碳纳米管对SBS改性沥青高温性能影响的试验研究.pdf

姻工程科技第 9 卷第 1 期 2024 年 2 月收稿日期：2023-08-12基金项目：吉林省科技发展计划重点研发项目（20230203111SF）作者简介：武继开（1999耀），男，山西省大同市人，硕士研究生，研究方向：道路工程。0引言随着公路质量需求不断提高，对道路沥青的性能要求也越来越高。碳纳米管作为新型一维纳米材料，由多个层次的碳原子沿着纵向方向排列而成，与二维石墨烯碳材料相比具有更强的抗压能力和韧性，同 SBS 改性沥青复合改性后，能够促进 SBS在沥青中的溶胀，其纤维状的材料特性和高刚度、高模量的力学特性能够在 SBS 改性沥青中起到增黏、增稠的作用。为了对已有 SBS 改性沥青的性能进行改善，国内外已有学者开展了碳纳米管/SBS 复合改性沥青的相关研究。Amin 等1对碳纳米管改性沥青进行短期、长期老化试验，结果表明随着掺量增加，SBS 改性沥青的高破坏温度和高温抗车辙能力增加，提高路面的抗碳纳米管对 SBS 改性沥青高温性能影响的试验研究武继开1袁董伟智1袁李明熹2（1：吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春130118；2：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）摘要院SBS 改性沥青在我国道路施工中应用广泛袁随着研究的不断深入袁复合改性沥青逐渐成为主要提高沥青性能的手段之一遥 为探究碳纳米管对 SBS 改性沥青复合改性后的高温性能袁首先借助高速剪切仪袁采用熔融共混法制备出不同掺量的碳纳米管/SBS 复合改性沥青袁通过布氏旋转黏度试验尧多应力蠕变试验袁研究不同掺量的碳纳米管对 SBS 改性沥青的高温性能影响遥 结果表明院碳纳米管的加入能够提升 SBS 改性沥青的黏度尧高温流变性能和高温抗车辙变形能力遥关键词院道路工程曰碳纳米管曰改性沥青曰高温性能中图分类号院U414文献标识码院A文章编号院圆园怨远-2118渊2024冤01-0023-04Experimental Study on the Effect of CNTs on High TemperaturePerformance of SBS Modified AsphaltWU Jikai1，DONG Weizhi1，LI Mingxi2（1：School of Transportation Science and Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin130118，China；2：Power China Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou Zhejiang311122，China）Abstract：SBS modified asphalt is widely used in China s road construction，and with continuous in-depth re原search，composite modified asphalt has gradually become one of the main means in improving asphalt perfor原mance.To investigate the high-temperature performance of CNTs in the composite modification of SBS modifiedasphalt，different dosages of CNTs/SBS composite modified asphalt were first prepared using a high-speed shearapparatus and melt blending method，the influence of different dosages of CNTs on the high-temperature perfor原mance of SBS modified asphalt was studied through Brinell rotational viscosity test and multiple stress creep test.The results indicate that the addition of CNTs can improve the viscosity，high-temperature rheological properties，and high-temperature resistance to rutting deformation of SBS modified asphalt.Keywords：road engineering；CNTs；modified asphalt；high temperature performanceDOI：10.3969/j.issn.2096-2118.2024.01.006类别测试值规范值针入度（25 益）/dmm8380100软化点/益63.8逸55延度（5 益,5 cm/min）/cm49逸30135 益旋转粘度/（Pa s）1.013臆3永久变形能力；王鹏等2基于动态剪切流变仪，得出碳纳米管能够改善 SBS 改性沥青的高温抗车辙能力；张鹏3研究表明碳纳米管能改善 SBS 改性沥青高低温性能、抗老化性能和存储稳定性；解双瑞等4通过短期老化和紫外老化试验，研究发现碳纳米管的掺入有效减少老化对于改性沥青结构的破坏；肖学良5通过修饰后的碳纳米管与 SBS 改性沥青复合改性，发现沥青的高温性能和抗老化性能得到提升；Ashish 等6通过 LAS 试验评价了碳纳米管改性沥青的中温性能，结果表明添加碳纳米管可以提高沥青的疲劳寿命。Mamun 等7对单壁碳纳米管/SBS 复合改性沥青进行抗水分损伤试验，结果表明随着碳纳米管掺量的增加，水分损害在一定程度上减少。孙启宇8通过多应力蠕变试验得出碳纳米管可以改善碳纳米管/SBS 复合改性沥青的高温稳定性；祝亚奇等9借助热重测试、沥青四组分和荧光显微镜测试分析了碳纳米管对 SBS 的协同作用，可在不同程度上提升 SBS 改性沥青的高低温性能。谢佳雯10借助分子动力学，从微观角度，分析了碳纳米管、SBS 与沥青的共混效应。本文参照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程，通过对比不同掺量的碳纳米管/SBS 复合改性沥青在不同温度下的布氏黏度和不同应力下的蠕变试验，探究复合改性沥青的高温性能及高温下复合改性沥青的蠕变特性。1试验材料及制备方法1.1试验材料沥青采用对 90#基质沥青改性的成品 I-B 类SBS 改性沥青，碳纳米管采用山东大展牌 GT-301型，性能指标见表 1表 2。1.2制备方法淤将按规定要求取出的 SBS 改性沥青在 165益烘箱内加热 0.5 h，直至 SBS 改性沥青处于流动状态；于将准备好的 SBS 改性沥青取出，分多次、少量将 掺 量 为 0.25%，0.50%，0.75%，1.00%，1.25%，1.50%的碳纳米管加入 SBS 改性沥青中，以边加入边搅拌的方法混入到 SBS 改性沥青中，直至碳纳米管粉末完全混合到 SBS 改性沥青中，使碳纳米管预分散到 SBS 改性沥青中；盂将预分散好的复合改性沥青放在 170 益油浴锅内保温，使用高速剪切仪以4 500 r/min 的转速高速剪切 5 min，再溶胀 5 min，依此循环 6 次，共 1 h。2高温黏度特性为探究复合改性沥青的高温流变性能，采用布氏旋转黏度仪，对不同掺量的碳纳米管/SBS 复合改性沥青进行黏度试验。将制备好的碳纳米管/SBS 复合改性沥青在 165 益烘箱加热至流动状态，缓慢倒入黏度试验管内，将试验管连同转子在试验温度烘箱保温 1.5 h 后取出，并安置在黏度仪上继续保温15 min。选择 SC4-27 号转子，分别以转速 100 r/min测定 135 益黏度，以转速 150 r/min 测定 175 益黏度（见表 3）。由表 3 可知，随着碳纳米管掺量的增加，复合改性沥青的黏度逐渐增大，1.50%掺量的碳纳米管/SBS 复合改性沥青相比于 SBS 改性沥青在 135 益黏度高出 237 cp，在 175 益黏度高出 41.7 cp；在不同温度下，温度越高，布氏黏度值越小。说明随着温度升高，沥青仍能保持很好的稳定性，表明碳纳米管能够有效增强 SBS 改性沥青的黏结力，提高 SBS 改性沥青的高温流变性能。3多应力蠕变试验为探究复合改性沥青的高温抗车辙变形能力，对不同掺量的碳纳米管/SBS 复合改性沥青进行多表 1SBS（I-B 类）改性沥青基础性能指标指标检测值技术要求管径/nm10-20长度/滋m5-15纯度/%逸98水分/%0.22臆1.0振实密度/（g cm-3）0.0660.0600.090灰分/%1.7臆2.5比表面积/（m2 g-1）253.465 4220270粒径/滋m4.804D50臆10表 2GT-301 碳纳米管技术指标布氏黏度/cp碳纳米管掺量/%0.000.250.500.751.001.251.50135 益1 0131 0601 0851 1301 1501 2251 250175 益210213215231.7235245251.7表 3碳纳米管/SBS 复合改性沥青布氏黏度试验第 9 卷图 1第一个循环下的时间应变响应曲线图 2复合改性沥青蠕变特性应力蠕变试验，选用直径 25 mm 的平行板，高度间隙为 1 mm，测定 64 益下 0.1 kPa 和 3.2 kPa 剪应力的剪切应变。加载应力 1 s，卸载应力，应变恢复 9 s，单个循环为 10 s，先进行 0.1 kPa 剪切应力下的 10个循环用于稳定试样，后测试试样在 0.1 kPa 和 3.2kPa 剪切应力各 10 个循环，共用时 300 s。采用蠕变恢复率 R 和不可恢复蠕变柔量 Jnr评价沥青在累积荷载作用下的弹性恢复能力和抗剪切能力。3.1应力应变特性分析由图 1 可知，在 0.1 kPa 和 3.2 kPa 的剪切应力下，随着碳纳米管的增加，峰值应变逐渐变小，说明碳纳米管能够有效地增加沥青的高温抗剪切能力；在剪切应力加载 1 s 达到峰值应变卸载后，剪切应变又能下降，说明碳纳米管的加入在提升 SBS 改性沥青抗剪切的同时，还能够提高 SBS 改性沥青的高温抗变形能力；相比于 0.1 kPa，在 3.2 kPa 下沥青的峰值应变更大，应力卸载后，应变的恢复能力变弱，说明剪切应力对沥青的恢复能力有很大影响。3.2蠕变特性分析由图 2（a）可知，随着碳纳米管掺量的增加，在0.1 kPa 和 3.2 kPa 应力作用 1 s 卸载后，复合改性沥青的蠕变恢复率增大，但对于 0.25%和 0.50%掺量下的复合改性沥青蠕变恢复率均低于 SBS 改性沥青，而从图 1 蠕变过程来看，随着掺量增加，峰值应变越大，说明有可能在复合改性沥青制备时，高速剪切使 SBS 改性沥青内部的轻质组分发生变化，导致蠕变恢复率下降。在 1.25%掺量下达到最大，在0.1 kPa 和 3.2 kPa 剪切应力下蠕变恢复率比 SBS改性沥青提高了 63.32%和 13.68%，说明碳纳米管能够增强在重复荷载作用下沥青的弹性恢复能力；由图 2（b）可知，随着碳纳米管的增加，不可恢复蠕变柔量在一定程度上有所减小，在 1.25%掺量时最（a）0.1 kPa 下剪切应变（b）3.2 kPa 下剪切应变（a）蠕变恢复率 R（b）不可恢复蠕变柔量 Jnr0.00%CNTs0.25%CNTs0.50%CNTs0.75%CNTs1.00%CNTs1.25%CNTs1.50%CNTs0.00%CNTs0.25%CNTs0.50%CNTs0.75%CNTs1.00%CNTs1.25%CNTs1.50%CNTs40035030025020015010050100101102103104105106107108109110时间/s2 2502 0001 7501 5001 2501 000750500250200201202203204205206207208209210时间/s0.1 kPa3.2 kPa8060402000.000.250.500.751.001.251.50不同掺量的 CNTs/%0.1 kPa3.2 kPa0.400.350.300.250.200.150.100.050.000.000.250.500.751.001.251.50不同掺量的 CNTs/%第 1 期武继开袁等院碳纳米管对 SBS 改性沥青高温性能影响的试验研究为明显，0.1 kPa 和 3.2 kPa 的不可恢复蠕变柔量分别为 0.031 9 kPa-1和 0.324 6 kPa-1，说明碳纳米管能够增强 SBS 改性沥青的高温抗剪切能力。3.3应力敏感特性分析由表 4 可以看出加入碳纳米管后，SBS 复合改性沥青的蠕变恢复率应力敏感特性和不可恢复蠕变柔量应力敏感特性均出现增大的趋势，在随着掺量的不断增大，不可恢复蠕变柔量应力敏感特性继续减小的趋势。在 1.00%碳纳米管掺量下，蠕变恢复率应力敏感性达到最小值，随着掺量的继续增大，不可恢复蠕变柔量应力敏感特性继续增大。说明碳纳米管的加入会提高 SBS 改性沥青对应力作用的敏感程度，但随着碳纳米管掺量的增多，复合改性沥青内部趋于稳定，对复合改性沥青的结构稳定性产生积极作用，说明通过对碳纳米管掺量的有效控制，可以降低复合改性沥青对应力的敏感程度，提高道路沥青的结构稳定性。应力敏感特性碳纳米管掺量/%0.000.250.500.751.001.251.50蠕变恢复率应力敏感特性 R-diff0.6800.8210.8090.6860.6200.7530.758不可恢复蠕变柔量应力敏感特性 Jnr-diff0.3770.4950.5711.282.2369.1691.9134结论1）碳纳米管加入 SBS 改性沥青中，使得 SBS改性沥青的 135 益黏度和 175 益黏度增大，说明碳纳米管能够增强 SBS 改性沥青的黏结力，提升 SBS改性沥青的高温流变性能。2）在 64 益高温时，碳纳米管的加入能够提高SBS 改性沥青的蠕变恢复率和降低不可恢复蠕变柔量，说明碳纳米管能够有效提升 SBS 改性沥青的弹性恢复能力和高温抗剪切能力。3）在多应力重复蠕变试验中，可以看出 3.2kPa 下的蠕变恢复率均低于 0.1 kPa，3.2 kPa 下的不可恢复蠕变柔量均高于 0.1 kPa，说明沥青在高温条件下对应力较为敏感；对比不同掺量下的碳纳米管/SBS 复合改性沥青，其中蠕变恢复率应力敏感差异在 1.00豫掺量时最小。综合复合改性沥青黏度和多应力蠕变试验结果，碳纳米管在 SBS 改性沥青中的最佳掺量约在 0.75%1.25%。参考文献1Amin I，EI-Badawy S M，Breakah T，et al.Laboratory evaluationof asphalt binder modified with CNTs for egyptian climateJ.Construc原tion and Building Materials，2016，121：361-372.2王鹏，刘鹏，王健，等.碳纳米管对 SBS 改性沥青流变性能的影响研究J.山东建筑大学学报，2019，34（5）：22-26.3张鹏.碳纳米管对 SBS 改性沥青性能影响研究J.甘肃科学学报，2019，31（5）：143-146.4解双瑞，徐文远，苏禹.基于 DSR 的碳纳米管/SBS 复合改性沥青抗老化性能分析J.合成材料老化与应用，2020，49（2）：4-7.5肖学良.碳纳米管/SBS 复合改性沥青及混合料性能研究D.长沙：长沙理工大学，2017.6Ashish P K，Singh D.High-and intermediate-temperature perfor原mance of asphalt binder containing carbon nanotube using different rhe原ological approachesJ.Journal of Materials in Civil Engineering，2018，30（1）：04017254.7Mamun A A，Arifuzzaman M.Nano-scale moisture damage eval原uation of carbon nanotube-modified asphaltJ.Construction and Build原ing Materials，2018，193：268-275.8孙启宇.碳纳米管/SBS 复合改性沥青流变性质研究D.西安：长安大学，2020.9祝亚奇，舒本安.碳纳米管对 SBS 改性沥青高低温性能的影响J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（1）：103-107.10谢佳雯.MWCNTs 对 SBS 改性沥青的性能影响与增韧机理研究D.广州：广州大学，2022.编辑院刘岩表 4碳纳米管/SBS 复合改性沥青应力敏感性第 9 卷