石墨烯SBS雙改性瀝青力學(xué)性能研究

田俊

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017100）

0 引言

在公路建設(shè)當(dāng)中，由于瀝青混凝土路面具有良好的路用性能以及使用性能，并且建設(shè)速度快、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，我國(guó)90%以上高等級(jí)公路都采用這種路面結(jié)構(gòu)形式。但是瀝青混凝土屬于粘彈性材料，對(duì)于外界溫度及荷載的變化有很強(qiáng)的敏感性，反映在夏季高溫季節(jié)時(shí)就極易出現(xiàn)車(chē)轍、推移等永久性變形，冬季容易出現(xiàn)溫縮裂縫。因此解決瀝青路面的流動(dòng)變形問(wèn)題已引起了全國(guó)各地的普遍關(guān)注。但對(duì)瀝青進(jìn)行改性可顯著提高路面的使用性能，在眾多改性瀝青中SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青由于同時(shí)具有高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，已逐步成為一種慣用的改性瀝青品種。然而，由于SBS在瀝青材料中的分散粒徑偏大，而且沒(méi)有均勻分散，導(dǎo)致SBS改性瀝青路面隨著行車(chē)荷載和自然因素等在長(zhǎng)時(shí)間的作用下，出現(xiàn)不同程度的路面破壞。近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)，為使SBS與瀝青分子間相互組合，可在SBS改性瀝青中加入其他納米材料，來(lái)增強(qiáng)瀝青路面抗高溫車(chē)轍和抗低溫開(kāi)裂等性能的研究。本課題通過(guò)在基質(zhì)瀝青中添加石墨烯和SBS改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，探討石墨烯對(duì)SBS改性瀝青性能的影響以及使用性能和效果評(píng)價(jià)的研究。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子組成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯是單原子層厚度的石墨，由sp2雜化碳原子形成呈蜂窩狀并無(wú)限擴(kuò)展的二維晶體材料，石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家的密切關(guān)注，有研究者報(bào)道了其在電子、儲(chǔ)能、傳感器等其他領(lǐng)域的相關(guān)功能及特性。石墨烯中每個(gè)碳原子與其它3個(gè)相鄰的碳原子形成共價(jià)鍵，剩余1個(gè)p軌道電子形成π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，是一種典型的二維材料。這些性質(zhì)使得其與SBS以及瀝青的相容性比其他無(wú)機(jī)納米材料更好，這種可以提供大量電子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)也將成為瀝青和SBS之間潛在的橋梁[1-2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

2017年石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)商Directa Plus和專(zhuān)門(mén)從事瀝青添加劑的Iterchimica開(kāi)發(fā)了一種正在申請(qǐng)專(zhuān)利的瀝青添加劑，該添加劑采用了Directa Plus的Graphene Plus技術(shù)。正是石墨烯的導(dǎo)熱性增強(qiáng)了瀝青的性能，從而在高溫條件下瀝青與添加劑混在一起時(shí)才難以軟化，在天氣寒冷時(shí)硬化和開(kāi)裂。除此之外，為降低道路磨損，尤其是在高負(fù)荷下，該添加劑還可以利用瀝青的彈性和強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。據(jù)估計(jì)，加入瀝青有可能使路面的平均使用壽命從目前的六七年提升至12-14年[3-4]。

1.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

大連理工大學(xué)鞠維權(quán)，SBS改性瀝青混凝土路面技術(shù)研究；吉林大學(xué)王鵬鵬，SBS改性吉林大學(xué)瀝青混凝土在遼開(kāi)線(xiàn)公路上的應(yīng)用研究；哈爾濱市第十建筑工程有限責(zé)任公司劉勇剛、黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院曲志鵬，改性瀝青SBS施工技術(shù)探討；河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院何青、馬愛(ài)斌，常州市河?？萍佳芯吭河邢薰窘o華等，石墨烯的制備及其在金屬防腐中的應(yīng)用進(jìn)展；山西路橋第一工程有限責(zé)任公司杜建政，石墨烯-SBS改性瀝青的性能研究；中國(guó)石化北京化工研究院金立、杜志國(guó)、石瑩、郝雪松、魯樹(shù)亮、王國(guó)清，石墨烯及其衍生材料在多相催化中的研究進(jìn)展[5-6]。

2018年5月，南寧大橋封閉維修，第一次采用了沈培康團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青路面技術(shù)，當(dāng)晚南寧大橋正式恢復(fù)通車(chē)，這也是“石墨烯公路”的首次“實(shí)戰(zhàn)”考驗(yàn)。如何對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性并將其性能發(fā)揮最優(yōu)是未來(lái)研究的趨勢(shì)。

綜上所述，這些研究對(duì)我們本文的研究都有一定的幫助，且這些研究為本文的研究提供了方向和途徑，值得我們借鑒。

2 亟待解決的問(wèn)題

內(nèi)蒙古地區(qū)是典型的中溫帶季風(fēng)氣候，具有降水量少而且不均勻、寒暑溫度變化劇烈的特點(diǎn)。冬季漫長(zhǎng)而且非常寒冷，且1月份最冷，月平均氣溫從南向北由零下10℃遞減到零下32℃，夏季最熱月份是在7月份，最高氣溫為36℃~43℃，氣溫變化劇烈，冷暖懸殊很大。因此對(duì)瀝青路面需要具備良好的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性要求。由于溫差大導(dǎo)致的車(chē)轍和水損害已經(jīng)成為我區(qū)瀝青路面質(zhì)量控制的關(guān)鍵問(wèn)題。采用性能差的瀝青路面，不僅加快了路面的早期損壞，而且嚴(yán)重影響了行車(chē)速度、危及行車(chē)安全并且加大了養(yǎng)護(hù)成本、縮短了路面的使用壽命。由此帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大，維修所造成的材料消耗、環(huán)境污染、交通堵塞等損失都難以估量。

為了解決瀝青路面在高溫條件下的車(chē)轍、推移等病害，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外的道路工作研究者嘗試采用石墨烯改性瀝青混合料作為防止或減緩瀝青路面的高溫變形和低溫穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的跟蹤觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)其防止變形的效果確實(shí)優(yōu)于其他常規(guī)結(jié)構(gòu)。將石墨烯和瀝青有效結(jié)合，會(huì)創(chuàng)造出耐久性更強(qiáng)的路面。石墨烯為生態(tài)鋪路的添加劑提高瀝青路面的耐久性和可持續(xù)性。瀝青性能的提高是石墨烯導(dǎo)熱性的結(jié)果，使瀝青與添加劑混合時(shí)不易在高溫下軟化，在天氣寒冷時(shí)硬化和開(kāi)裂。該添加劑還通過(guò)增加瀝青的彈性和強(qiáng)度來(lái)減少道路磨損，特別是在高負(fù)荷下。據(jù)估計(jì)，石墨烯加入SBS改性瀝青有可能使路面的平均使用壽命從目前的六七年提升至12-14年。正是這種能力使得這些添加劑成為道路養(yǎng)護(hù)應(yīng)用的一個(gè)特別有吸引力的選擇，例如修補(bǔ)道路坑洼。重要的是，與EcoPave混合的瀝青也是可回收的，在新路面的鋪設(shè)時(shí)幾乎可重復(fù)利用100%的磨碎的瀝青，從而減少垃圾填埋和提取新瀝青的需要。石墨烯的添加使傳統(tǒng)SBS改瀝青路面的各項(xiàng)指標(biāo)都得到了大幅度提高，能有效提高路面的高溫動(dòng)穩(wěn)定性、低溫抗裂性、路面粘結(jié)度、耐老化等特性并且能有效地解決鋼箱梁橋面易出現(xiàn)的諸多問(wèn)題。

在SBS改瀝瀝青中添加了石墨烯，瀝青路面高溫穩(wěn)定度可以達(dá)到1萬(wàn)以上，是國(guó)家路面技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的3倍，并且具有顯著的抗車(chē)轍性和抗剪切能力；其他指標(biāo)也均有30%~50%的提升。因此，因地制宜優(yōu)選改性瀝青、制訂改性瀝青規(guī)范，開(kāi)展石墨烯改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂能力等的深入研究，將為我區(qū)瀝青路面建設(shè)提供可靠的技術(shù)支撐，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究必要性。綜上所述，該文的研究具有實(shí)際意義和理論指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)專(zhuān)題學(xué)習(xí)，收集相關(guān)資料，了解石墨烯的材料特性；通過(guò)調(diào)查研究，對(duì)石墨烯SBS雙改性瀝青性能進(jìn)行分析。以5%的SBS改性劑和不同比例石墨烯改性劑與基質(zhì)瀝青進(jìn)行配合，確定石墨烯的最佳參量，并提出石墨烯SBS雙改性瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，對(duì)石墨烯與SBS改性瀝青協(xié)同作用進(jìn)行分析，提出石墨烯與SBS改性瀝青協(xié)同作用科學(xué)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案。通過(guò)將SBS改性劑及石墨烯混合后摻入基質(zhì)瀝青中制備石墨烯SBS復(fù)合改性瀝青，測(cè)量其針入度、軟化點(diǎn)和延度。同時(shí)使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對(duì)SBS-石墨烯復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。結(jié)果表明，石墨烯可以顯著的增強(qiáng)SBS改性瀝青的高溫性能，對(duì)SBS改性瀝青產(chǎn)生了硬化效果，減弱了瀝青的低溫抗拉能力。伴隨著溫度的升高，SBS改性瀝青彈性成分的流失也因石墨烯的加入有所減緩，提高其抗車(chē)轍能力。

綜上所述，本文結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)氣候特點(diǎn)，研究在SBS改性瀝青中添加石墨烯以后，對(duì)SBS瀝青力學(xué)性能進(jìn)行研究。對(duì)提高我區(qū)道路建設(shè)質(zhì)量，改善現(xiàn)有材料的不足，具有重要的實(shí)際意義。