公司生产的多层石墨烯，重庆某石料厂：集料(洁净、坚硬、耐磨的玄武岩)、矿粉(细磨石灰岩)。

1.2 仪器

微机控制电子万能试验机(WDW3100型，中国科学院长春科技公司)；组合式车辙式样成型机(QCX-4，北京今谷神箭测控技术研究所)；沥青混合料车辙试验机(TDCZ-2，沧州恒胜伟业公路仪器有限公司)；BFA四点弯曲疲劳试验机(澳大利亚IPCGlobal公司)重庆市威尔实验仪器有限公司：电热恒温鼓风干燥机(HTF313C型)、高低温试验箱(HL1303C型)；上海昌吉地质仪器有限公司：马歇尔电动击实仪(SYD-0702 A-1型)、恒温水浴箱(HWY-501 A型)、自动混合料搅拌机(SYD-F02-20型)。

1.3 石墨烯—SBS复合改性沥青的制备和试验方法

在150 ℃基质沥青里添加掺量为5%的SBS后，分别添加0%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的石墨烯粉末混合，充分搅拌并融胀30 min后再以4 000 r/min的转速剪切2 h，剪切过程保持温度为175 ℃，最后制得石墨烯—SBS复合改性沥青。

根据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料实验规程T0606—2011进行沥青软化点实验，T0605—2011进行沥青5 ℃延度实验，T0604—2011进行沥青25 ℃针入度实验。

1.4 石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的制备和试验方法

将石墨烯—SBS改性沥青和集料、矿粉采用电热恒温鼓风干燥机分别在170 ℃和240 ℃温度加热。按照最佳油石比将沥青和集料、矿粉加入自动混合料搅拌机180 ℃，3 min制备混合料，级配采用AC-13见表1。通过马歇尔电动击实仪双面击打75下成型马歇尔试件，通过沥青混合料车辙试验机、组合式车辙试验机，分别成型高低温试件，疲劳试件。试件成型后，常温养护5 d即可测试其性能。

表1 AC-13集料分结果及级配合成

根据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料实验规程的试验方法，对沥青混合料分别进行高温车辙试验、低温弯曲试验、马歇尔稳定度试验。本文采用SHRP-A303对石墨烯—SBS复合改性沥青混合料进行疲劳性能评价。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯—SBS复合改性沥青性能

石墨烯—SBS复合改性沥青的性能指标如表2所示。

表2 石墨烯—SBS复合改性沥青试验指标

在5%的SBS的添加量下，随着石墨烯掺量的增加，延度呈降低趋势，并且在1%的掺量下较0掺量下对比延度下降了1/2，石墨烯的掺加对于复合改性沥青的延度影响较大，所以建议石墨烯的掺量不宜过多。通过表2对比软化点，随着石墨烯掺量的增加，软化点呈上升趋势，所以石墨烯的掺加对复合改性沥青的高温性能呈积极作用。对比观察不同掺量的SBS—石墨烯复合改性沥青的针入度，可以发现随着石墨烯掺量的增加，针入度逐渐减小。

2.2 石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的性能研究

2.2.1高温性能分析

试验采用沥青混合料车辙试验机分别测试其60 ℃的动稳定度，实验结果如表3所示。

表3 车辙试验结果

从表3可以看出随着石墨烯掺量增加，石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的60 ℃动稳定度逐渐增大，石墨的增加在不同程度上都对混合料的高温性能有提升，在石墨烯掺量达到1%时，动稳定度相较于0添加的混合料更是提升了1倍。车辙实验结果表明，石墨烯的掺加能有效的提高SBS改性沥青混合料的抗车辙性能。

2.2.2低温性能分析

石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的-10 ℃低温小梁试验结果如表4所示。

表4 -10 ℃低温弯曲试验结果

通过表4可以看出，随着石墨烯掺量的增加，混合料的劲度模量逐渐减少，在石墨烯掺量为0.25%的劲度模量较0掺量的混合料劲度模量只降低了4.1%；0.5%掺量下，劲度模量降低了6.8%；0.75%的掺量下，劲度模量降低了13.6%；1.0%的掺量下，劲度模量降低了19.1%。由此我们可以看出，石墨烯的掺加对混合料的低温弯曲性能有影响，并且超过0.5%的石墨烯掺量情况下，混合料的劲度模量下降比较明显，低温弯曲性能下降较多，因此我们建议石墨烯的掺量不宜高于0.5%。

2.2.3马歇尔性能分析

石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度实验结果如表5所示。

表5 马歇尔稳定度实验结果

通过实验结果我们可以发现石墨烯的掺加，混合料的马歇尔稳定度略微变大，不过整体变化不大，掺加1%的石墨烯，马歇尔稳定提升不超过5%，石墨烯的掺加使马歇尔稳定度略微提升。流值变化不大，不随着石墨烯添加量而发生过大的变化。

2.2.4疲劳性能分析

疲劳性能检测选取应变力1 000 με平行试验2次，共完成了5组疲劳试验，实验结果如表6所示。

表6 疲劳试验结果

通过疲劳试验的结果可以看出，随着石墨烯的添加，疲劳性能提升。且随着石墨烯掺量的增加，疲劳性能提升变大。在1%的石墨烯掺量下，疲劳性能提升较为明显，较0%的石墨烯掺量提升达到60%，随着石墨烯掺量的增加，疲劳性能提升越来越明显。

3 结论

1)石墨烯添加入SBS—基质沥青体系中，针入度略微降低，而提高复合改性沥青的软化点，制得的石墨烯—SBS复合改性沥青有更优异的高温性能，不过石墨烯的掺加，会降低复合改性沥青的延度，影响石墨烯—SBS复合改性沥青的低温性能，所以综合考虑建议石墨烯的掺量不宜超过0.5%。

2)通过石墨烯—SBS复合改性沥青混合料的实验，石墨烯的掺加可以明显提高沥青混合料的高温抗车辙性能，并可以提升混合料的疲劳性能，且可以略微提升马歇尔稳定度。不过，通过低温弯曲实验发现过高的石墨烯掺量对沥青混合料的低温性能有较大的降低影响，所以综合考虑混合料的各方面性能，我们建议选用石墨烯的掺加量为0.5%。