余振兵

（河南省公路工程局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450052）

由于行車舒適、噪音小、養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，瀝青被廣泛應(yīng)用于高速公路的建設(shè)。由于交通載荷、溫度、水損等，瀝青路面在服役一段時(shí)間后將會(huì)出現(xiàn)各種病害，包括車轍、松散、裂縫等[1-3]。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛的增多，重載現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，基質(zhì)瀝青已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速公路對性能的需求。因此有必要制備性能優(yōu)異的改性瀝青來滿足日益增長的高速路性能的需求。

納米材料具有一系列傳統(tǒng)材料不具備的特定性能。其中碳納米管由于其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等性能，被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)傳統(tǒng)材料的特定性能?？蒲腥藛T也研究了碳納米管應(yīng)用于瀝青中以改善瀝青的各項(xiàng)性能[4-5]。楊騫[6]研究了多壁碳納米管對瀝青混合料的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以增強(qiáng)瀝青膠漿的韌性，提高瀝青混合料的抗開裂能力。祝亞奇[7]研究發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管與SBS 之間存在分子間作用，從而提高了SBS 在瀝青中的分散性和儲存穩(wěn)定性。姚紅淼[8]探究了不同結(jié)構(gòu)的碳納米管對瀝青路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)少量碳納米管可以提高SBS 改性瀝青的低溫蠕變能力。

瀝青混合料在攪拌和攤鋪的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的瀝青煙。瀝青煙中含有多種對人體和環(huán)境有危害的氣體成分。目前主要途徑是在瀝青中加入大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的材料，通過吸附瀝青的輕質(zhì)組分，減少游離態(tài)瀝青達(dá)到抑制瀝青煙排放的目的，比如：石墨、納米碳酸鈣等[9-10]。碳納米管由于其豐富的孔結(jié)構(gòu)、大的比表面積，有望用來改性瀝青，減少瀝青煙的排放。鑒于此，本文通過高速剪切制備了多壁碳納米管改性瀝青，隨后研究了碳納米管對瀝青流變性能的影響，最后通過熱裂解-氣相色譜/ 質(zhì)譜聯(lián)用儀（PY-GC/MS）測試試驗(yàn)研究了多壁碳納米管對瀝青煙排放的影響。

1 試驗(yàn)方法和原材料

1.1 試驗(yàn)原材料

碳納米管購自蘇州碳豐石墨烯科技有限公司，其物理性能見表1。70# 基質(zhì)瀝青購自湖北鄂州科氏瀝青產(chǎn)品有限公司，其物理性能見表2。

表1 碳納米管的物理性能Table 1 Physical properties of carbon nanotubes

表2 70# 瀝青的物理性能Table 2 Physical properties of 70 # asphalt

1.2 碳納米管改性瀝青的制備

采用高速剪切法制備碳納米管改性瀝青。具體制備步驟：先后稱量質(zhì)量比為1%、2% 和3% 的碳納米管。油浴加熱基質(zhì)瀝青到溫度達(dá)到135℃，并以4000r/min 的速度高速剪切瀝青。隨后緩慢加入碳納米管至完全后再持續(xù)剪切30min 以使碳納米管能夠均勻的分布瀝青中，減少團(tuán)聚。最后停止剪切和加熱使瀝青溫度降到室溫得到碳納米管改性瀝青。

1.3 測試方法

利用掃描電鏡對碳納米管進(jìn)行微觀形貌的表征。碳納米管改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和粘度試驗(yàn)根據(jù)規(guī)范[11]進(jìn)行測試。碳納米管改性瀝青的DSR 溫度掃描測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。利用PY-GC/MS 測試碳納米管對瀝青煙的排放的抑制效果?？傠x子色譜圖可以對瀝青煙的成分進(jìn)行定性分析。對其特征峰進(jìn)行面積積分可以對瀝青煙中的成分進(jìn)行定量分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳納米管改性瀝青的流變性能

碳納米管的微觀形貌如圖1 所示。可以發(fā)現(xiàn)碳納米管的直徑大約為2nm，其形貌和結(jié)構(gòu)高度統(tǒng)一。碳納米管之間沒有明顯的團(tuán)聚，但是互相糾纏。因此有必要進(jìn)行高速剪切使碳納米管能夠分散在瀝青中。

圖1 碳納米管的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of carbon nanotubes

2.1.1 針入度和軟化點(diǎn)

碳納米管改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)如圖2 所示。從圖中可以看出瀝青的針入度隨著碳納米管含量的增加而減小。當(dāng)3% 的碳納米管加入后，瀝青的針入度從67.0 減小到64.5。另外瀝青的軟化點(diǎn)隨著碳納米管含量的增加而增大。當(dāng)3% 的碳納米管加入后，瀝青的軟化點(diǎn)從47.2℃增大到52.3℃。

圖2 碳納米管改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)Fig.2 Needle penetration and softening point of carbon nanotube modified asphalt

2.1.2 布氏粘度

碳納米管改性瀝青的布氏粘度如圖3 所示。從圖中可以看出瀝青的粘度隨著溫度的升高而降低，是因?yàn)闉r青的溫敏性特征。另外，碳納米管的摻入可以顯著提高瀝青的粘度。如在60℃時(shí)基質(zhì)瀝青、1% 碳納米管改性瀝青和3% 碳納米管改性瀝青的粘度分別是285Pa·s、463Pa·s 和825Pa·s。布氏粘度反應(yīng)了瀝青抗層間剪切流動(dòng)的能力。因此碳納米管的加入提高了瀝青高溫抗層間剪切流動(dòng)的能力。

圖3 碳納米管改性瀝青粘度Fig.3 Viscosity of carbon nanotubes modified asphalt

2.1.3 溫度敏感性

碳納米管改性瀝青的DSR 溫度掃描結(jié)果如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，瀝青的復(fù)合剪切模量隨著溫度的升高而減小，相位角隨著溫度的升高而增大。是因?yàn)闉r青是一種典型的溫敏性材料。在溫度較低時(shí)，瀝青主要表現(xiàn)出彈性性能，在溫度較高時(shí)，瀝青表現(xiàn)出明顯的黏性性能。隨著碳納米管含量的增加，瀝青的復(fù)合剪切模量有明顯的增大，而相位角變化不大。結(jié)果表明碳納米管的加入使瀝青在較高溫度時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的彈性性能。

圖4 碳納米管改性瀝青的復(fù)合剪切模量和相位角Fig.4 Composite shear modulus and phase angle of carbon nanotube modified asphalt

碳納米管改性瀝青的車轍因子計(jì)算得到如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，瀝青的車轍因子逐漸減小。是因?yàn)闉r青的典型的粘彈性能。溫度越高，瀝青的粘性更強(qiáng)，彈性性能減弱。另外隨著碳納米管含量的增加，瀝青的車轍因子逐漸增大。表明碳納米管的加入提高了瀝青高溫抗車轍能力。

圖5 碳納米管改性瀝青的車轍因子Fig.5 Rutting factor of carbon nanotube modified asphalt

2.2 碳納米管對瀝青煙的抑制效果

碳納米管對瀝青煙的抑制效果如圖6 所示。

圖6 碳納米管對瀝青煙的抑制效果Fig.6 Effect of carbon nanotubes on asphalt smoke suppression

圖6 （a）是瀝青煙的總離子色譜圖。從圖中可以看出瀝青煙中的成分復(fù)雜，不同成分的豐度表現(xiàn)出明顯的區(qū)別，大部分成分出現(xiàn)在10～20min 內(nèi)。通過計(jì)算機(jī)比對，可以得出瀝青煙的主要成分分為三種：烷烴、多環(huán)芳烴和烴類衍生物。通過計(jì)算機(jī)積分得到烷烴，多環(huán)芳烴和烴類衍生物的面積積分即代表各組分的相對含量，結(jié)果如圖6(b) 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)三種組分的含量隨著碳納米管的加入而減少。當(dāng)3% 的碳納米管加入后，烷烴、多環(huán)芳烴和烴類衍生物的含量分別從1.21×107、0.53×107、0.27×107減少到0.42×107、0.15×107、0.08×107。其中多環(huán)芳烴對人體有致癌作用，對人體和環(huán)境的影響最大。為此作為瀝青煙中的主要成分，特提取出多環(huán)芳烴萘，研究了碳納米管對瀝青煙中的萘的排放的影響。結(jié)果如圖6(c) 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)瀝青煙中的萘主要分為萘和甲基萘兩種。兩種成分隨著碳納米管的加入均呈現(xiàn)不同程度的降低。當(dāng)3% 的碳納米管加入后，瀝青煙中的萘和甲基萘的含量分別從1.71×105、1.63×105降低到1.37×105，1.12×105。因此碳納米管可以有效地抑制瀝青煙中萘的排放，從而減小瀝青煙對人體和環(huán)境的不利影響。

3 結(jié)論

（1）碳納米管的加入可以降低瀝青的針入度，提高瀝青的軟化點(diǎn)，并且顯著提高瀝青的粘度。另外碳納米管可以提高瀝青的復(fù)合剪切模量，對相位角無明顯影響，提高了瀝青的高溫抗車轍能力。

（2）碳納米管的加入可以減少瀝青煙中烷烴、多環(huán)芳烴和烴類衍生物的排放。碳納米管改性瀝青中萘的排放的降低，將減少瀝青煙對人體和環(huán)境的不利影響。