摘 要：瀝青作為基礎(chǔ)路面工程的重要選材，其性能的好壞直接關(guān)系到路面的使用年限以及使用性能，為解決瀝青在實(shí)踐應(yīng)用中存在的老化以及流動(dòng)性問(wèn)題，研究提出了一種石墨烯復(fù)合橡膠對(duì)瀝青進(jìn)行改性的方式，并介紹了其制備方法。通過(guò)對(duì)石墨烯復(fù)合橡膠瀝青材料性能的測(cè)定發(fā)現(xiàn)這一材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)更為緊密，且其流變性能測(cè)試以及老化性能測(cè)試結(jié)果都明顯的高于基底瀝青材料，更能夠符合道路工程以及建筑防水的現(xiàn)實(shí)需要，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯；橡膠瀝青；制備方法；實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：

TQ333.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

1001-5922（2024）01-0012-03

Modified preparation method and application of graphene composite rubber asphalt

WANG Min1，WEI Dongxuan2

（1.Yangling Vocational amp; Technical College，Xianyang 712100，Shaanxi China;

2.Chang’an University，Xi’an 710064，China）

Abstract：Asphalt，as an important material selection for basic road engineering，its performance is directly related to the service life and performance of the pavement.In order to solve the aging and fluidity problems of asphalt in practical applications，a method of modifying asphalt with graphene composite rubber was proposed and its preparation method was introduced.Through the performance measurement of the graphene compound rubber asphalt material，it was found that the microstructure of this material was more compact，and its rheological performance test and aging performance test results were significantly higher than the base asphalt material，which could better meet the practical needs of road engineering and building waterproofing，and had a wide application prospect.

Key words：graphene; rubber asphalt; preparation method; practical application

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，車(chē)輛大型化以及重型化趨勢(shì)更為明顯，傳統(tǒng)的聚合物改性瀝青路面不能夠滿(mǎn)足交通運(yùn)輸?shù)男枰?。尤其在我?guó)的東南沿海地區(qū)，因?yàn)槟杲邓窟^(guò)多，夏季潮濕悶熱加之極大的交通流量使得瀝青路面遭受車(chē)轍以及水損害。隨著學(xué)者對(duì)于瀝青路面改性的重視程度愈加提升，無(wú)機(jī)納米石墨烯材料得到更為廣泛的關(guān)注，其作為一種碳原子緊密堆積的新材料，具有優(yōu)異的機(jī)械以及化學(xué)性能，將其與橡膠材料共同應(yīng)用于瀝青材料改性中，有望能夠提升瀝青材料的性能指標(biāo)，為其在工程項(xiàng)目中的進(jìn)一步推廣打下良好的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

石墨烯，RSG-GPI型號(hào)，粉體厚度10 mm以下，江蘇先豐納米材料科技有限公司；橡膠，40目橡膠粉，山東王氏兄弟橡塑科技有限公司；瀝青，A-70號(hào)道路石油基質(zhì)瀝青，中石化；SBS改性劑，TH-791型苯乙烯類(lèi)熱塑彈體，中石化巴陵公司［1-2］。

1.2 石墨烯復(fù)合橡膠瀝青制備

用天平稱(chēng)取1 400 g瀝青進(jìn)行加熱，待瀝青加熱至140 ℃后加入60 g橡膠粉，然后進(jìn)行低速攪拌，升溫至185 ℃后，以800 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min，待橡膠與瀝青混合分散均勻，橡膠無(wú)明顯大顆粒時(shí)，將0.5%的石墨烯25 g加入到橡膠以及瀝青混合材料中，持續(xù)性加熱，并用玻璃棒進(jìn)行人工攪拌，待表面無(wú)明顯漂浮材料后，加入SBS改性劑15 g，再次攪拌5 min，后靜置10 min。使用高速乳化剪切機(jī)以5 000 r/min的速度對(duì)靜置后復(fù)合瀝青材料進(jìn)行持續(xù)性剪切30 min。剪切過(guò)程中瀝青保持加熱狀態(tài)，溫度控制在（180±5）℃，最后使用超聲波對(duì)制備材料進(jìn)行分散［3-4］。

1.3 石墨烯復(fù)合橡膠瀝青性能測(cè)試

（1）分析石墨烯橡膠瀝青微觀(guān)結(jié)構(gòu)。采用掃描電鏡進(jìn)行微觀(guān)實(shí)驗(yàn)，掃描電鏡，型號(hào)EM-30AX，產(chǎn)自北京天耀科技有限公司;

（2）高溫流變性能測(cè)試。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)石墨烯復(fù)合橡膠瀝青性能進(jìn)行測(cè)定，動(dòng)態(tài)剪切流變儀，型號(hào)DRS，產(chǎn)自天津市港源試驗(yàn)儀器廠(chǎng)，轉(zhuǎn)速0.01～2 850 r/min，角速度范圍0.01～300 rad/s，試驗(yàn)頻率10.0 rad/s，振蕩頻率0.1～10 Hz，動(dòng)態(tài)掃描溫度為35、40、45、50、55、60、65以及70 ℃［5-6］;

（3）老化性能測(cè)試。采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實(shí)驗(yàn)以及壓力老化實(shí)驗(yàn)方式對(duì)改性后復(fù)合瀝青進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其老化指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，老化指數(shù)（AI）=復(fù)數(shù)模量老化后/復(fù)數(shù)模量老化前［7-8］。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 微觀(guān)結(jié)構(gòu)掃描分析

使用掃描電鏡對(duì)石墨烯橡膠瀝青的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其性能指標(biāo)如表1所示。

由表1可知，經(jīng)過(guò)掃描電鏡檢驗(yàn)，改性后的瀝青復(fù)合材料的針入度、延度、軟化點(diǎn)等項(xiàng)目結(jié)果均處于技術(shù)要求范圍內(nèi)。加入石墨烯以及橡膠的瀝青改性材料中更容易形成網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)，微觀(guān)結(jié)構(gòu)更為緊密［9-10］。

2.2 高溫流變性能測(cè)試

使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)石墨烯橡膠瀝青流變性能進(jìn)行測(cè)定，監(jiān)測(cè)改性后瀝青的復(fù)數(shù)模量、相位角以及車(chē)轍因子，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，石墨烯橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量以及車(chē)轍因子隨著溫度的增高呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。在高溫環(huán)境下，瀝青膠結(jié)料對(duì)于荷載作用的彈性能力強(qiáng)，在發(fā)生變形后能夠較快的恢復(fù)。摻入石墨烯以及橡膠材料的瀝青顯著的增強(qiáng)了瀝青分子體系結(jié)構(gòu)的勁性以及韌性［11-12］。同時(shí)，其相位角隨著溫度的升高增加的更為緩慢，說(shuō)明在加入石墨烯以及橡膠材料后，彈性物質(zhì)明顯增加，在溫度上升的過(guò)程中彈性比例趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 老化性能測(cè)試

按照瀝青的老化機(jī)制可以劃分為短期以及長(zhǎng)期2種，其中短期老化為在短時(shí)間內(nèi)高溫環(huán)境下的老化，長(zhǎng)期老化是瀝青道路在應(yīng)用環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的老化現(xiàn)象［13-14］。分別選用復(fù)數(shù)模量以及老化指數(shù)對(duì)石墨烯橡膠瀝青復(fù)合材料老化性能結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，石墨烯橡膠復(fù)合材料在短期以及長(zhǎng)期老化條件下其AI老化指數(shù)都明顯的小于純基底瀝青，表明石墨烯以及橡膠材料能夠明顯的改善瀝青的短期以及長(zhǎng)期耐老化性能。瀝青發(fā)生老化主要是由于其中的輕質(zhì)油分揮發(fā)，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)的變化［15-16］。將石墨烯以及橡膠材料應(yīng)用于瀝青改性中，會(huì)使得瀝青膠結(jié)料中穿插更為緊密的石墨烯片層結(jié)構(gòu)，一定程度上阻止了瀝青材料的油分揮發(fā)，改善其短期以及長(zhǎng)期的老化性能。

3 石墨烯復(fù)合橡膠瀝青的應(yīng)用

研究表明，加入石墨烯以及橡膠的瀝青改性劑材料的微觀(guān)分析結(jié)構(gòu)更為緊密，其高溫流變性能與老化性能都明顯的優(yōu)于未進(jìn)行改性的材料。作為一種由碳?xì)浠衔镆约胺墙饘傺苌锼M成的黑褐色有機(jī)高分子材料，石墨烯復(fù)合橡膠瀝青在道路工程以及建筑防水中將有更為廣泛的應(yīng)用空間［17-18］。在道路工程方面，石墨烯橡膠改性瀝青材料鋪筑的路面彈性、耐磨性以及耐高低溫變化性都明顯的高于基底瀝青，能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的路面需求，將路面的使用壽命延長(zhǎng)至15年。在建筑防水方面，使用石墨烯橡膠改性瀝青作為膠粘劑進(jìn)行防水卷材，不僅價(jià)格低廉，且抗水損能力強(qiáng)、耐老化能力強(qiáng)，刺激性氣味小，具有安全以及經(jīng)濟(jì)效益［19-20］。

4 結(jié)語(yǔ)

采用2種及以上的材料進(jìn)行復(fù)配提升原材的改性效果已經(jīng)成為熱點(diǎn)問(wèn)題，石墨烯作為一種高強(qiáng)度、高韌性的納米材料，將其作為添加劑與橡膠、瀝青相融合進(jìn)行改性，能夠極大的改善瀝青內(nèi)部的聚集力，提升瀝青材料的高溫抗變形能力以及抗老化性能，在道路工程建設(shè)以及建筑防水等方面具有極為廣泛的應(yīng)用意義。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 后樂(lè)田，蔡乾東，馬靖龍，等.溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青及混合料路用性能研究［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2022，18（3）：126-132.

［2］ 孟勇軍，張瑞杰，劉直榮，等.石墨烯對(duì)橡膠粉改性瀝青混合料路用性能影響研究［J］.公路，2021，66（5）：7-11.

［3］ 孟勇軍，郭賀源，徐銳光，等.石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能及微觀(guān)性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2020，23（5）：1246-1251.

［4］ 郭萬(wàn)民，白清順，竇昱昊，等.石墨烯在不銹鋼材料應(yīng)用中的減摩和耐磨特性研究進(jìn)展［J］.表面技術(shù)，2021，50（4）：43-55.

［5］ 高峰.聚辛烯與石墨烯復(fù)合改性橡膠瀝青及其OGFC混合料性能評(píng)價(jià)［J］.新型建筑材料，2021，48（1）：93-97.

［6］ 鄒虎，李強(qiáng).石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青及其混合料路用性能研究［J］.公路交通科技，2020，37（10）：46-56.

［7］ 馬輝.橡膠粉/芳烴油改性瀝青對(duì)高速路面的降噪與吸聲性能試驗(yàn)［J］.粘接，2023，50（11）：17-21.

［8］ 朱雅婧，徐光霽，馬濤，等.基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的高黏瀝青改性與再生研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，52（4）：736-743.

［9］ 鄧家喜，鄒前，陳杰，等.高粘改性劑對(duì)普通瀝青改性性能的影響研究［J］.西部交通科技，2022（4）：4-6.

［10］ 李曉娟，李淵，徐希娟.脫硫橡膠瀝青改性劑制備及改性瀝青性能研究［J］.路基工程，2021（5）：62-69.

［11］ 陳亞雄，陳國(guó)平，陸慰慰.多功能瀝青改性劑的作用機(jī)理及路用性能評(píng)價(jià)［J］.石油瀝青，2021，35（4）：47-52.

［12］ 范平.溫拌橡膠瀝青改性工藝及其混合料性能分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2020，42（11）：28-32.

［13］ 張?jiān)破?，王曉麗，趙任帥，等.橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能分析［J］.河南科技，2020，39（31）：73-77.

［14］ 黃伊琳，梁立喆，田植群，等.石墨烯改性瀝青的研究及工程應(yīng)用［J］.化工新型材料，2020，48（8）：244-248.

［15］ 張四恒，李文凱，邵景干，等.氧化石墨烯-竹纖維復(fù)合改性排水式磨耗層瀝青混合料性能研究［J］.粘接，2022，49（7）：1-8.

［16］ 季浦和.石墨烯對(duì)SBS改性瀝青技術(shù)性能的影響分析［J］.福建交通科技.2022（6）：7-10.

［17］ 許珊珊，王碩，王鵬，等.石墨烯-SBS改性瀝青混合料壓縮變形對(duì)電阻率的影響［J］.黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào).2022（3）：351-354.

［18］ 王世成，紀(jì)偉，張琛.石墨烯復(fù)合改性橡膠瀝青抗油蝕性能研究［J］.公路.2021（12）：362-367.

［19］ 王樹(shù)杰.石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料路用性能研究［J］.石油瀝青.2021（5）：46-49.

［20］ 李艷麗.石墨烯復(fù)合LDHs對(duì)瀝青老化及自愈合性能的影響研究［J］.合成材料老化與應(yīng)用.2021（3）：46-50.