納米材料復合改性瀝青性能評價

董羅超　曹新建　王祎賓　劉峰

摘 要：為研究高黏度復合改性瀝青，采用氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）和橡膠粉為復合改性劑對70#基質瀝青進行改性。通過針入度試驗、延度試驗、軟化點試驗、動力黏度試驗及布氏旋轉黏度試驗分析GO和橡膠粉的不同摻量對基質瀝青性能的影響規律，從而確定GO和橡膠粉的最佳復合摻量。研究結果表明：隨著GO和橡膠粉的增加，GO/橡膠粉復合改性瀝青針入度減小，但當GO摻量為0.08%時，復合改性瀝青的針入度減小速率變慢，當GO摻量為0.05%時，針入度達到最小值;復合改性瀝青的延度和軟化點隨GO的增加而升高，尤其是GO摻量為0.05%時復合改性瀝青的軟化點均大于80 ℃;隨著GO和橡膠粉的增加，復合改性瀝青的60 ℃動力黏度和175 ℃旋轉黏度值均提高，且0.05%GO+18%橡膠粉的175 ℃旋轉黏度值大于3.0 Pa·s。所以，摻量為0.05%GO+18%橡膠粉的復合改性瀝青可顯著提升基質瀝青的黏度、稠度、熱儲存穩定性及抗永久變形能力，從而提升道路使用壽命。

關鍵詞：路面材料;高黏瀝青;氧化石墨烯;復合改性

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-0-03

Performance Evaluation of Nano Material Composite Modified Asphalt

DONG Luochao CAO Xinjian WANG Yibin LIU Feng

（1.School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045;2.Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-huaihe Water Diversion， Hefei Anhui 230001;

3.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： In order to study high viscosity composite modified asphalt， Graphene Oxide （GO） and rubber powder were used as composite modifiers to modify 70# matrix asphalt. Through penetration test， ductility test， softening point test， dynamic viscosity test and Brinell rotary viscosity test， the influence law of different content of GO and rubber powder on the performance of matrix asphalt is analyzed， so as to determine the best compound content of GO and rubber powder. The results show that with the increase of GO and rubber powder， the penetration of GO / rubber powder composite modified asphalt decreases， but when the content of GO is 0.08%， the reduction rate of penetration of composite modified asphalt slows down， and the penetration reaches the minimum when the content of GO is 0.05%; The ductility and softening point of composite modified asphalt increase with the increase of GO， especially when the content of GO is 0.05%， the softening point of composite modified asphalt is greater than 80 ℃; With the increase of GO and rubber powder， the 60 ℃ dynamic viscosity and 175 ℃ rotational viscosity of composite modified asphalt increase， and the 175 ℃ rotational viscosity of 0.05% GO + 18% rubber powder is greater than 3.0 Pa · s. Therefore， the composite modified asphalt with the best content of 0.05% GO + 18% rubber powder can significantly improve the viscosity， consistency， thermal storage stability and permanent deformation resistance of the base asphalt， so as to improve the service life of the road.

Keywords： pavement materials;high viscosity asphalt;graphene oxide;composite modification

隨著經濟的高速發展和交通荷載的快速增加，傳統改性瀝青路面逐漸出現各種問題，如高溫性能不足導致路面出現龜裂、車轍、變形，低溫性能不足導致路面開裂等，造成路面使用壽命低、維護成本高的現象，是我國交通領域新時期面臨的重要難題之一。因此，研發環保、高品質、長壽命的瀝青改性材料對我國交通領域創新發展具有重要意義。近年來，由于汽車保有量大幅度遞增，每年產生的報廢輪胎越來越多，而廢舊輪胎屬于工業有害固體廢棄物，在常溫下不能降解，勢必會形成黑色污染，危及地球的生態環境，所以廢舊橡膠輪胎的資源化高效利用得到了廣泛關注。研究發現，橡膠粉改性瀝青擁有較好的高低溫和抗疲勞性能。采用橡膠粉改性瀝青混合料鋪筑路面，具有減少交通噪聲和增加路面抗滑性等優點。陸晶晶等發現當橡膠粉添加劑量約為20%時，橡膠瀝青高溫、低溫和黏彈性能都有不同程度的提高[1]。黃紹龍等認為當活性橡膠粉摻量為15%時所制得的高黏度改性瀝青具有最佳使用功能[2]。納米材料是指尺寸在

1～100 nm范圍內的固體材料，通常具有一般材料不具備的物理、化學等方面的特殊性能。研究發現，納米材料可極大提高基質瀝青的力學性能、抗老化性能和耐久性。氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）作為石墨的新型碳納米材料，是石墨粉經化學氧化后剝離而得的產物，一般采用Hummers法制備。GO具有比表面積大、尺寸小及宏觀量子隧道效應等優良性能[3]。GO表面豐富的含氧官能團如羥基、羧基、環氧基和酯基等可與眾多聚合物穩定相容[4]。朱俊才等研究發現，GO可顯著提高復合改性瀝青的黏度、高溫穩定性和抗疲勞性能[5]，但是其對低溫性能并無明顯改善，而橡膠粉可顯著提高瀝青的低溫性能[6]。因此，利用廢舊橡膠粉和納米材料GO為復合改性劑，研究制備高低溫性能良好的高黏度改性瀝青可為透水性瀝青路面的應用發展提供新的參考。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青。試驗采用河南省鄭州市鄭發市政建設有限公司生產的70#石油瀝青，對照組為殼牌高黏瀝青，基本技術指標如表1所示。

1.1.2 氧化石墨烯。本試驗采用由蘇州碳豐石墨烯科技有限公司生產的GR-005-4型高品質工業級氧化石墨烯，基本技術指標如表2所示。

1.1.3 橡膠粉。試驗研究采用細度為40目的橡膠粉，基本技術指標如表3所示。

1.2 試樣的制備

復合改性瀝青制備工藝為將基質瀝青加熱至175 ℃后開啟速率為5 000 r/min的高速剪切機，加入氧化石墨烯剪切10 min，待其分散均勻后邊加入橡膠粉邊進行人工攪拌，待無明顯團聚現象后繼續高速剪切40 min。剪切完成后置于170 ℃環境中溶脹發育30 min，即可完成GO/橡膠粉復合改性瀝青的制備。

1.3 復合改性瀝青常規性能測試

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）分別對不同摻量的復合改性瀝青進行針入度、軟化點測試，分析GO和橡膠粉對基質瀝青的稠度、剛度和抗永久變形能力的改善作用，通過延度試驗分析其對基質瀝青的低溫抗裂性能改善效果，通過60 ℃動力黏度試驗（真空減壓毛細管法）和175 ℃布氏黏度試驗（布洛克菲爾德黏度計法），分析其對基質瀝青的施工和易性的影響。

2 結果與分析

各復合改性瀝青常規性能測試如表4所示。

由表4可以得出以下結論。①隨著GO和橡膠粉的增加，GO/橡膠粉復合改性瀝青針入度減小。但當GO摻量為0.08%時，復合改性瀝青的針入度減小速率變慢;當GO摻量為0.05%時，復合改性瀝青的針入度達到最小值。②隨著GO和橡膠粉的增加，復合改性瀝青的延度增大，軟化點升高。尤其是GO摻量為0.05%時，復合改性瀝青的軟化點均大于80 ℃，這是由于GO具有巨大的比表面積，并含有豐富且活躍的含氧官能團，GO會吸附瀝青中的輕質組分以產生范德華力，使得瀝青分子之間距離減小，形成致密的空間交聯結構物，從而提高硬度，改善其高溫性能。③隨著GO和橡膠粉的增加，改性瀝青的60 ℃動力黏度和175 ℃旋轉黏度值均提高，（0.02%～0.08%）GO+（16%～18%）橡膠粉共9組復合改性瀝青的60 ℃動力黏度值均大于25 000 Pa·s，且0.05%GO+18%橡膠粉的復合改性瀝青175 ℃旋轉黏度值大于3.0 Pa·s。④通過上述試驗分析得出制備納米材料復合改性瀝青的最佳摻量為0.05%GO和18%橡膠粉。

3 結論

①摻加GO和橡膠粉可顯著提高基質瀝青的稠度、黏度、熱儲存穩定性及抗永久變形能力。

②GO/橡膠粉復合改性瀝青擁有優越的高溫穩定性和致密的空間交聯結構，可提高瀝青的彈性恢復能力。

③后續研究中可增加對GO/橡膠粉復合改性瀝青的黏韌性指標研究，從宏觀性能方面進一步評價復合改性瀝青的黏附性能。

參考文獻：

[1]陸晶晶.橡膠瀝青性能影響因素與改性機理研究[D].西安：長安大學，2010：6-12.

[2]黃紹龍，金帆，李明.活性橡膠粉改性高粘度橡膠瀝青的開發[J].中外公路，2015（1）：268-271.

[3]FANG C，YU R，LIU S，et al.Nanomaterials applied in asphalt modification： a review[J].Journal of Materials Science & Technology，2013（7）：589-594.

[4]WANG J，JIA H，JI D，et al.Enhancements of the mechanical properties and thermal conductivity of carboxylated acrylonitrile butadiene rubber with the addition of graphene oxide[J].Journol of Materials Science，2013（4）：1571-1577.

[5]朱俊材，李泉，劉克非.氧化石墨烯改性復合改性瀝青的性能[J].中國粉體技術，2018（4）：70-76.

[6]王尉，何亮，王大為，等.橡膠瀝青及其混合料低溫性能研究進展[J].公路，2016（1）：181-187.