氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料路用性能研究

魯云崗

(湖南省高速公路集團有限公司，湖南 長沙 410003)

0 引言

膠粉改性瀝青作為改性瀝青中較為常見的一種，具有良好的黏結特性和優異的路用性能，同時有著較好的經濟和環保效益，一直是行業內關注的熱點[1-2]。大量研究發現：在膠粉改性瀝青中的膠粉顆粒會與瀝青發生溶脹反應，溶脹后的橡膠顆粒間會生成黏度較高的半固態連續相體系，同時瀝青的膠體結構逐漸向溶凝膠型結構轉變，從而改善基質瀝青的高溫穩定性和耐久性[3-5]；在膠粉改性瀝青中添加少量SBS也可有效改善其高低溫和抗老化性能，對膠粉改性瀝青性能有進一步的提升[6]。但膠粉改性瀝青在黏度、儲存穩定性和施工和易性等方面依然存在不足，如何提高膠粉改性瀝青在不同環境下使用的綜合性能成為亟需解決的問題[7]。

隨著對納米材料的深入研究，發現瀝青材料中融入納米材料，可對瀝青材料的高溫穩定性、短期抗老化性等各種性能加以改善，從而使其具備更好的路用性能[8]。氧化石墨烯是石墨粉經化學氧化后剝離而得的產物，其結構與石墨烯的二維結構相似，表面含有活性含氧官能團和吸附分子，與SBS共同作用于改性瀝青時，二維納米片層結構氧化石墨烯會貫穿于微米尺度的鏈狀SBS中，形成致密穩定的空間結構，內嵌于瀝青體系中，保證改性瀝青具備優異的力學性能、儲存穩定性、抗老化性能[9-11]。劉克非等[12-14]發現不同摻量氧化石墨烯對瀝青混合料的施工和易性、黏附性和穩定性具有不同程度的改善，并在此基礎上確定了氧化石墨烯的最佳摻量；趙艷等[15]通過表面能理論對氧化石墨烯在瀝青中的分散狀態進行研究，發現氧化石墨烯可有效提高瀝青的黏附性，對拉伸強度、抗熱氧老化和彈性恢復能力都有一定改善。

本文將結合各種改性手段和改性材料的特點，充分發揮納米材料的結構優勢和膠粉經濟環保的特點，通過添加少量氧化石墨烯對膠粉改性瀝青進行復合改性，對其復合改性瀝青的基本技術指標及混合料的路用性能進行對比分析。

1 瀝青制備與試驗

通過高速剪切法使氧化石墨烯與膠粉改性瀝青達到物理共混的狀態，其制備流程如圖1所示。

圖1 氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青制備工藝流程

本文氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青是由成品膠粉改性瀝青添加氧化石墨烯復合改性制備而來，根據初始試驗，再結合相關參考文獻[8]、文獻[11]，當氧化石墨烯摻量為0.3%時，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青具有較好的綜合性能，其中成品膠粉改性瀝青是通過添加20%膠粉和1%的SBS制作而成。

表1為3種改性瀝青試驗結果。由表1可知：①氧化石墨烯的加入對膠粉改性瀝青的針入度影響不大，且低于SBS改性瀝青。②氧化石墨烯的加入使膠粉改性瀝青的延度提升47%左右，其延度值也高于SBS改性瀝青。這表明其抗拉強度有很大的提升，這是由于均質分散的氧化石墨烯被吸附于橡膠顆粒表面，作為一種物理交聯點分布在橡膠與瀝青之間，促進兩者之間的結合，從而改善橡膠改性瀝青的穩定性[16]。③對于軟化點，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青較膠粉改性瀝青增加了5%，與SBS改性瀝青相差較小，說明氧化石墨烯的加入使膠粉改性瀝青的高溫性能得到進一步改善。④對于彈性恢復，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青較膠粉改性瀝青提高了11%，與SBS改性瀝青基本一致。⑤在短期老化試驗中，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青的抗老化性能表現同樣優于膠粉改性瀝青，這是因為比表面積較大的氧化石墨烯分子阻隔了氧氣，減緩其老化過程[17]。

表1 3種改性瀝青試驗結果瀝青種類項目針入度(25 ℃,5 s)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm軟化點/℃運動黏度135 ℃彈性恢復(25 ℃)/%旋轉薄膜加熱試驗質量變化/%殘留針入度比/%殘留延度(5 ℃)/cm氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青技術要求40～80≥15≥751.0～4.0≥85≤±1.0≥75-檢測結果57.523.772.21.9910.028021.4膠粉改性瀝青技術要求40～80≥10≥58≤4.0≥75≤±0.6≥75≥10檢測結果59.316.168.91.7820.057614.3SBS改性瀝青技術要求60～80≥20≥75≤3≥85≤±1.0≥65≥15檢測結果69.320.874.31.525910.027817

2 原材料性能指標及配合比設計

2.1 礦料

本文選用的兩檔粗集料巖性為玄武巖，細集料和礦粉為石灰巖，依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)中的試驗方法進行主要性能檢測，檢測結果如表2～4所示。

表2 粗集料主要性能指標技術指標表觀相對密度針片狀含量/%5～10 mm10～15 mm>9.5 mm<9.5 mm吸水性/%磨耗值/%壓碎值/%磨光值(PSV)與瀝青的黏附性/級堅固性/%實測值2.7352.7568.65.60.821.620.15157技術要求≥2.6≤12≤18≤2.0≤28≤26≥425≤12試驗方法T 0304T 0312T 0304T 0317T 0316T 0321T 0654T 0314

表3 細集料主要性能指標技術指標表觀相對密度3～5 mm0～3 mm砂當量/%含泥量/%實測值2.7932.721730.3技術要求≥2.5≤60≤3試驗方法T 0328T 0334T 0317

表4 礦粉主要性能指標指標技術指標表觀相對密度/(g·m-3)含水量/%親水系數粒度范圍/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm實測值2.7210.10.510092.476.3技術要求≥2.5≤1<110090～10075～100試驗方法T 3052T 0103T 0353T 0351

2.2 級配設計

本研究采用AC-13級配，通過馬歇爾配合比設計方法，最終確定了AC-13混合料的各材料摻配比例，并分別確定氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青、膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的最佳油石比，依次為6.0%、5.9%和5.0%，級配設計結果如表5所示，級配設計曲線如圖2所示。

表5 瀝青混合料級配設計結果篩孔尺寸/mm級配范圍/%上限下限中值設計級配/%1610010010010013.21009095959.5856876.5824.75683853582.36502437421.18381526.5280.6281019210.320713.5140.1515510110.0758466

圖2 瀝青混合料設計級配與AC-13級配區間對比

3 瀝青混合料路用性能試驗

3.1 高溫穩定性能試驗研究

對于南方地區相對濕熱的環境，更容易發生重載交通導致的車轍等病害，因此對瀝青路面的高溫性能要求更高。本文采用室內常規車轍試驗來評價3種改性瀝青混合料的高溫性能，通過對比動穩定度(DS)來分析各自的高溫性能，具體試驗結果如圖3所示。

圖3 瀝青混合料車轍動穩定度試驗結果

從圖3可知，3種改性瀝青混合料的動穩定度均滿足規范要求，其中氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料的動穩定度最高，相較于膠粉改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，其動穩定度分別增加了35%和24%，說明其抗車轍性能較好，且使用改性瀝青時有較好的高溫穩定性能。因為首先氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青中含有溶脹裂解后的膠粉顆粒，增加了瀝青與集料間的黏附性；其次加入氧化石墨烯提高了均質分布膠粉顆粒的穩定性，也增加了瀝青的拉伸強度，從而使氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料表現出較好的高溫穩定性能。

3.2 低溫抗裂性能試驗研究

瀝青路面在低溫狀態下受力容易發生脆斷，從而產生溫縮裂縫，本文采用低溫3點彎曲試驗來評價瀝青混合料的的低溫性能，測試3種改性瀝青混合料小梁試件破壞時的最大彎拉應變(μ)和抗彎拉強度(RB)，通過比較μ和RB的大小來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，最大彎拉應變越大，瀝青混合料的低溫抗裂性能越好。瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結果如圖4所示。

圖4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結果

由圖4可知，3種改性瀝青混合料的低溫抗裂性能均滿足規范要求，其中氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變最高，相較于膠粉改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，其最大彎拉應變分別增加了21%和32%；對于抗彎拉強度，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料表現同樣較好，相較于膠粉改性瀝青混合料增加了12.5%，相較于SBS改性瀝青混合料提升較小，說明其抗彎拉能力較好。這是因為溶脹裂解后的膠粉顆粒具有不錯的黏彈性，加上氧化石墨烯的結構特性，在受力時高比表面積會產生較高的摩擦力，從而使氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。

3.3 抗水損害性能試驗研究

在南方濕熱多雨的氣候條件下，瀝青混合料的水穩定性對路面使用壽命有較大影響。本文通過凍融劈裂試驗來評價3種瀝青混合料的水穩性能[17]，通過測試不同試件的劈裂抗拉強度后，可得到劈裂抗拉強度比(TSR)。一般來說，TSR越大則表明混合料受凍融循環后其強度保留越大，其水穩性越好，具體試驗結果如圖5所示。

圖5 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由圖5凍融劈裂試驗結果可知，3種瀝青混合料在經歷凍融循環后劈裂強度均受到一定影響，其中氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度最高，且劈裂抗拉強度比也較高。這是由于氧化石墨烯自身強度和其材料的強疏水性和親油性導致，其獨特的結構特點使凍融循環對瀝青混合料內部結構影響相對較小，從而使氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料具有較好的抗水損害性能。

4 結語

1)氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青中氧化石墨烯的加入，使溶脹的膠粉顆粒更加穩定，提高了膠粉改性瀝青的穩定性和拉伸強度。

2)與膠粉改性瀝青混合料相比，氧化石墨烯/膠粉復合改性瀝青混合料的高溫性能和水穩定性都有提升，且優于SBS改性瀝青混合料，適用于南方高溫多雨的濕熱環境。