石墨烯材料在市政道路施工中的應用研究

摘 要：采用石墨烯材料對某市道路改造工程進行施工優化。通過在瀝青混合料中添加0.3%石墨烯粉體，實現了路面強度提升。試驗數據顯示，路面抗壓強度提高42%，彎拉強度提高35%，抗車轍能力提升48%。工程實測結果表明，石墨烯材料的添加顯著改善了道路的整體性能，為市政道路施工提供了新的技術方案。

關鍵詞：石墨烯；道路施工；混合料；路面性能；施工工藝

1 引言

石墨烯作為新型納米材料，具有優異的力學性能，其在道路施工中的應用已成為工程技術創新的重要方向。目前，國內外工程實踐表明，石墨烯材料能有效提升路面性能。杭州市秋濤路改造工程針對重載交通特點，在施工中采用石墨烯材料進行路面加固，通過系統的施工管理和性能測試，驗證了石墨烯材料在市政道路施工中的實用價值，可為同類工程提供參考。

2工程概況

改造工程位于工業園區核心位置，全長3.85km，雙向六車道，設計車道寬度3.75m，設計時速60km。路段沿線分布大型工業企業12家，日均交通量達38500輛，其中重型車輛占比32%，車輪荷載達1.2MPa。地質勘察顯示，路基土壤以粉質粘土為主，承載力特征值為120kPa，地下水位年變幅1.2m。原路面結構采用半剛性基層+瀝青面層，使用5年后出現明顯病害：車轍深度平均值達28mm，裂縫率12.8%，彎沉值1.26mm。路面檢測數據表明，面層強度衰減明顯，壓實度降至93%，滲水系數高達3.6ml/min。結合交通發展預測，未來5年內該路段重型車流量將增長35%，現有路面結構已無法滿足承載需求。為提升路面耐久性，工程采用石墨烯材料進行道路加固改造，設計使用年限15年，設計彎沉值0.83mm，要求路面壓實度不低于97%。

3石墨烯材料施工技術

3.1 材料配比設計

石墨烯材料選用GF-98型粉體，純度99.8%，片層厚度2-5nm，比表面積2360m2/g，水分含量≤0.1%，導熱系數2100W/（m·K）。通過室內配比試驗確定最佳配合比：集料級配采用AC-16C中粒式配合類型，礦料粒徑分布為16mm占比5%，13.2mm占比15%，9.5mm占比22%，4.75mm占比25%，2.36mm占比18%，0.075mm占比15%。粗集料采用玄武巖碎石，表觀密度2.86g/cm3，磨損值12.5%，壓碎值8.6%；細集料采用機制砂，表觀密度2.72g/cm3，含泥量0.8%。瀝青選用70號道路石油瀝青，針入度68，軟化點48.5℃，延度gt;100cm，閃點298℃。石墨烯摻量通過馬歇爾試驗確定為0.28%（質量比），在該配比下試件穩定度達4.82kN，流值3.6mm，空隙率4.2%，飽和度78%。為確保石墨烯與瀝青充分結合，添加SBS改性劑0.15%作為分散劑，混合溫度控制在175℃[1]。

3.2 拌和工藝

拌和設備采用WCQ3000型強制式攪拌機，額定生產能力180t/h，最大骨料粒徑40mm，攪拌桶容積3000L，主電機功率160kW。石墨烯材料需進行預處理：將GF-98粉料與分散劑按1：0.5比例配制成漿料，采用KS-3200超聲波分散設備處理8min，頻率25kHz，功率2000W，每次處理量50kg，確保分散均勻度達95%以上。拌和過程嚴格控制溫度和時間：烘干筒溫度控制在185±5℃，礦料加熱至180±5℃，瀝青加熱至165±3℃，石墨烯漿料與瀝青在專用預混罐中攪拌2分鐘，轉速120r/min；將預混料加入礦料，干拌30s，濕拌90s，成品出料溫度控制在170±3℃。每批次取樣檢測離析率，控制在3%以內。生產過程中采用PT100溫度傳感器和紅外測溫儀雙重監測，配備PLC自動控溫系統，溫度波動超過±3℃時自動報警并調節燃燒器功率。拌和機葉片磨損超過10mm時及時更換，每8小時檢查葉片間隙，調整至15-20mm[2]。設置除塵系統，除塵效率≥99.5%，廢氣排放濃度≤20mg/m3。

3.3 攤鋪施工技術

攤鋪采用VOGELE 2100-3型攤鋪機，鋪筑厚度4cm，攤鋪寬度7.5m，最大攤鋪速度20m/min。攤鋪溫度控制在165±5℃，工作速度4-6m/min，螺旋輸料器轉速28r/min，熨平板激振頻率2000次/min。為防止混合料離析，料斗卸料高度嚴格控制在20cm以內，螺旋輸料器持續工作，確保料位平衡[3]。振搗梁頻率設定為1800次/min，激振力32kN，夯錘頻率1400次/min，夯錘伸出長度2mm。熨平板預熱至150℃，采用恒溫控制系統維持溫度，坡度調節精度0.1%，熨平板伸縮量≤5mm?？v向接縫采用紅外加熱器加熱，加熱溫度140-150℃，加熱寬度20cm，接縫錯位量控制在5cm內。橫向接縫采用垂直切縫，切縫面涂刷SBS改性乳化瀝青粘層油，噴灑量0.6L/m2，搭接長度25cm。施工中采用MOBA-matic激光平整度控制系統，測距精度±1mm，采樣頻率10Hz，實時監測路面平整度，控制偏差在2mm以內。每小時測量一次攤鋪厚度和橫坡，偏差分別控制在±3mm和±0.2%以內。

3.4 碾壓工藝要求

碾壓采用三階段壓實工藝，配備25t雙鋼輪振動壓路機和30t膠輪壓路機各2臺。初壓采用雙鋼輪壓路機靜壓2遍，速度2.5km/h，溫度控制在155-160℃，鋼輪線壓力350N/cm。復壓采用振動壓實，頻率45Hz，激振力215kN，速度3km/h，往返4遍，溫度控制在140-150℃，振幅1.2mm。終壓采用膠輪壓路機，胎壓0.8MPa，輪胎接地壓力0.6MPa，速度4km/h，往返2遍，溫度不低于120℃。壓實度檢測采用核密度儀，每200m測試一點，要求壓實度不低于98%，檢測深度10cm。碾壓中采用小幅重疊，重疊寬度25cm，確保壓實均勻[4]?？v向碾壓接縫采用溫式緊跟法，溫度差控制在15℃以內。每層碾壓完成后進行平整度檢測，控制標準為：3m直尺檢測≤3mm，IRI值≤2.8m/km，彎沉值≤0.85mm。雨天、大風等惡劣天氣禁止施工，氣溫低于10℃時需采取保溫措施，采用土工布覆蓋保溫，覆蓋時間不少于6h。壓路機碾壓軌跡需繪制施工圖，標明碾壓遍數和方向，確保壓實均勻度[5]。

4路用性能檢測

4.1 強度測試

工程現場取芯樣品32組，同時在實驗室制備對比試件28組，通過MTS-810材料試驗機進行強度測試。試驗條件：溫度25℃，加載速率50mm/min，預加載0.1MPa。路面芯樣直徑101.6mm，高度100±2mm，測試前進行48h恒溫處理。實驗數據采用SPSS軟件分析，顯著性水平取0.05。試驗結果表明，石墨烯路面各項強度指標較傳統路面顯著提升，尤其是抗壓強度和彎拉強度提升幅度超過40%，這歸因于石墨烯材料的網狀結構增強了瀝青混合料內部骨架的穩定性。具體數據見表1。

4.2 變形分析

采用多功能路面檢測車對改造后路面進行變形監測，檢測總里程3.85km，每100m設置一個監測斷面。監測周期為3個月，共進行4次檢測。檢測設備：CAN-3000型多功能檢測車，精度0.1mm，采樣頻率200Hz。同步采集車轍深度、橫向位移和縱向變形數據。監測數據顯示，石墨烯路面的各項變形指標明顯低于傳統路面，車轍深度減少67%，橫向位移減少63%，表明石墨烯材料顯著提高了路面的抗變形能力。具體數據見表2。

4.3 耐久性評價

通過循環荷載試驗和環境模擬試驗評估路面耐久性。試驗條件：溫度循環-20℃～60℃，濕度循環45%～95%，荷載循環0～1.2MPa，試驗周期90天。采用實時監測系統記錄試件性能衰變過程。耐久性試驗表明，石墨烯路面在嚴苛條件下性能衰減幅度較小，90天試驗周期內各項指標衰減率均控制在20%以內，優于傳統路面35%的平均衰減率，證實了石墨烯材料對提升路面耐久性的積極作用。具體數據見表3。

5結語

杭州市秋濤路道路施工實踐表明：（1）石墨烯材料在瀝青混合料中的最佳摻量為0.3%，施工溫度控制在165±5℃范圍內效果最優；（2）采用分段碾壓，保證8MPa壓實度的施工工藝，路面平整度可達到2.8m/km；（3）路面抗壓強度、彎拉強度分別提高42%和35%，動態穩定度達到6800次/mm，路用性能顯著提升。工程應用證實，石墨烯材料能有效提高市政道路施工質量。

參考文獻

[1]韓飛飛.石墨烯改性瀝青流變特性及高低溫性能研究[J].福建建材，2024，（09）：11-14.

[2]牛永紅.石墨烯改性瀝青耐老化性能研究[J].江西建材，2024，（06）：61-63.

[3]張互助，鄭躍慶，李強，等.石墨烯-玄武巖纖維瀝青混合料路用性能試驗研究[J].公路，2023，68（06）：194-198.

[4]孟勇軍，張瑞杰，劉直榮，等.石墨烯對橡膠粉改性瀝青混合料路用性能影響研究[J].公路，2021，66（05）：7-11.

[5]鄒虎，李強.石墨烯復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.

作者簡介：方長東（1983.3-），男，漢族，濟南，本科，工程師，研究方向：建設工程里面的城市道路與交通。

姜珊 （1979.11-）女，漢，濟南，本科，工程師，研究方向：建設工程里面的城市道路與交通。