石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青路面性能研究

雷潤(rùn)祥，王永吉，張富奎

(1.甘肅省公路事業(yè)發(fā)展中心，蘭州 730030；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730030； 3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730030)

0 引 言

公路瀝青路面具有工程造價(jià)低、行車舒適、低噪音等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于道路工程中，影響瀝青路面使用功能和壽命的因素較多，如交通量、環(huán)境因素及所使用的材料等[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量隨之不斷增加，且出現(xiàn)渠道化交通趨勢(shì)，傳統(tǒng)的改性瀝青路面由于高、低溫性能的不足經(jīng)常出現(xiàn)龜裂、車轍、變形及開裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用壽命和維護(hù)成本，這已成為當(dāng)前我國(guó)交通領(lǐng)域面臨的重要難題之一[3-5]。目前，公路工程中使用的最普遍的瀝青改性劑為SBS，其在國(guó)內(nèi)外使用已有超過(guò)20年的歷史，且在我國(guó)的市場(chǎng)占有率達(dá)到95%[6]，但根據(jù)調(diào)查，由于SBS改性瀝青的改性方式較為單一，瀝青路面性能沒(méi)有得到很好的改善，難以滿足瀝青路面的路用性能要求[7]。近年來(lái)，石墨烯材料憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能，作為添加材料逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。石墨烯材料主要應(yīng)用于功能涂層和高模量復(fù)合材料等方面[8-12]，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員將改性的石墨烯加入到聚氨酯涂層中，發(fā)現(xiàn)0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的添加量就能得到導(dǎo)電聚氨酯涂層，3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的添加量可將抗拉強(qiáng)度提升10倍。石墨烯在道路材料中的應(yīng)用研究較少，學(xué)者們主要研究在瀝青材料中添加石墨烯材料。2018年5月31日，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青在廣西南寧大橋成功鋪筑試驗(yàn)段，這是石墨烯首次應(yīng)用到瀝青混合料中。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青在甘肅地區(qū)的使用還沒(méi)有研究成果。本文基于甘肅柳敦公路，主要研究了在瀝青中摻入適量石墨烯材料，并與傳統(tǒng)的SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)段的鋪筑情況對(duì)瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比研究，為后期的工程使用提供數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

1 工程概況

柳敦煌公路試驗(yàn)段位于甘肅省酒泉市瓜州縣及敦煌市境內(nèi)，地處河西走廊內(nèi)陸，氣候干燥，降雨量小、蒸發(fā)量大，多風(fēng)沙，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫日差較大，春季空氣干燥、大風(fēng)偏多，夏季炎熱短促，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長(zhǎng)，屬典型中溫帶大陸性荒漠氣候。綜合甘肅省內(nèi)氣候、地質(zhì)及地形等特點(diǎn)，根據(jù)甘肅省公路一級(jí)自然區(qū)劃分屬于河西荒漠大區(qū)，地勢(shì)平坦，綠洲、沙漠、戈壁相間分布，土地類型以砂性土和砂質(zhì)土為主，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，晝夜溫差大，降水稀少，風(fēng)沙大、沙塵暴等惡劣天氣多，年極端最高氣溫34～45 ℃，極端最低氣溫-29 ℃。研究段內(nèi)路面設(shè)計(jì)以提高道路高溫抗車轍、低溫抗開裂及充分考慮投資情況為重點(diǎn)，路面上面層結(jié)構(gòu)為4 cm厚石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青SMA-13瀝青混合料。

2 材料性能及級(jí)配曲線

2.1 集 料

集料采用瓜州盛騰石料廠生產(chǎn)的碎石，其主要性能經(jīng)檢測(cè)均滿足甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》DB62/T 3136—2017和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004中高速公路瀝青混合料用集料質(zhì)量的要求，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 集料檢測(cè)結(jié)果Table 1 Aggregate test results

2.2 礦 粉

所用礦粉為敦煌榮興建材有限公司生產(chǎn)的礦粉，其主要性能指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004中對(duì)高速公路瀝青混合料用礦粉質(zhì)量的相應(yīng)要求，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 礦粉檢測(cè)結(jié)果Table 2 Aggregate test results

2.3 膠結(jié)劑

所用膠結(jié)劑為甘肅公航旅石墨烯科技發(fā)展有限責(zé)任公司天水分公司生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青(GRA)。

2.4 級(jí)配曲線

根據(jù)集料的篩分結(jié)果首先選擇了三種級(jí)配，然后根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況選擇油石比，采用馬歇爾擊實(shí)儀成型試件進(jìn)行試驗(yàn)，得出試件的體積指標(biāo)。根據(jù)體積指標(biāo)及穩(wěn)定度初選一組滿足或接近設(shè)計(jì)要求的級(jí)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配，瀝青混合料級(jí)配如表3所示。

表3 瀝青混合料級(jí)配類型Table 3 Gradation type of asphalt mixture

分別測(cè)定三種級(jí)配的粗集料骨架間隙率(VCADRC)，初試油石比按6.1%雙面各擊實(shí)75次制作試件，測(cè)定粗集料骨架間隙率最小值(VCAmix)及礦料間隙率(VMA)等指標(biāo)，在滿足VCAmix不大于VCADRC和VMA不小于17.0%等條件的基礎(chǔ)上確定級(jí)配，試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 VCADRC測(cè)試結(jié)果Table 4 VCADRC test results

表5 初試級(jí)配的體積分析Table 5 Volume analysis of primary gradation

可以看出級(jí)配1礦料間隙率不滿足要求，級(jí)配2各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，級(jí)配3瀝青飽和度不滿足要求，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)選擇級(jí)配2為設(shè)計(jì)級(jí)配。

3 瀝青結(jié)果與分析

選擇GRA、橡膠SBS改性瀝青(試驗(yàn)室自制)、成品SBS改性瀝青為研究對(duì)象，進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)、多應(yīng)力重復(fù)蠕變(multiple stress creep and recovery，MSCR)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer，DSR)試驗(yàn)。

3.1 常規(guī)性能指標(biāo)

常規(guī)試驗(yàn)包括針入度、延度、軟化點(diǎn)、密度、135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、25 ℃彈性恢復(fù)以及旋轉(zhuǎn)薄膜加熱短期老化后的質(zhì)量變化比、殘留針入度比和殘留延度等，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table 6 Asphalt test results

GRA的針入度結(jié)果與橡膠SBS改性瀝青持平，相比SBS改性瀝青降低了12.7%。GRA相比較于SBS改性瀝青其硬度增大，抗變形能力顯著增強(qiáng)，但硬度與橡膠SBS改性瀝青相當(dāng)。其軟化點(diǎn)比橡膠SBS改性瀝青增加了14.1%，相比SBS改性瀝青持平；其高溫穩(wěn)定性及其高溫抗變形能力與SBS改性瀝青相當(dāng)，優(yōu)于橡膠SBS瀝青；其彈性恢復(fù)較橡膠SBS改性瀝青增加了6.5%，較SBS改性瀝青降低了2.5%，抵抗變形后恢復(fù)的能力較橡膠SBS改性瀝青有所增加；GRA抵抗短期老化的性能明顯優(yōu)于SBS改性瀝青和橡膠SBS改性瀝青。

3.2 MSCR

MSCR的評(píng)價(jià)指標(biāo)為作用力分別為0.1 kPa、3.2 kPa下的不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃縅nr-0.1 kPa、Jnr-3.2 kPa及不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃孔兓蔎nr-diff，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 GRA的MSCR試驗(yàn)結(jié)果Table 7 MSCR test results of GRA

SBS改性瀝青64 ℃下的Jnr-3.2 kPa為0.61，屬于較重荷載范疇，不滿足超重荷載要求。GRA和橡膠SBS改性瀝青的64 ℃下的Jnr-3.2 kPa分別為SBS改性瀝青的0.15倍和0.26倍，且均小于0.5，屬于超重荷載標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明GRA對(duì)于超重載交通的適應(yīng)能力相比SBS改性瀝青更優(yōu)異。GRA 64 ℃下的Jnr-diff分別比橡膠SBS復(fù)合改性瀝青和SBS改性瀝青小0.17和0.10，說(shuō)明前者相比后兩者對(duì)于應(yīng)力水平的增加敏感度更低。70 ℃下Jnr-3.2 kPa的變化規(guī)律與64 ℃下的一致。

3.3 DSR

G*/sinδ為抗車轍因子，用來(lái)表征瀝青膠結(jié)料抵抗高溫下永久變形的能力。為了研究SBS改性瀝青、橡膠SBS復(fù)合改性瀝青、GRA的高溫性能，在52～82 ℃范圍內(nèi)，每6 ℃取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 三種改性瀝青的車轍因子和相位角隨溫度的變化曲線Fig.1 Change curves of rutting factor and phase angle of three modified asphalts with temperature

橡膠SBS復(fù)合改性瀝青的抗車轍能力最好，GRA次之，SBS改性瀝青最差。相位角的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GRA的相位角隨溫度的變化不明顯，基本維持在50°左右，相比SBS改性瀝青表現(xiàn)為更多彈性，而橡膠SBS復(fù)合改性瀝青的相位角隨溫度的變化表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，說(shuō)明其相比其他兩種改性瀝青，溫度敏感性更大。

4 試驗(yàn)段室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)采集GRA及瀝青混合料試樣，并進(jìn)行室內(nèi)體積指標(biāo)和路用性能試驗(yàn)。

4.1 瀝青混合料體積指標(biāo)

在瀝青路面面層施工前，為檢驗(yàn)拌和站所生產(chǎn)瀝青混合料質(zhì)量，從施工現(xiàn)場(chǎng)取樣并送至室內(nèi)試驗(yàn)室進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)瀝青混合料的體積指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 瀝青混合料體積指標(biāo)Table 8 Volume index of asphalt mixture

從體積指標(biāo)可以看出，GRA的空隙率、穩(wěn)定度略小于SBS改性瀝青混合料，其他指標(biāo)基本一致。

4.2 瀝青混合料路用性能

(1)水穩(wěn)定性能

根據(jù)設(shè)計(jì)油石比及級(jí)配進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)以檢驗(yàn)GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test results of immersion Marshall stability

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比(MSO)分別為92.4%和91.05%，GRA混合料具有更好的水穩(wěn)定性能，抵抗水損害性能高于SBS改性瀝青混合料類型。

(2)高溫穩(wěn)定性能

在(60.0±0.5) ℃、(0.7±0.05) MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，不同類瀝青混合料分別制作3個(gè)車轍試件，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Rutting test results

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值分別為8 883次/mm和7 159次/mm，表明GRA混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性能，在同等使用條件下抗車轍性能更強(qiáng)。

(3)低溫抗裂性試驗(yàn)

對(duì)GRA和SBS改性瀝青混合料進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，以分析GRA混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Beam bending test results

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變?yōu)? 869.4 με和2 955.5 με，SBS改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及勁度模量值均較小，表明GRA混合料具有較好的低溫抗裂性能。

5 試驗(yàn)段指標(biāo)分析

對(duì)石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)壓實(shí)度、滲水、構(gòu)造深度及15 ℃劈裂強(qiáng)度。

(1)壓實(shí)度檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

表12 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果Table 12 Compaction test results

(2)滲水檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 滲水檢測(cè)結(jié)果Table 13 Water seepage test results

(3)構(gòu)造深度檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表14 構(gòu)造深度檢測(cè)結(jié)果Table 14 Construct depth inspection results

(4)芯樣劈裂強(qiáng)度檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表15所示。

表15 芯樣劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 15 Core sample split strength test results

試驗(yàn)結(jié)果表明,在同等壓實(shí)功下，GRA的壓實(shí)度為96.4%大于SBS改性瀝青的壓實(shí)度，表明該瀝青混合料在施工過(guò)程中更易于壓實(shí)，路面整體的壓實(shí)度較高。鋪筑后GRA路面基本不滲，SBS改性瀝青路面滲水系數(shù)4.25 mL/min，路面芯樣劈裂強(qiáng)度是SBS改性瀝青的1.08倍，構(gòu)造深度較SBS改性瀝青降低0.31，從另一方面又驗(yàn)證了GRA路面較為密實(shí)，滲水較小、強(qiáng)度較高，與SBS改性瀝青相比構(gòu)造深度有所降低。

6 結(jié) 論

(1)GRA與SBS改性瀝青相比，針入度降低了12.7%，軟化點(diǎn)、高溫穩(wěn)定性及其高溫抗變形能力相當(dāng)，抗應(yīng)力變形能力及應(yīng)力敏感性有所提升；GRA與橡膠SBS改性瀝青相比，軟化點(diǎn)增加了14.1%，彈性恢復(fù)增加了6.5%，針入度相當(dāng)，高溫穩(wěn)定性及其高溫抗變形能力有所提升。

(2)通過(guò)水穩(wěn)定性試驗(yàn)、高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果表明，GRA混合料較SBS改性瀝青混合料表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性能、高溫性能和低溫性能。

(3)與SBS改性瀝青混合料相比GRA混合料更易于壓實(shí)，瀝青路面較為密實(shí)，滲水較小、強(qiáng)度較高，但構(gòu)造深度有所降低。