氧化石墨烯对SBS改性沥青流变及抗老化性能的影响研究

杨同伟

（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南 郑州 450000）

近年来，随着路面车辆荷载的增加和异常天气的增多，常规沥青路面已无法满足使用要求，常常出现裂缝和车辙等早期病害。目前，高等级路面应用最广泛的是SBS改性沥青，但诸多研究表明[1-2]，SBS改性沥青在服役过程中受到车辆荷载反复作用以及水、热、氧和紫外光的综合作用，会降低路面的耐久性能和服役寿命。

氧化石墨烯（Graphene oxide，简称GO）作为一种准二维无机层状纳米材料，是由石墨粉末经化学氧化和剥离后的产物，其表面富含羟基、羧基和环氧基等活性基团，近年来常作为一种新型的沥青改性剂材料[3]。朱俊材等[4]分析氧化石墨烯对基质沥青和SBS改性沥青常规性能和流变性能的影响，结果表明，掺氧化石墨烯后可以改善沥青胶结料的黏度、高温性能和交联密度，而对低温性能无明显影响，对于基质沥青改性效果要大于SBS改性沥青。黄建云等[5]采用DSR、BBR和MSCR等手段分析氧化石墨烯复掺多聚磷酸改性沥青在老化前后的流变性能和抗热氧老化性能，结果表明，掺入氧化石墨烯后可有效改善沥青结合料的高温抗变形特性、弹性恢复和抗高温热氧老化能力，且明显提高了沥青结合料的低温抗裂性和抗低温老化性能。法春光[6]通过研究氧化石墨烯对SBS改性沥青基本技术性能和流变性能的影响得出，随着氧化石墨烯掺量增加，沥青胶结料高温抗变形能力随之增强，低温抗裂性随之减弱，且其受热氧老化及紫外光老化后的宏观与微观性能变化趋势减小。

本文借助室内试验研究氧化石墨烯对SBS改性沥青的常规性能、流变性能及老化性能的影响，以期得到最佳的氧化石墨烯用量，为类似工程应用提供参考价值。

1 原材料性能

试验用基质沥青采用中石化东海牌70号道路石油沥青，其基本技术性能见表1所示。SBS为YH-791线型改性剂，其拉伸强度为26.5MPa，苯乙烯含量不低于32%，断裂伸长率为726%，其掺量为4.5%。氧化石墨烯外观呈黑色粉末状，纯度可达到98%，比表面积为110m2/g，片层均厚约为2.2nm。

表1 基质沥青技术性能Table 1 Technical performance of matrix asphalt

2 改性沥青制备工艺

首先将基质沥青在145℃烘箱中加热2h至热熔流动态，去除沥青中的水分，然后以一定量倒入耐热容器中，置于垫有石棉网电炉上加热，然后分别缓缓加入提前混合好的氧化石墨烯（0.2%、0.5%、0.8%，分别占基质沥青的质量分数）和SBS改性剂（4.5%，占基质沥青质量分数）混合物，采用温度计将温度控制在170℃，先用玻璃棒沿着一个方向不断搅拌5min，然后用高速剪切机以4000r/min速率剪切40min，然后转为2000r/min速率剪切20min，最后将制备好的GO/SBS复合改性沥青放入170℃烘箱中发育1h，即制备完成GO/SBS复合改性沥青[7]。

3 复合改性沥青性能

3.1 常规性能

采用针入度、软化点和延度试验分别分析氧化石墨烯用量对GO/SBS复合改性沥青高温性能、温度敏感性和低温性能的影响，试验结果如图1所示。采用聚合物改性沥青离析试验，盛样管顶部和底部的软化点差值评价GO/SBS复合改性沥青存储稳定性，试验结果见表2。

图1 GO含量对沥青常规性能的影响Fig.1 Effect of GO content on conventional performance of asphalt

表2 存储稳定性结果Table 2 Results of storage stability

从图1中可以看出，随着GO用量增加，25℃针入度值不断减小，且GO用量大于0.5%后趋势变缓；软化点随GO用量增加而增大；而延度逐渐减小，尤其是GO用量大于0.5%后变化明显。说明一定量GO可增加SBS改性沥青的黏稠度，改善其温度稳定性和低温延展性。

从表2可看出，随着GO用量增加，顶部或底部的软化点均逐渐增大，其差值越来越小，说明GO在增强SBS改性沥青的存储稳定性方面具有很好的作用。

3.2 高温流变性能

采用动态剪切流变仪对掺不同用量GO的复合改性沥青进行温度扫描试验，荷载作用频率为1.59Hz，温度扫描范围为52～76 ℃，以试验得到的复数模量、相位角和换算得到的车辙因子为评价指标，其中复数模量表征沥青材料能够抵抗外部剪切荷载作用的总阻力，相位角属于正弦波应力作用下的应变滞后角度，能够说明沥青材料的黏弹比例，车辙因子揭示了沥青材料所能够抵抗高温变形和抗车辙能力的大小[8-9]。复合改性沥青的高温流变性能试验结果如图2所示。

图2 GO含量对沥青高温流变性能的影响Fig.2 Effect of GO content on high-temperature rheological properties of asphalt

从图2（a）可以看出，复数模量G*随温度升高逐渐减小，在相同温度时，复数模量随GO用量增加而增大，掺0.2% GO和0.5% GO对应的复数模量增加幅度较大，掺0.8%GO的复数模量相比于0.5%GO虽有所增大，但相对增大幅度较小。说明掺入GO后提高了SBS改性沥青抵抗外部剪切荷载作用所能承受的总阻力，增强了SBS改性沥青的高温抗剪切能力。从图2（b）可知，不同GO用量的改性沥青其相位角随温度升高逐渐增大，同样温度条件时随着GO用量增加，其相位角越小，弹性成分占比相对较高。说明掺入GO具有阻碍沥青材料在高温条件下由弹性变形发展为塑性变形的作用，提高沥青材料的高温抗变形性能。根据图2（c）可知，不同掺量GO的车辙因子均随温度升高而减小，在同样温度下，随着GO用量增加，车辙因子不断增大，如在温度64℃时，0.5% GO用量相对0% GO的车辙因子提高了29.3%，说明加入GO后增强了沥青材料的高温抗车辙能力。同时可以发现，与0%～0.5% GO用量相对比，0.8%GO相对于0.5% GO用量对应的车辙因子增加幅度很小，说明GO用量需要控制在一定范围内，超出范围后改善效果不明显。

3.3 低温流变性能

采用低温弯曲流变仪对掺不同用量GO的复合改性沥青进行低温流变性能评价，试验采用第60s时对应的蠕变劲度S和蠕变速率m作为评价指标，其中S≤300MPa、m≥0.3[10]。蠕变劲度S反映了沥青材料在受到外界温度变化时产生的应力大小，S值越大越容易发生开裂，蠕变速率m表征了沥青材料在发生应力后的松弛能力，其值越大说明应力松弛能力越强，低温时材料的抗开裂能力越强[11]。复合改性沥青的低温流变性能试验结果如图3所示。

图3 GO含量对沥青低温流变性能的影响Fig.3 Effect of GO content on low-temperature rheological properties of asphalt

从图3（a）可以看出，随着温度下降，四种材料的蠕变劲度随之增大，在相同温度下，蠕变劲度随着GO用量增加而逐渐增大，说明GO的加入对于沥青材料低温性能产生了不利影响，会增加沥青材料的“刚度”，低温柔韧性降低，使其在低温条件下变得脆硬，更容易发生开裂，尤其是刚掺入0.2% GO和GO用量大于0.5%之后，这种效应更明显。根据图3（b）可知，随着温度下降，掺不同用量GO的改性沥青蠕变速率随之减小，且在同一温度下随着GO用量增加，其蠕变速率m值逐渐减小，说明加入GO后沥青材料的抗变形能力下降，应力松弛能力减小，低温时更容易产生脆裂。

3.4 抗老化性能

采用薄膜烘箱老化试验和压力老化试验分别用于评价沥青材料的短期老化和长期老化性能，其中薄膜烘箱老化试验温度为163℃，试验时间为5h；压力老化试验温度为100℃，时间为20h，容器内的压力为2.1±0.1 MPa[12]。然后将经过老化试验后的沥青试样用于针入度、软化点和延度试验，并与老化前试样做对比，以老化前后试样的残留针入度比、软化点增量和残留延度比为评价指标，试验结果如图4所示。

图4 GO含量对沥青抗老化性能的影响Fig.4 Effect of GO content on asphalt aging resistance

从图4可知，无论经过短期老化还是长期老化，随着GO用量增加，沥青材料的残留针入度比逐渐增大，软化点增量逐渐减小，残留延度比逐渐增大。说明掺入GO后可以降低沥青材料的老化程度，改善其抗老化性能。相比于不掺GO，掺0.8% GO的改性沥青经过短期老化和长期老化后的残留针入度比分别提高了4.6%和17.6%，软化点增量分别降低了2.4℃和2.5℃，残留延度比分别提高了9.1%和9.3%，说明加入GO可以一定程度上抑制沥青老化的发生，提高了沥青材料的耐老化性能。

4 结论

（1）随着GO用量增加，复合改性沥青的针入度变小，软化点增大，延度减小，一定量GO可改善沥青材料的黏稠性、温度敏感性和低温延展性。此外可提高SBS改性沥青的储存稳定性。

（2）在相同温度下，随着GO用量增加，复合改性沥青的复数剪切模量逐渐增大，相位角逐渐减小，车辙因子逐渐增大，掺入一定量GO可提高SBS改性沥青承受外部剪切荷载的总阻力，抑制其由弹性变形发展为塑性变形，增强其高温抗车辙能力。考虑经济效果，其GO用量不宜大于0.5%。

（3）在温度相同时，GO用量增加，复合改性沥青的蠕变劲度逐渐增大，蠕变速率逐渐减小，尤其是GO用量大于0.5%后，这种效果更为明显。加入GO后明显降低了SBS改性沥青的应力松弛能力和抗开裂能力。

（4）无论经过短期老化还是长期老化，随着GO用量增加，沥青材料的残留针入度比逐渐增大，软化点增量逐渐减小，残留延度比逐渐增大。掺入GO后可以降低沥青材料的老化程度，改善其抗老化性能。