溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青及混合料路用性能研究

后樂田，蔡乾東，馬靖龍，左 強，邊瑞鵬

（1.甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2.陜西東道特種路面科技有限公司，陜西 西安 712000；3.甘肅格瑞工程檢測有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

近年來，通過將兩種及兩種以上的改性劑進行復配，采用專用設備工廠化生產的新型復合改性瀝青已成為行業熱點，復合改性技術可以使瀝青及瀝青混合料的各項性能得到全面的改善[1-2]。大量研究表明：將廢胎橡膠粉與SBS改性劑進行復合，可以發揮兩種改性材料的各自優勢，制備的復合改性瀝青性能優良、經濟環保，顯著提高瀝青混合料高低溫性能、抗疲勞及耐久性[3]。石墨烯（Graphene）是一種具有優異的高強度、超薄、高韌性、導熱及超高比表面積特征的納米材料，廣西自治區、甘肅等地先后將石墨烯作為一種新興添加劑用于生產橡膠復合改性瀝青，并在不同地區高等級公路瀝青路面工程應用中取得了良好路用效果[4-5]。工程實踐表明：石墨烯復合橡膠改性瀝青是由石墨烯、廢胎膠粉、SBS改性劑按一定比例與基質瀝青混合，并輔以相關助劑及穩定劑，經工廠加工生產的新型復合改性瀝青[6-7]，有效地改善了瀝青內聚力、高溫抗變形、低溫韌性及抗裂性、變形恢復、抗老化及抗疲勞等性能[8-9]；與傳統橡膠改性瀝青相比，石墨烯復合橡膠改性瀝青的黏度、施工和易性略有改善；與傳統SBS改性瀝青相比，在大風大溫差工況環境下，施工過程中仍出現黏度大、溫度高、降溫快，有效碾壓時間短等實際問題。

眾所周知，瀝青混合料路用性能、施工性能與工況及運行環境特征息息相關。石墨烯橡膠復合改性瀝青混合料是一種溫度敏感性熱拌材料，因其黏度大、施工溫度高，拌和、運輸、攤鋪、壓實等各環節的溫度控制更加至關重要[10]。本文依托的G312線七墩至瓜州公路工程，在國內尚屬首次大面積采用石墨烯復合橡膠改性瀝青技術。項目位于河西走廊西端的瓜州境內，素有“世界風庫”和“一年一場風，從春刮到冬”之稱，最大風力12級，年均風力3級～4級，日均風速大于3.5 m/s、風大沙多；瓜州屬大陸性干旱氣候，降雨稀少、夏季炎熱、冬季寒冷、日均晝夜溫差為15～20℃，具有典型大風大溫差工況環境特征。通常，風速越大、瀝青混合料熱能傳遞及降溫速率就越大，施工和易性就越差，導致路面空隙率、壓實度及平整度不易控制[11]；傳統采用分時段提高拌和溫度的方法不利于施工現場組織管理，如果拌和溫度過高，極易導致集料表面的瀝青膜出現早期老化現象，從而降低瀝青混合料路用性能與使用壽命。

大量研究表明，采用溫拌技術能夠有效彌補橡膠改性瀝青施工溫度過高的缺點，不僅可以改善瀝青黏度、降低拌和及碾壓溫度，而且還可以節約加熱能耗、減少污染排放、改善路面施工環境，同時極大地促進廢舊輪胎高效循環利用，是目前國際上公認的一項雙重節能減排與環保施工技術[12]。綜上所述，為解決橡膠復合改性瀝青面臨的實際施工問題，保障河西地區大風大溫差工況環境下瀝青路面施工質量，開展溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青及混合料路用性能研究具有積極現實意義。

1 原材料及配合比設計

1.1 礦料

粗集料采用瓜州柳園石料廠生產的輝綠巖碎石，試驗結果如表1所示；細集料采用機制砂，砂當量為55%；填料由石灰巖碎石研磨的礦粉，親水系數為0.8；粗、細集料及礦粉其他指標經檢測均符合技術要求。

表1 粗集料試驗結果Tab.1 Coarse aggregate test results

1.2 溫拌瀝青制備與試驗

石墨烯復合橡膠改性瀝青由90號A級道路石油瀝青、40目橡膠粉（15%～18%）、SBS改性劑（2.5%～3.0%）、石墨烯（0.1‰～0.15‰）、穩定劑及分散液等材料組成，采用工廠化二級研磨剪切工藝生產的新型成品復合改性瀝青，如圖1所示。石墨烯復合橡膠改性瀝青的改性機理可歸為高分子材料共混改性，橡膠粉交聯網絡結構、SBS改性劑物理交聯網絡結構及三維立體構造石墨烯網狀結構相互作用，石墨烯的界面增強、分散及橋接作用，在復合改性體系形成新的立體復合網絡結構，使瀝青的改性效果及路用性能得到全面提高。

圖1 石墨烯復合橡膠改性瀝青Fig.1 Graphene composite rubber modified asphalt

選用自主研發的DWMA-S（AR專用）溫拌劑，其為墨綠色液體，密度0.95 g/cm3，由植物烴烷基有機材料與高分子表面活性劑復配而成，通過臨時降低瀝青分子與橡膠粉、SBS交聯網絡的表面自由能及黏度而達到溫拌效果。室內制備溫拌瀝青時，先將石墨烯復合橡膠改性瀝青加熱至165～170℃，再將一定摻量（瀝青質量的0.5%）的溫拌劑緩慢添加至熱熔瀝青中，添加時用玻璃棒勻速攪拌3～5 min，如圖2所示。攪拌均勻后，將溫拌瀝青放入160～165℃的烘箱恒溫30 min，再將溫拌瀝青取出并快速攪拌后進行澆模制件。石墨烯復合橡膠改性瀝青及溫拌瀝青試驗結果如表3所示，相關指標均滿足技術要求。

表3 不同類型石墨烯復合橡膠改性瀝青試驗結果Tab.3 Test results of different types of graphene composite rubber modified asphalt

由表3可以看出：與常規石墨烯復合橡膠改性瀝青相比，添加0.5%溫拌劑后，175 ℃運動黏度降低18.1%，這主要是因為溫拌劑改善了膠粉在復合體系中的脫硫、分散效果，在植物烴烷基組分、增塑及表面活性劑等綜合作用下，降低了復合改性交聯網絡結構的表面自由能，使其呈現出降黏特征；溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青25 ℃彈性恢復比常規瀝青提高3.2%，老化前后5 ℃低溫延度分別提高36.1%、10.8%，可以看出，溫拌劑可以大幅改善復合改性瀝青的低溫韌性及抗裂性能；石墨烯復合橡膠改性瀝青添加溫拌劑后，恒溫30 min后軟化點下降3.41%，恒溫6 h后軟化點反而恢復至99.4%，這與溫拌劑中增塑組分使瀝青變軟有關，當溫拌劑固化組分化學反應充分結束后，瀝青軟化點逐漸恢復原狀，其影響可以忽略不計。

1.3 半間斷型礦料級配設計

我國常用熱拌瀝青混合料按礦料級配組成可分為連續級配、間斷級配和開級配。傳統連續級配瀝青混合料的空隙率較小，不足以為膠粉溶脹提供空間；間斷級配中粗集料顆粒之間既能形成嵌擠骨架結構，又能預留較大空隙被膠粉顆粒填充，瀝青混合料表現出良好的高低溫性能[13]。美國亞利桑那州的橡膠瀝青混合料推薦采用半間斷級配，級配中粗集料偏多、細集料偏少。馬峰等[14]進行了不同級配復合改性瀝青混合料的路用性能研究，結果表明采用半間斷級配復合改性瀝青混合料的抗車轍能力均優于間斷級配和連續級配，動穩定度約為間斷級配的1.5倍，可見級配對復合改性瀝青混合料的抗車轍能力有著重要影響。

石墨烯復合橡膠改性瀝青是經過研磨剪切后的“濕法”工藝，橡膠粉與瀝青中的輕質組分容易相互吸附，溶脹后的膠粉顆粒體積可增大2倍以上，礦料級配設計時不能忽略膠粉溶脹的影響[15]。Superpave-13屬骨架密實型的連續級配，為充分發揮石墨烯復合橡膠改性瀝青與Superpave-13結構的組合優勢，Superpave-13采用半間斷型礦料級配設計理念：一是適當增加粗集料含量，使粗集料之間形成骨架嵌擠（粗集料骨架間隙率VCAmix≤粗集料骨架的松裝間隙率VCADRC）結構；二是細集料2.36～4.75 mm形成間斷，4.75～9.5 mm介于連續級配與間斷級配之間形成半間斷（4.75 mm通過率30%～38%）；三是使粗細集料之間形成填充而不干涉，瀝青膠漿有效填充與增加瀝青膜厚度，保證一定的空隙率及膠粉顆粒溶脹空間，且不易產生水損、凍脹損壞，使瀝青混合料體積指標及路用性能達到平衡狀態。

綜上，通過對初試三種合成級配及體積指標的比選，最終選定及優化的半間斷型Superpave-13礦料合成級配如表4所示，最佳油石比為5.1%，瀝青混合料檢驗結果如表5所示。

表4 半間斷型Superpave-13礦料合成級配Tab.4 Semi gap-graded Superpave-13 aggregate composite grading

表5 半間斷型Superpave-13體積指標與馬歇爾試驗結果Tab.5 Semi gap-graded Superpave-13 volume index and Marshall test results

2 施工溫度的確定

2.1 常規施工溫度

通常情況下，SBS與橡膠粉復合改性瀝青混合料生產時，石料加熱溫度為185～195 ℃，瀝青加熱溫度為175～180 ℃，出料溫度為175～185 ℃，初壓溫度不低于170 ℃，復壓溫度不低于160 ℃。在石墨烯復合橡膠改性瀝青體系中，分散均勻的石墨烯能夠起到插層及潤滑作用，使流體狀態下膠粉顆粒之間的摩擦力降低，和易性變好[16]。曹青霞等[17]對石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料壓實特性進行了研究，試驗結果表明：160 ℃壓實溫度可以滿足壓實要求，170 ℃壓實溫度下，石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料更易于壓實，且壓實后瀝青混合料的穩定性更好。在進行半間斷型石墨烯復合橡膠改性瀝青Superpave-13初始級配篩選與體積指標對比試驗時，室內160～165 ℃成型制件，在此溫度下瀝青混合料相關指標均滿足要求。

2.2 目標空隙率法

目前，國內外溫拌劑產品種類繁多、質量參差不齊，但大多都是通過改變黏度達到降低施工溫度的目的。石墨烯復合橡膠改性瀝青的黏度與橡膠粉的目數、摻量、溫度及存儲時間等因素有關，溫度過高、存儲時間過長或到場瀝青出現離析時，都有可能導致瀝青黏度或其他指標出現衰變[18]。我國現行瀝青路面規范中，黏溫曲線是確定熱拌瀝青混合料溫度參數的重要方法，該方法用于普通基質瀝青結合料比較準確，對于新型表面活性或油溶性溫拌橡膠復合改性瀝青來說，由于溫拌劑組分復雜及降黏機理差異性大，加之橡膠復合改性瀝青自身存在離析、黏度不穩定性等影響，采用黏溫曲線法確定的施工溫度參數往往偏高、波動性大，實際施工時不可取[19]，無法真實地反映溫拌瀝青混合料的施工特性。

眾所周知，溫拌劑可以改善瀝青混合料的壓實效果，空隙率則是評價壓實質量的重要指標。有關研究表明，在保證原有瀝青混合料路用性能的基礎上，采用目標空隙率法確定的施工溫度參數，更有利于指導溫拌施工?；诖?，選定半間斷型Superpave-13的目標空隙率為4%，采用旋轉壓實成型法（N初始=8次，N設計=100次，N最大=160次）制備試件，測定的不同溫拌劑摻量、不同成型溫度下空隙率變化如圖3所示。

圖3 不同溫拌劑摻量、不同成型溫度下空隙率試驗結果Fig.3 Test results of air voids under different volume of warm additive and different compaction temperature

由圖3可以看出，添加DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料成型溫度越高，空隙率則越??；相同成型溫度下，隨著溫拌劑的摻量變大，空隙率出現了大幅減小，表明添加溫拌劑的瀝青混合料更易于壓實。當溫拌劑摻量為0.3%時，低于150℃成型溫度的空隙率不滿足設計要求，瀝青混合料的降溫幅度及和易性改善效果不明顯；摻量為0.7%時，130℃成型溫度的空隙率接近4%，150℃成型溫度的空隙率則小于3%，空隙率過于偏低，不利于膠粉顆粒溶脹；摻量為0.5%時，140℃成型溫度的空隙率最接近4%，考慮到河西地區大風大溫差環境對瀝青混合料降溫速率的影響，溫拌劑摻量為0.5%、成型溫度為140～145 ℃時比較符合工程實際，同時材料的綜合成本控制也較為經濟合理。

2.3 物理-力學指標檢驗

溫拌技術用于改善熱拌瀝青混合料的施工溫度條件、施工和易性，但其使用原則是必須保證溫拌瀝青混合料路用性能滿足要求。為檢驗溫拌瀝青混合料與常溫混合料指標變化情況，相同配合比、不同成型溫度條件下，半間斷型石墨烯復合橡膠改性瀝青Superpave-13物理-力學指標如表6所示。

表6 不同成型溫度下瀝青混合料物理-力學指標Tab.6 Physical-mechanical indexes of asphalt mixture at different compaction temperatures

由表6可以看出，添加0.5%溫拌劑后，溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料在140～145 ℃的成型溫度下，與常規瀝青混合料160～165 ℃成型的物理-力學指標基本相當。這也表明，添加0.5%DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，施工溫度降低20℃時，石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料物理-力學指標滿足技術要求。

3 路用性能評價

3.1 高溫性能

河西地區夏季氣溫高、日照時間長，對瀝青路面的抗變形能力提出了更高的要求，預防車轍是提升該地區瀝青路面工程質量與服務品質的首要任務[20]。采用動穩定度指標檢驗不同瀝青混合料的高溫抗車轍能力，常規混合料車轍板制件溫度為160～165 ℃，溫拌制件溫度為140～145 ℃，60℃±0.5℃、輪壓0.7MPa±0.05MPa條件下，動穩定度試驗結果如圖4所示?？梢钥闯?，半間斷型石墨烯復合橡膠改性瀝青Superpave-13表現出了優越的抗車轍能力，由于橡膠粉溶脹后以微?；蚪z狀隨機分布在瀝青相中，膠粉釋放出的橡膠烴分子鏈嵌入到SBS溶脹后的網絡中，SBS與膠粉重建的交聯網狀起到結構支撐與加筋作用，石墨烯材料力學性能優勢得以發揮，使瀝青混合料抗車轍性能得到顯著提高。添加0.5%溫拌劑后，瀝青混合料動穩定度略有降低，這與溫拌劑對復合改性瀝青軟化點影響規律一致，隨著時間的延長，當溫拌劑輕質組分揮發及固化還原后，基本能夠恢復瀝青混合料的抗車轍能力。

圖4 瀝青混合料動穩定度試驗結果Fig.4 Dynamic stability test results of asphalt mixture

3.2 低溫性能

河西地區大風大溫差工況環境與冬季寒冷氣候特征，往往使得半剛性基層瀝青路面在施工及使用過程中極易出現干縮、溫縮及凍脹等引起的裂縫，可提升瀝青混合料自身抗裂能力，從而抑制及延緩半剛性基層反射裂縫的擴展速度[21]。采用小梁低溫彎曲試驗檢驗低溫抗裂性能，-10℃、加載速率50 mm/min條件下，半間斷型石墨烯復合橡膠改性瀝青Superpave-13最大破壞應變試驗結果如圖5所示?？梢钥闯?，由于石墨烯導熱率高、熱量傳遞快，從而降低瀝青路面結構內部因溫差引起的溫度應力，同時膠粉顆粒能夠吸收和消耗大量斷裂應力，從而增強了瀝青路面低溫抗開裂的能力。與常規混合料相比，溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料低溫彎曲破壞應變提高7.2%，這與溫拌劑提高復合改性瀝青低溫延度有直接關系。

圖5 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Fig.5 Low temperature bending test results of asphalt mixture

3.3 水穩定性

石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料的殘留穩定度、凍融劈裂試驗結果如圖6、圖7所示?？梢钥闯?，添加溫拌劑后瀝青混合料的殘留穩定度略有降低，這與溫拌劑中輕質組分揮發不充分有關；凍融劈裂強度比反而略有提升，這與溫拌劑能夠改善低溫抗裂性能有關，總體上仍表現出良好的抗水損壞能力。

圖6 瀝青混合料殘留穩定度試驗結果Fig.6 Residual stability test results of asphalt mixture

圖7 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Fig.7 Freeze-thaw splitting test results of asphalt mixture

4 結論

（1）石墨烯復合橡膠改性瀝青與半間斷型Superpave-13結構組合優勢明顯，不僅兼顧了復合改性體系中橡膠粉顆粒的溶脹空間問題，而且提高了瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂能力及水穩定性，這對提升河西地區大風大溫差工況環境下瀝青路面工程質量與耐久性具有現實意義。

（2）添加0.5%DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，石墨烯復合橡膠改性瀝青175℃運動黏度降低18.1%，25℃彈性恢復提高3.2%，老化前后5℃低溫延度分別提高36.1%、10.8%；恒溫30 min后軟化點下降3.41%，恒溫6 h后軟化點恢復至99.4%，隨著恒溫時間的延長，可以忽略不計。

（3）溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青在140～145 ℃成型溫度下，與常規瀝青混合料在160～165 ℃成型的馬歇爾物理-力學指標基本相當；采用DWMA-S（AR專用）溫拌劑可降低施工溫度20℃，不僅能改善河西地區大風大溫差環境下施工條件，而且節約加熱能耗，減少污染排放，具有雙重節能減排與環保效益。

（4）溫拌石墨烯復合橡膠改性瀝青混合料與常規混合料相比，動穩定度及水穩定性略有降低，低溫彎曲破壞應變提高7.2%，這與溫拌劑對復合改性瀝青指標影響規律基本一致。