楊同偉

（鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著路面車輛荷載的增加和異常天氣的增多，常規(guī)瀝青路面已無法滿足使用要求，常常出現裂縫和車轍等早期病害。目前，高等級路面應用最廣泛的是SBS改性瀝青，但諸多研究表明[1-2]，SBS改性瀝青在服役過程中受到車輛荷載反復作用以及水、熱、氧和紫外光的綜合作用，會降低路面的耐久性能和服役壽命。

氧化石墨烯（Graphene oxide，簡稱GO）作為一種準二維無機層狀納米材料，是由石墨粉末經化學氧化和剝離后的產物，其表面富含羥基、羧基和環(huán)氧基等活性基團，近年來常作為一種新型的瀝青改性劑材料[3]。朱俊材等[4]分析氧化石墨烯對基質瀝青和SBS改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，結果表明，摻氧化石墨烯后可以改善瀝青膠結料的黏度、高溫性能和交聯密度，而對低溫性能無明顯影響，對于基質瀝青改性效果要大于SBS改性瀝青。黃建云等[5]采用DSR、BBR和MSCR等手段分析氧化石墨烯復摻多聚磷酸改性瀝青在老化前后的流變性能和抗熱氧老化性能，結果表明，摻入氧化石墨烯后可有效改善瀝青結合料的高溫抗變形特性、彈性恢復和抗高溫熱氧老化能力，且明顯提高了瀝青結合料的低溫抗裂性和抗低溫老化性能。法春光[6]通過研究氧化石墨烯對SBS改性瀝青基本技術性能和流變性能的影響得出，隨著氧化石墨烯摻量增加，瀝青膠結料高溫抗變形能力隨之增強，低溫抗裂性隨之減弱，且其受熱氧老化及紫外光老化后的宏觀與微觀性能變化趨勢減小。

本文借助室內試驗研究氧化石墨烯對SBS改性瀝青的常規(guī)性能、流變性能及老化性能的影響，以期得到最佳的氧化石墨烯用量，為類似工程應用提供參考價值。

1 原材料性能

試驗用基質瀝青采用中石化東海牌70號道路石油瀝青，其基本技術性能見表1所示。SBS為YH-791線型改性劑，其拉伸強度為26.5MPa，苯乙烯含量不低于32%，斷裂伸長率為726%，其摻量為4.5%。氧化石墨烯外觀呈黑色粉末狀，純度可達到98%，比表面積為110m2/g，片層均厚約為2.2nm。

表1 基質瀝青技術性能Table 1 Technical performance of matrix asphalt

2 改性瀝青制備工藝

首先將基質瀝青在145℃烘箱中加熱2h至熱熔流動態(tài)，去除瀝青中的水分，然后以一定量倒入耐熱容器中，置于墊有石棉網電爐上加熱，然后分別緩緩加入提前混合好的氧化石墨烯（0.2%、0.5%、0.8%，分別占基質瀝青的質量分數）和SBS改性劑（4.5%，占基質瀝青質量分數）混合物，采用溫度計將溫度控制在170℃，先用玻璃棒沿著一個方向不斷攪拌5min，然后用高速剪切機以4000r/min速率剪切40min，然后轉為2000r/min速率剪切20min，最后將制備好的GO/SBS復合改性瀝青放入170℃烘箱中發(fā)育1h，即制備完成GO/SBS復合改性瀝青[7]。

3 復合改性瀝青性能

3.1 常規(guī)性能

采用針入度、軟化點和延度試驗分別分析氧化石墨烯用量對GO/SBS復合改性瀝青高溫性能、溫度敏感性和低溫性能的影響，試驗結果如圖1所示。采用聚合物改性瀝青離析試驗，盛樣管頂部和底部的軟化點差值評價GO/SBS復合改性瀝青存儲穩(wěn)定性，試驗結果見表2。

圖1 GO含量對瀝青常規(guī)性能的影響Fig.1 Effect of GO content on conventional performance of asphalt

表2 存儲穩(wěn)定性結果Table 2 Results of storage stability

從圖1中可以看出，隨著GO用量增加，25℃針入度值不斷減小，且GO用量大于0.5%后趨勢變緩；軟化點隨GO用量增加而增大；而延度逐漸減小，尤其是GO用量大于0.5%后變化明顯。說明一定量GO可增加SBS改性瀝青的黏稠度，改善其溫度穩(wěn)定性和低溫延展性。

從表2可看出，隨著GO用量增加，頂部或底部的軟化點均逐漸增大，其差值越來越小，說明GO在增強SBS改性瀝青的存儲穩(wěn)定性方面具有很好的作用。

3.2 高溫流變性能

采用動態(tài)剪切流變儀對摻不同用量GO的復合改性瀝青進行溫度掃描試驗，荷載作用頻率為1.59Hz，溫度掃描范圍為52～76 ℃，以試驗得到的復數模量、相位角和換算得到的車轍因子為評價指標，其中復數模量表征瀝青材料能夠抵抗外部剪切荷載作用的總阻力，相位角屬于正弦波應力作用下的應變滯后角度，能夠說明瀝青材料的黏彈比例，車轍因子揭示了瀝青材料所能夠抵抗高溫變形和抗車轍能力的大小[8-9]。復合改性瀝青的高溫流變性能試驗結果如圖2所示。

圖2 GO含量對瀝青高溫流變性能的影響Fig.2 Effect of GO content on high-temperature rheological properties of asphalt

從圖2（a）可以看出，復數模量G*隨溫度升高逐漸減小，在相同溫度時，復數模量隨GO用量增加而增大，摻0.2% GO和0.5% GO對應的復數模量增加幅度較大，摻0.8%GO的復數模量相比于0.5%GO雖有所增大，但相對增大幅度較小。說明摻入GO后提高了SBS改性瀝青抵抗外部剪切荷載作用所能承受的總阻力，增強了SBS改性瀝青的高溫抗剪切能力。從圖2（b）可知，不同GO用量的改性瀝青其相位角隨溫度升高逐漸增大，同樣溫度條件時隨著GO用量增加，其相位角越小，彈性成分占比相對較高。說明摻入GO具有阻礙瀝青材料在高溫條件下由彈性變形發(fā)展為塑性變形的作用，提高瀝青材料的高溫抗變形性能。根據圖2（c）可知，不同摻量GO的車轍因子均隨溫度升高而減小，在同樣溫度下，隨著GO用量增加，車轍因子不斷增大，如在溫度64℃時，0.5% GO用量相對0% GO的車轍因子提高了29.3%，說明加入GO后增強了瀝青材料的高溫抗車轍能力。同時可以發(fā)現，與0%～0.5% GO用量相對比，0.8%GO相對于0.5% GO用量對應的車轍因子增加幅度很小，說明GO用量需要控制在一定范圍內，超出范圍后改善效果不明顯。

3.3 低溫流變性能

采用低溫彎曲流變儀對摻不同用量GO的復合改性瀝青進行低溫流變性能評價，試驗采用第60s時對應的蠕變勁度S和蠕變速率m作為評價指標，其中S≤300MPa、m≥0.3[10]。蠕變勁度S反映了瀝青材料在受到外界溫度變化時產生的應力大小，S值越大越容易發(fā)生開裂，蠕變速率m表征了瀝青材料在發(fā)生應力后的松弛能力，其值越大說明應力松弛能力越強，低溫時材料的抗開裂能力越強[11]。復合改性瀝青的低溫流變性能試驗結果如圖3所示。

圖3 GO含量對瀝青低溫流變性能的影響Fig.3 Effect of GO content on low-temperature rheological properties of asphalt

從圖3（a）可以看出，隨著溫度下降，四種材料的蠕變勁度隨之增大，在相同溫度下，蠕變勁度隨著GO用量增加而逐漸增大，說明GO的加入對于瀝青材料低溫性能產生了不利影響，會增加瀝青材料的“剛度”，低溫柔韌性降低，使其在低溫條件下變得脆硬，更容易發(fā)生開裂，尤其是剛摻入0.2% GO和GO用量大于0.5%之后，這種效應更明顯。根據圖3（b）可知，隨著溫度下降，摻不同用量GO的改性瀝青蠕變速率隨之減小，且在同一溫度下隨著GO用量增加，其蠕變速率m值逐漸減小，說明加入GO后瀝青材料的抗變形能力下降，應力松弛能力減小，低溫時更容易產生脆裂。

3.4 抗老化性能

采用薄膜烘箱老化試驗和壓力老化試驗分別用于評價瀝青材料的短期老化和長期老化性能，其中薄膜烘箱老化試驗溫度為163℃，試驗時間為5h；壓力老化試驗溫度為100℃，時間為20h，容器內的壓力為2.1±0.1 MPa[12]。然后將經過老化試驗后的瀝青試樣用于針入度、軟化點和延度試驗，并與老化前試樣做對比，以老化前后試樣的殘留針入度比、軟化點增量和殘留延度比為評價指標，試驗結果如圖4所示。

圖4 GO含量對瀝青抗老化性能的影響Fig.4 Effect of GO content on asphalt aging resistance

從圖4可知，無論經過短期老化還是長期老化，隨著GO用量增加，瀝青材料的殘留針入度比逐漸增大，軟化點增量逐漸減小，殘留延度比逐漸增大。說明摻入GO后可以降低瀝青材料的老化程度，改善其抗老化性能。相比于不摻GO，摻0.8% GO的改性瀝青經過短期老化和長期老化后的殘留針入度比分別提高了4.6%和17.6%，軟化點增量分別降低了2.4℃和2.5℃，殘留延度比分別提高了9.1%和9.3%，說明加入GO可以一定程度上抑制瀝青老化的發(fā)生，提高了瀝青材料的耐老化性能。

4 結論

（1）隨著GO用量增加，復合改性瀝青的針入度變小，軟化點增大，延度減小，一定量GO可改善瀝青材料的黏稠性、溫度敏感性和低溫延展性。此外可提高SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。

（2）在相同溫度下，隨著GO用量增加，復合改性瀝青的復數剪切模量逐漸增大，相位角逐漸減小，車轍因子逐漸增大，摻入一定量GO可提高SBS改性瀝青承受外部剪切荷載的總阻力，抑制其由彈性變形發(fā)展為塑性變形，增強其高溫抗車轍能力?？紤]經濟效果，其GO用量不宜大于0.5%。

（3）在溫度相同時，GO用量增加，復合改性瀝青的蠕變勁度逐漸增大，蠕變速率逐漸減小，尤其是GO用量大于0.5%后，這種效果更為明顯。加入GO后明顯降低了SBS改性瀝青的應力松弛能力和抗開裂能力。

（4）無論經過短期老化還是長期老化，隨著GO用量增加，瀝青材料的殘留針入度比逐漸增大，軟化點增量逐漸減小，殘留延度比逐漸增大。摻入GO后可以降低瀝青材料的老化程度，改善其抗老化性能。