摘要：碳纳米管作为一种纳米材料，重量较轻，结构呈六边形，具有许多不同寻常的电学、力学和化学性能。近些年纳米技术被不断深入研究，碳纳米管和纳米材料具有很好的应用前景。其特殊的性能被许多研究人员应用到沥青中，通过试验探究碳纳米管对沥青及其改性后相关性能评价指标的影响，改善沥青路面的高温稳定性和低温抗裂性，从而提高沥青及其混合料的路用性能。
关键词：碳纳米管；评价指标；路用性能
1 引言
1985 年，C60的发现吸引了全世界的目光，1991 年日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现了一种更加奇特的碳结构——碳纳米管（简称CNTs）[1]，由于碳纳米管功能的特殊性，被大量的应用在沥青中。Amin等人在沥青中加入多壁碳纳米管，沥青的高温性能得到改善，Yang等人在沥青中加入单壁碳纳米管使沥青的针入度、延度等提高，Faramarzi等人的研究发现在沥青中掺入多壁碳纳米管可以提高沥青的车辙因子，Santagat等人发现多壁碳纳米管的掺入到沥青中可以降低沥青的热氧老化的敏感性[2]；许晨通过试验测试制备的CNTs改性沥青，发现较好的改善了高温性能，降低了其温度敏感性，并且粘度有了提升较大[3]；姚红淼等人研究发现，少量的CNTs能显著提高沥青的粘度、高温稳定性以及低温蠕变能力，但在一定程度上会影响施工和易性，温度越高，CNTs随着掺量的增加对沥青性能的影响越明显，国内学者对纳米材料的研究首先表现在对于材料的复合改性、智能化及功能化的关注，并逐步将目光从宏观转入到微观进行研究，纳米材料与技术已成为沥青路面的研究趋势[4]。
2 CNTs改性沥青的制备工艺
CNTs改性沥青有较简单的制备方法，主要有机械搅拌法、高速剪切法和超声波分散法。在此次试验中，纳米改性沥青的制备温度一般保持在180℃左右。首先称取规定质量的基质沥青、SBS改性剂、纳米材料和稳定剂（采用硫磺类稳定剂），再将规定掺量的纳米材料和SBS改性剂在干净烧杯中搅拌均匀，待基质沥青温度达到规定温度后，缓慢将混合后的纳米材料和SBS改性剂加入至基质沥青中，打开剪切机，并调整转速，开始是剪切机转速为3500rad/min，温度保持在180℃，以此状态持续剪切30min；之后加入稳定剂，并将转速降至2500rad/min，试验温度仍为180℃，继续剪切40min。
3 CNTs对改性沥青三大指标的影响
本实验对掺加CNTs碳纳米管之后的改性沥青进行了三大指标的测定，以此来评价纳米材料对改性沥青的影响。该实验以基质沥青作为对照，CNTs碳纳米管采用0%、0.04%、0.08%、0.12%、0.2%的掺量进行试验，数据如表1：
表1 CNTs碳纳米管掺量与三大指标变化关系
从表1中可的，CNTs的掺量是0.2%时，改性沥青的延度值较基质沥青降低，其他掺量时的延度均是增加，只加入SBS改性剂以及加入不同掺量的CNTs后，延度随掺量变化呈渐变趋势，增加效果最明显的出现在掺量0.04%处，效果最差的情况出现在掺量0.2%处；所有的软化点都是升高的，但是在掺量为0.08%处存在一个骤降，原因可能是在配置掺量为0.08%的改性沥青时，试验操作不当或者存在误差所导致；CNTs掺量为0.04%时，改性沥青的针入度值是增加的，其他掺量下的针入度值都是减小的，掺量为0.08%、0.12%以及未添加CNTs碳纳米管时，针入度值减小幅度很小，而掺量为0.2%时的针入度值却发生了骤降。
综上所述，掺加CNTs后，改性沥青的化学组分会有所改变，影响了改性沥青的胶体结构，增加了改性沥青的延度，并且使改性沥青的软化点升高，针入度降低。
4 CNTs改性沥青对粘度的影响
通过对比不同含量的碳纳米管/SBS改性沥青的粘温系数变化图，祝亚奇等提出碳纳米管的掺入可以不同程度的提高沥青粘度，尤其掺量为3%时，对粘度有非常明显的提高效果，粘度反映的是两液体流层之间相对运动的摩擦阻力，粘度的提高可以说碳纳米管/SBS改性沥青具有更好的高温抗车辙性能，温度的对数与粘度的双对数呈现线性关系，其斜率可以表示为粘度对温度变化的响应程度，称作粘度-温度敏感性系数（VTS）[3]。VTS的绝对值逐渐变小表明沥青性能对温度的敏感性减小。
5 CNTs改性沥青对路用性能的影响
针对目前的研究成果，朱浩然等得出CNTs可以有效增强沥青整体的路用性能，陈丽媛在2012年提出利用CNTs制备高黏改性沥青的想法，CNTs掺量为0.8%时，沥青的60℃动力黏度提高了36%，且同时掺加CNTs和SBS所取得的效果要远高于单独添加这两种材料对沥青黏度所增加的效果，掺加少量CNTs作为催化剂，来提高聚合物对沥青的性能改性上限[5]。Santagata等证明了CNTs可以提高沥青的抗温缩开裂和抗车辙能力，能够改善沥青对热老化的敏感度，同时还可以加强沥青胶浆的抗疲劳性能。Al-Adham等发现，CNTs添加量为1.5%的CNTs改性沥青与集料的黏附性优于聚合物改性沥青，而且极大提高了路面对水损害的抵抗能力[5]。
总的来说，CNTs改性沥青的性能要好于基质沥青，但聚合物改性沥青相比，在常规指标上，还有两点不足，一方面为改性后软化点变化幅度不大，另一方面，由于具有不同的改性机理，用现有指标可以很好地评价改性沥青或者基质沥青，但用来评价CNTs改性沥青的一些性能不合适，对聚合物改性沥青来说，CNTs改性沥青的软化点相比于聚合物改性沥青的软化点相差很大，但二者都有较好的高温抗车辙能力[5]。
6 总结
碳纳米管凭借其优异的物理化学特性，使它作为现阶段新型增强材料被应用于各种复合材料的制备之中，其中包括具有较高综合性能的改性沥青材料。本文介绍采用碳纳米管/SBS对石油沥青进行改性，可使其针入度降低，低温延度、软化点提高，其高、低温性能得到一定的改善，性能优于基质沥青和SBS改性沥青。相信在未来技术的不断发展中，会有越来越多的类似于CNTs等纳米产品被应用在人们的生活中。
参考文献：
[1]刘治，陈晓红，宋怀河.碳纳米管及其研究进展[J].化工新型材料，2002（04）：1-4.
[2]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（01）：103-107.
[3]许晨.基于碳纳米管改性沥青的性能与结构研究[J].科技风，2014（12）：41.
[4]姚红淼，龚明辉，杨军.碳纳米管改性沥青路用性能研究[J].石油沥青，2017，31（03）：11-16.
[5]朱浩然，魏建明，龚明辉，姚红淼，杨军.碳纳米管改性沥青研究进展[J].石油学报（石油加工），2017，33（02）：386-394.
论文作者:刘凯
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
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