石墨烯—橡膠復合改性瀝青及其混合料性能評價

■姚孔軍

（福建新路達交通建設監理有限公司，南平 353000）

我國是汽車輪胎的生產和消費大國，隨之而來的是汽車廢舊輪胎數量的迅速增加，它們不僅占用土地資源， 而且輪胎高分子材料自然降解困難，其中還含有一些有毒有害的重金屬成分，容易引起環境污染和健康問題[1]。 現階段廢棄輪胎的處置途徑主要有填埋、燃燒和再利用，前兩種方法無疑會造成自然環境的污染和破壞[2]。 因此，如何有效地回收利用廢舊輪胎，實現“黑色垃圾”變廢為寶，具有重要的實際意義和研究價值。

研究發現，將廢舊輪胎處理成一定粒徑的橡膠顆粒，按照一定比例摻入瀝青中，可有效提高瀝青的技術性能，具有較好的經濟環境效益[3-7]。 然而，目前橡膠改性瀝青還存在一些問題，如容易離析、儲存穩定性較差等[8]。 已有研究表明，石墨烯具有較大的比表面積和層狀結構， 可增加改性劑與瀝青的相容性，促進形成穩定的內部網絡結構，從而保證改性瀝青質量穩定[2]。 可見，摻加石墨烯有望改善橡膠改性瀝青的儲存穩定性，實現良好的工程應用效果。

本研究制備了石墨烯—橡膠復合改性瀝青，對其基本技術指標進行測試，然后將其應用于混合料中，通過車轍試驗、小梁三點彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，評價了復合改性瀝青混合料的路用性能。

1 原材料和方法

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

采用70 號基質瀝青，技術指標見表1。

表1 基質瀝青技術指標

1.1.2 改性劑

采用40 目橡膠粉，橡膠粉技術指標為：篩余物1.6%，灰分0.3%，橡膠烴含量56%，鐵含量0.012%；石墨烯技術指標為堆積密度0.01 g·ml-1，純度為98 wt%，層數1～10，比表面積620 m2·g-1。

1.1.3 集料

集料的技術指標見表2。

表2 集料技術指標

1.2 改性瀝青制備

將70 號基質瀝青加熱至熔融， 使用干凈的玻璃棒攪拌5 min，令其處于良好的流動狀態；依次加入0.05wt.%的石墨烯和20wt.%的橡膠粉，同時使用玻璃棒攪拌20 min，使石墨烯和橡膠粉初步混合在基質瀝青中；進而使用高速剪切機對初步混合后的瀝青樣品進行連續高速剪切， 轉速設置為5 000 r/min，時間設置為60 min，溫度控制在175℃～180℃；再進行30 min 低速攪拌，令橡膠粉充分溶脹發育，最后得到石墨烯—橡膠復合改性瀝青。

同時，制備不含石墨烯的橡膠改性瀝青作為對照組。 為簡化表述，本文中基質瀝青、橡膠改性瀝青、 石墨烯—橡膠復合改性瀝青分別使用B、RB、GRB 表示。

1.3 配合比設計

采用AC-13 型密級配，級配曲線見圖1。 根據馬歇爾設計方法，確定最佳油石比為5.0%。

圖1 AC-13 型級配曲線

1.4 性能測試方法

對瀝青樣品分別進行針入度試驗、 軟化點試驗、延度試驗和離析試驗，分析橡膠粉和石墨烯對瀝青基本指標和儲存穩定性的影響。 對板塊狀瀝青混合料試件進行60°C 車轍試驗， 采用動穩定度評價混合料高溫性能，具體操作方法參見我國現行規范T0719-2011《瀝青混合料車轍試驗》。 將板塊狀瀝青混合料試件切割成小梁試件，進行小梁三點彎曲試驗，評價混合料低溫抗開裂性能，試驗溫度設置為-10°C， 詳細操作過程參見我國現行規范T0715-2011《瀝青混合料彎曲試驗》。對瀝青混合料馬歇爾試件進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，采用浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比，評價混合料抗水損害性能，具體方法參見我國現行規范T0709-2011《瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗》和T0729-2000《瀝青混合料凍融劈裂試驗》。

2 結果與討論

2.1 瀝青技術指標

3 種瀝青樣品技術指標測試結果見表3。 摻加橡膠粉后，瀝青針入度降低，延度、軟化點和軟化點差值增大。 橡膠粉使得瀝青的稠度和柔韌性增加，高溫抗變形能力和低溫延展性增強，但是儲存穩定性變差。 進行復合改性后，針入度繼續降低，軟化點進一步升高，延度有所降低，但是仍高于基質瀝青，而軟化點差值則下降到接近基質瀝青的水平。 可見， 石墨烯增強了瀝青高溫性能和儲存穩定性，但對低溫性能不利。 這是因為在復合改性過程中，石墨烯與溶脹后的橡膠粉相互糾纏，增強了改性瀝青內部網絡結構強度，提高了橡膠粉與瀝青的相容性，故其抗變形能力和儲存性能提高。 然而，石墨烯會吸附瀝青中輕質組分，使得其低溫延展性有所下降。

表3 3 種瀝青樣品技術指標

2.2 高溫抗車轍性能

高溫抗車轍性能試驗的測試結果見圖2。 普通（B 型）瀝青混合料、橡膠改性（RB 型）瀝青混合料和石墨烯—橡膠復合改性（GRB 型）瀝青混合料的車轍深度分別為3.65 mm、1.85 mm 和1.32 mm，動穩定度分別為2 659 次/mm、4 202 次/mm 和4 916 次/mm。相比前2 種瀝青混合料，GRB 型瀝青混合料的動穩定度分別提高了84.9%和17.0%， 有效改善了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。 這是因為石墨烯的層狀結構與橡膠改性瀝青形成良好的交聯作用，降低了瀝青的流動能力，從而提高了其高溫穩定性。

圖2 高溫抗車轍性能試驗結果

2.3 低溫抗開裂性能

小梁三點彎曲試驗結果見圖3。 RB 型和GRB型瀝青混合料破壞應變均大于B 型瀝青混合料，說明改性瀝青混合料低溫性能更好。 相比RB 型瀝青混合料，GRB 型瀝青混合料的抗彎拉強度和勁度模量有所增長， 但是破壞應變卻出現了一定程度下降，不過仍高于2 500 με，滿足我國現行規范的最低要求。 這是因為石墨烯增強了橡膠改性瀝青的網絡結構，提高了瀝青混合料的力學強度，但是會抑制瀝青分子的變形能力，導致其低溫抗開裂性能下降。

圖3 小梁三點彎曲試驗結果

2.4 抗水損害性能

馬歇爾穩定度測試結果見圖4。RB 型瀝青混合料和GRB 型瀝青混合料的穩定度均高于B 型瀝青混合料。 其中，GRB 型瀝青混合料的穩定度增長幅度達到14.3%，說明石墨烯和橡膠粉改性劑的加入使得瀝青混合料力學性能得到明顯提升。

圖4 馬歇爾穩定度測試結果

浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比計算結果見圖5、圖6。 B 型、RB 型和GRB 型瀝青混合料的浸水殘留穩定度分別為87.5%、89.4%、93.1%， 可見摻入改性劑有效提高了瀝青混合料的抗水損害性能，尤其是石墨烯—橡膠復合改性瀝青混合料的提升效果最為顯著。而且，凍融劈裂試驗結果也表現出相似的規律。 這是因為石墨烯在橡膠粉和瀝青之間起到橋接作用， 增強了瀝青自身的粘聚力及與集料的粘附力，從而改善了瀝青混合料對水損害的抵抗能力。

圖5 浸水殘留穩定度計算結果

圖6 凍融劈裂強度比計算結果

3 結論

（1）橡膠粉可提高瀝青高溫抗變形能力和低溫延展性，但是存在離析問題。 通過石墨烯—橡膠復合改性方法可進一步提高瀝青的高溫性能，同時改善瀝青的儲存性能，對低溫性能有一定程度不利影響，但仍優于普通瀝青。 （2）相比普通瀝青混合料和橡膠改性瀝青混合料，石墨烯—橡膠復合改性瀝青混合料動穩定度分別提高了84.9%和17.0%， 高溫抗車轍性能優異。 （3）石墨烯—橡膠復合改性瀝青混合料低溫抗開裂性能優于普通瀝青混合料，但弱于橡膠改性瀝青混合料。 （4）石墨烯在橡膠粉和瀝青之間起到橋接作用，增強了瀝青自身的粘聚力及與集料的粘附力，提高了瀝青混合料對水損害的抵抗能力。