碳納米SBS復(fù)合改性瀝青路用性能研究

馮松鍇 楊廣軍

摘 要：為研究碳納米材料對(duì)SBS改性瀝青混合料性能的影響，通過3大指標(biāo)和老化試驗(yàn)研究了碳納米摻量對(duì)于SBS改性瀝青的高低溫和老化性能，確定了碳納米摻量宜為0.9%，在此基礎(chǔ)上通過漢堡車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)研究了碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料的高低溫和水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明，碳納米可改善復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗永久變形能力和抗水損害性能，但降低了應(yīng)力松弛能力和抗裂性能。

關(guān)鍵詞：碳納米材料；SBS；改性瀝青；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)：U414；TQ325.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0062-05

Study on road performance of carbon nano SBS composite modified asphalt mixture

FENG Songkai，YANG Guangjun

（1.Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.，LTD.，Zhengzhou 450000，China;

2.School of Civil Engineering，Zhengzhou Institute of Aviation Engineering，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：In order to elucidate the effects of carbon nano materials on the performance of SBS modified asphalt mixture，the high and low temperature and aging performance of carbon nano content on SBS modified bitumen were studied through three indexes and aging test.It was demonstrated that the carbon nano content should be 0.9%.Based on these data，the high and low temperature and water stability of carbon nano SBS composite modified asphalt mixture were studied byHamburg rutting test，low temperature bending test and water immersion Marshall test.The results showed that carbon nano could improve the high temperature permanent deformation resistance and water damage resistance of composite modified asphalt mixture，but reduced the stress relaxation ability and crack resistance.

Key words： carbon nanomaterials;SBS； modified asphalt;asphalt mixture;road performance

瀝青路面作為高等級(jí)公路或城市道路的主要路面形式，具有行車舒適感強(qiáng)、施工時(shí)間短和易維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但瀝青路面在投入使用一段時(shí)間后，路面往往會(huì)出現(xiàn)泛油、擁包和車轍、裂縫、坑槽等病害，因此，對(duì)于瀝青路面材料的性能要求較高。瀝青膠結(jié)料是影響瀝青路面性能的主要因素，普通瀝青材料已無法滿足路面長(zhǎng)期使用的要求［1-3］。目前主要是通過在普通瀝青中添加一種或多種聚合物改性劑制備改性瀝青，以改善瀝青路面的使用性能，常見的聚合物改性劑主要有SBS、丁苯橡膠、聚乙烯等，其中SBS改性瀝青由于其優(yōu)異的路用性能在高等級(jí)公路和城市次干道以上瀝青路面中廣泛采用；但SBS改性瀝青也存在一定的不足，如長(zhǎng)期儲(chǔ)存后瀝青和改性劑會(huì)發(fā)生分層離析現(xiàn)象，且經(jīng)過紫外光線老化的瀝青性能變差［4-5］。碳納米管是一種強(qiáng)度較高、柔韌性較好的材料，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，有研究表明，碳納米材料會(huì)與SBS改性劑產(chǎn)生共軛效應(yīng)，不但可以改善SBS改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和抗紫外線老化性能，而且可以改善瀝青路面的使用性能［7-8］。為了探究碳納米材料對(duì)SBS改性瀝青的路用性能影響和碳納米材料的適宜摻量，本文將碳納米材料和SBS改性劑復(fù)摻加入基質(zhì)瀝青中制備碳納米SBS復(fù)合改性瀝青，通過瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)和瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 原材料與配合比

1.1 原材料性能

試驗(yàn)采用中石化70號(hào)基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示；選用青島某納米新材料有限公司生產(chǎn)的碳納米管，其純度高達(dá)987%，長(zhǎng)度在10～30 μm，外徑為30～50 nm，堆密度為0.09 g/cm3；SBS改性劑為中石化巴陵產(chǎn)的線型YH-791H，其嵌段比S/B為30∶70，拉伸強(qiáng)度不低于15 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率不低于800%；粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，填料選擇石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，集料及填料指標(biāo)性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求，其粗集料技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2 瀝青膠結(jié)料性能

1.2.1 制備工藝

將基質(zhì)瀝青在（140±5）℃恒溫烘箱中加熱至流淌狀態(tài)，然后按比例稱取一定量的基質(zhì)瀝青和SBS改性劑利用電爐加熱，并采用高速剪切機(jī)以3 500 r/min的速率剪切1 h，期間控制溫度在（165±5）℃，剪切完成后分次放入稱量好的碳納米管，控制剪切速率在2 000 r/min，剪切1 h后在（165±5）℃恒溫烘箱中溶脹發(fā)育2 h，即制備完成碳納米SBS復(fù)合改性瀝青。

1.2.2 瀝青膠結(jié)料性能

研究表明，SBS改性劑摻量為4%～5%時(shí)，SBS改性瀝青的路用性能較好［9-11］。為確定碳納米材料的最佳摻量，本文在試驗(yàn)時(shí)固定SBS改性劑摻量為4.5%不變，選取0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%此5種摻量的碳納米材料制備碳納米SBS復(fù)合改性瀝青，研究碳納米摻量對(duì)于老化前后復(fù)合改性瀝青3大指標(biāo)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3、表3所示。

從圖1～圖3可以看出，隨著碳納米摻量的增加，針入度值逐漸變小，軟化點(diǎn)逐漸升高，延度降低；在碳納米摻量超過0.9%之后，針入度和軟化點(diǎn)變化幅值趨于平緩，而延度則迅速降低。說明碳納米的加入增加了復(fù)合改性瀝青的黏度和稠度，在提高復(fù)合改性瀝青高溫穩(wěn)定性和降低溫度敏感性的同時(shí)，削弱了復(fù)合改性瀝青的低溫性能，且碳納米對(duì)于瀝青性能的提升是有限的，并非摻量越高越好，從3大指標(biāo)性能來看，其摻量宜為0.9%。

由表3可知，以未摻碳納米的SBS改性瀝青為對(duì)照組，加入碳納米的復(fù)合改性瀝青經(jīng)過短期老化試驗(yàn)后針入度比相對(duì)較大，軟化點(diǎn)增值相對(duì)較??；盡管隨著碳納米摻量增加，延度比在減小，但加入碳納米后的復(fù)合改性瀝青延度比整體上相對(duì)較高，一方面說明瀝青經(jīng)過短期老化后針入度和延度變小，軟化點(diǎn)升高，瀝青變得更加脆硬；另一方面，隨著碳納米的加入在一定程度上對(duì)于復(fù)合改性瀝青的老化性能是有利的，明顯減小了短期老化對(duì)于SBS改性瀝青性能的影響程度。

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

綜合目前改性瀝青在新建公路或城市道路結(jié)構(gòu)層的使用情況，本文選取密級(jí)配中粒式瀝青混合料AC-16作為本次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)級(jí)配，其合成級(jí)配如表4所示。

由表4可知，以碳納米SBS復(fù)合改性瀝青為例確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，參考國(guó)內(nèi)外已有研究成果［12］，以預(yù)估5組油石比分別為4.2%、4.6%、5.0%、5.4%、5.8%制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試驗(yàn)或計(jì)算得到的相關(guān)物理及力學(xué)指標(biāo)與油石比的關(guān)系綜合確定最佳油石比，其相關(guān)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，毛體積密度和穩(wěn)定度最大值分別對(duì)應(yīng)的油石比為5.4%和5.0%，空隙率值及飽和度值對(duì)應(yīng)的油石比（OAC）分別為4.9%和4.8%，其取平均值為OAC1=5.0%；結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于密級(jí)配瀝青混合料AC-16各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的最大油石比和最小油石比分別為4.75%、5.3%，二者取平均值為OAC2=5.0%，最終得到碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比為OAC=（OAC1+ OAC2）/2=5.0%；同理可得到普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.6%、4.9%。

2 路用性能

結(jié)合對(duì)于碳納米SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的性能研究，取碳納米摻量0.9%和SBS摻量為4.5%制備的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行混合料性能試驗(yàn)，分別進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫性能評(píng)價(jià)，并以普通基質(zhì)瀝青和4.5%SBS改性瀝青混合料作為對(duì)照組。

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

瀝青作為一種粘彈性體，易受到溫度的影響，在夏季高溫狀態(tài)下瀝青的彈性成分減少，粘性成分增加，在外界車輛荷載作用下容易發(fā)生不可逆的永久變形，長(zhǎng)時(shí)間便形成車轍、擁包等病害，影響行車安全。本文采用漢堡車轍儀對(duì)碳納米SBS、SBS、普通基質(zhì)等3種瀝青混合料成型的300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件分別進(jìn)行溫度50 ℃空氣浴和溫度60 ℃水浴試驗(yàn)，具體結(jié)果如圖4、表6所示。

從圖4可以看出，在溫度50 ℃空氣浴條件下加載2萬次時(shí)，碳納米SBS、SBS和普通瀝青混合料對(duì)應(yīng)的車轍深度分別為3.31、3.68和7.16 mm，顯然加入碳納米后的SBS改性瀝青混合料車轍深度最小。曲線的切線斜率反映了車轍深度隨荷載加載次數(shù)的變化規(guī)律，切線斜率越大，車轍深度增速就越大［13］。從3種瀝青混合料對(duì)應(yīng)曲線的切線斜率來看，普通瀝青混合料從加載開始一直呈現(xiàn)較大的切線斜率。而碳納米SBS與單摻SBS的2種改性瀝青混合料的曲線走勢(shì)基本一致；但在同樣的加載次數(shù)下，碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料的車轍深度相對(duì)純SBS改性瀝青混合料較小。說明摻入SBS改性劑可以改善瀝青混合料的高溫性能，而加入碳納米材料的復(fù)合改性瀝青混合料高溫抗車轍和抗永久變形能力最佳。

由表6可知，在溫度60 ℃水浴條件下，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料分別在荷載作用次數(shù)5 000、15 000時(shí)，試件車轍深度已達(dá)到20 mm導(dǎo)致試驗(yàn)停止，試件完全破壞。在初壓階段，加入碳納米的復(fù)合改性瀝青混合料車轍深度增長(zhǎng)速率低于純SBS，且碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料在荷載作用次數(shù)為15 000時(shí)，車轍深度為18.49 mm，且未發(fā)生破壞。說明碳納米材料可以增強(qiáng)SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力。此外，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于溫度50 ℃空氣浴條件下，溫度60 ℃水浴試驗(yàn)時(shí)由于溫度更高，加之水的作用，使得試件的車轍深度和破壞程度加劇。

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青混合料受溫度影響較大，在外界溫度的冷熱交替下路面會(huì)逐漸開裂，以及半剛性基層的反射裂縫也會(huì)引起瀝青面層產(chǎn)生不同程度的開裂，雨水會(huì)逐漸通過路面裂縫向下滲入結(jié)構(gòu)層，加之外界車輛荷載的反復(fù)作用產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，集料與瀝青界面長(zhǎng)時(shí)間在水的剝蝕和動(dòng)水壓力作用下發(fā)生破壞，導(dǎo)致瀝青路面的耐久性下降［14］。本文采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)碳納米SBS復(fù)合改性瀝青的水穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以計(jì)算得到的殘留穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可知，3種瀝青混合料殘留穩(wěn)定度中碳納米SBS最大，SBS次之，基質(zhì)瀝青的最小，還發(fā)現(xiàn)加入碳納米的復(fù)合改性瀝青混合料穩(wěn)定度值更大；說明碳納米的加入增強(qiáng)了瀝青膠結(jié)料與集料的粘接力，對(duì)于水的剝蝕作用具有更強(qiáng)的承受力，一定程度改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.3 低溫性能

在高溫時(shí)由于瀝青受熱勁度模量較小，且具有良好的流動(dòng)性，瀝青路面開裂可能性較??；但在低溫時(shí)由于瀝青材料變得硬脆，且在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)外的溫縮應(yīng)力作用下，很容易產(chǎn)生溫縮裂縫和疲勞裂縫［15］。尤其在北方，瀝青混合料需要具備更好的低溫抗開裂性能。本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，環(huán)境箱溫度為-10 ℃，將車轍板切割為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，相對(duì)于純SBS改性瀝青混合料，碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和勁度模量更大；而彎拉應(yīng)變較小，可以看出盡管加入碳納米提高了彎拉強(qiáng)度，但也增加了混合料在低溫時(shí)的脆硬性，降低了混合料的低溫應(yīng)力松弛能力。碳納米對(duì)于復(fù)合改性瀝青混合料產(chǎn)生了不利影響，使得瀝青混合料在低溫時(shí)的抗裂性能更差，這與前文關(guān)于瀝青膠結(jié)料5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果相一致。

3 結(jié)語

（1）通過對(duì)碳納米SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行3大指標(biāo)和老化性能試驗(yàn)，碳納米可提高改性瀝青的粘稠度，改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗老化性能，降低瀝青的溫度敏感性，推薦碳納米摻量為0.9%；

（2）從漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳納米SBS復(fù)合改性瀝青混合料具有更小的車轍深度和更大的荷載作用次數(shù)，無論是在溫度50 ℃空氣浴，還是溫度60 ℃水浴條件下，都足以表明碳納米材料增強(qiáng)了復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗車轍和抗永久變形能力；

（3）通過浸水馬歇爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳納米能夠改善瀝青與集料的界面特性，提高瀝青混合料的抗水損害性能；

（4）從低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，加入碳納米后將增加瀝青混合料在低溫條件下的脆性，具有更低的應(yīng)力松弛能力和抗裂性能。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 尹建偉，薛冰.WTR/APAO復(fù)合改性瀝青混合料性能研究［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，19（1）：27-33.

［2］ 王亞，王顯光，張立文.特立尼達(dá)湖瀝青/熱塑性丁苯嵌段共聚物復(fù)合改性瀝青混合料改性機(jī)理及性能［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（33）：14387-14392.

［3］ 顏鑫，鄭翔南.穩(wěn)定型膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青及瀝青混合料性能研究［J］.公路工程，2021，46（2）：195-200.

［4］ 陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機(jī)理研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

［5］ 萬愛國(guó).高灰分BRA改性高強(qiáng)中上面層瀝青混合料配比及性能研究［J］.粘接，2022，49（2）：129-133.

［6］ 黃文妤，庫(kù)都孜·庫(kù)娜吉.納米ZnO/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究［J］.福建交通科技，2021（2）：57-60.

［7］ 周樂東，魯斌.不同纖維對(duì)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料性能影響［J］.石油瀝青，2020，34（4）：48-55.

［8］ 眭南，郎進(jìn).納米復(fù)合材料對(duì)SBS改性瀝青熱與紫外老化性能影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2022，46（2）：319-322.

［9］ 傅珍，唐鈺杰，孫啟宇，等.碳納米管/SBS復(fù)合改性瀝青路用性能與相容性研究［J］.應(yīng)用化工，2021，50（8）：2031-2036.

［10］ 王嵐，裴珂，李超.多聚磷酸-SBS復(fù)合改性瀝青混合料低溫流變特性及本構(gòu)關(guān)系研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2021，24（4）：842-850.

［11］ 劉西胤.SBS改性瀝青存儲(chǔ)時(shí)效性及基于碳納米管的改善措施研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2020.

［12］ 王鵬.碳納米管/聚合物復(fù)合改性瀝青界面增強(qiáng)機(jī)制及流變特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

［13］ 王國(guó)峰，蘇群，張奇，等.應(yīng)用碳納米管提高SBS改性瀝青及其混合料路用性能的研究［J］.森林工程，2014，30（1）：120-123.

［14］ 蘇群，邵純紅，于文勇，等.碳納米管/SBS改性瀝青的微區(qū)結(jié)構(gòu)觀察及共混機(jī)理探究［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（1）：1-3.

［15］ 姚輝，李亮，楊小禮，等.納米材料改性瀝青的微觀和力學(xué)性能研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（5）：712-717.