魯云崗

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)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(jié)特性和優(yōu)異的路用性能，同時(shí)有著較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。大量研究發(fā)現(xiàn)：在膠粉改性瀝青中的膠粉顆粒會(huì)與瀝青發(fā)生溶脹反應(yīng)，溶脹后的橡膠顆粒間會(huì)生成黏度較高的半固態(tài)連續(xù)相體系，同時(shí)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)逐漸向溶凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而改善基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)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(duì)膠粉改性瀝青性能有進(jìn)一步的提升[6]。但膠粉改性瀝青在黏度、儲(chǔ)存穩(wěn)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(huán)境下使用的綜合性能成為亟需解決的問題[7]。

隨著對(duì)納米材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)瀝青材料中融入納米材料，可對(duì)瀝青材料的高溫穩(wěn)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(jīng)化學(xué)氧化后剝離而得的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)與石墨烯的二維結(jié)構(gòu)相似，表面含有活性含氧官能團(tuán)和吸附分子，與SBS共同作用于改性瀝青時(shí)，二維納米片層結(jié)構(gòu)氧化石墨烯會(huì)貫穿于微米尺度的鏈狀SBS中，形成致密穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌于瀝青體系中，保證改性瀝青具備優(yōu)異的力學(xué)性能、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、抗老化性能[9-11]。劉克非等[12-14]發(fā)現(xiàn)不同摻量氧化石墨烯對(duì)瀝青混合料的施工和易性、黏附性和穩(wěn)定性具有不同程度的改善，并在此基礎(chǔ)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(duì)氧化石墨烯在瀝青中的分散狀態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯可有效提高瀝青的黏附性，對(duì)拉伸強(qiáng)度、抗熱氧老化和彈性恢復(fù)能力都有一定改善。

本文將結(jié)合各種改性手段和改性材料的特點(diǎn)，充分發(fā)揮納米材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和膠粉經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)，通過添加少量氧化石墨烯對(duì)膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，對(duì)其復(fù)合改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)及混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 瀝青制備與試驗(yàn)

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

圖1 氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青制備工藝流程

本文氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青是由成品膠粉改性瀝青添加氧化石墨烯復(fù)合改性制備而來，根據(jù)初始試驗(yàn)，再結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[11]，當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.3%時(shí)，氧化石墨烯/膠粉復(fù)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(yàn)結(jié)果。由表1可知：①氧化石墨烯的加入對(duì)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(qiáng)度有很大的提升，這是由于均質(zhì)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(lián)點(diǎn)分布在橡膠與瀝青之間，促進(jìn)兩者之間的結(jié)合，從而改善橡膠改性瀝青的穩(wěn)定性[16]。③對(duì)于軟化點(diǎn)，氧化石墨烯/膠粉復(fù)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(jìn)一步改善。④對(duì)于彈性恢復(fù)，氧化石墨烯/膠粉復(fù)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(yàn)中，氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青的抗老化性能表現(xiàn)同樣優(yōu)于膠粉改性瀝青，這是因?yàn)楸缺砻娣e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(yàn)結(jié)果瀝青種類項(xiàng)目針入度(25 ℃,5 s)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm軟化點(diǎn)/℃運(yùn)動(dòng)黏度135 ℃彈性恢復(fù)(25 ℃)/%旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)質(zhì)量變化/%殘留針入度比/%殘留延度(5 ℃)/cm氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青技術(shù)要求40～80≥15≥751.0～4.0≥85≤±1.0≥75-檢測(cè)結(jié)果57.523.772.21.9910.028021.4膠粉改性瀝青技術(shù)要求40～80≥10≥58≤4.0≥75≤±0.6≥75≥10檢測(cè)結(jié)果59.316.168.91.7820.057614.3SBS改性瀝青技術(shù)要求60～80≥20≥75≤3≥85≤±1.0≥65≥15檢測(cè)結(jié)果69.320.874.31.525910.027817

2 原材料性能指標(biāo)及配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料

本文選用的兩檔粗集料巖性為玄武巖，細(xì)集料和礦粉為石灰?guī)r，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行主要性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2～4所示。

表2 粗集料主要性能指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)表觀相對(duì)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(jí)堅(jiān)固性/%實(shí)測(cè)值2.7352.7568.65.60.821.620.15157技術(shù)要求≥2.6≤12≤18≤2.0≤28≤26≥425≤12試驗(yàn)方法T 0304T 0312T 0304T 0317T 0316T 0321T 0654T 0314

表3 細(xì)集料主要性能指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)表觀相對(duì)密度3～5 mm0～3 mm砂當(dāng)量/%含泥量/%實(shí)測(cè)值2.7932.721730.3技術(shù)要求≥2.5≤60≤3試驗(yàn)方法T 0328T 0334T 0317

表4 礦粉主要性能指標(biāo)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)表觀相對(duì)密度/(g·m-3)含水量/%親水系數(shù)粒度范圍/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm實(shí)測(cè)值2.7210.10.510092.476.3技術(shù)要求≥2.5≤1<110090～10075～100試驗(yàn)方法T 3052T 0103T 0353T 0351

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本研究采用AC-13級(jí)配，通過馬歇爾配合比設(shè)計(jì)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(fù)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(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表5所示，級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖2所示。

表5 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果篩孔尺寸/mm級(jí)配范圍/%上限下限中值設(shè)計(jì)級(jí)配/%1610010010010013.21009095959.5856876.5824.75683853582.36502437421.18381526.5280.6281019210.320713.5140.1515510110.0758466

圖2 瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配與AC-13級(jí)配區(qū)間對(duì)比

3 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

對(duì)于南方地區(qū)相對(duì)濕熱的環(huán)境，更容易發(fā)生重載交通導(dǎo)致的車轍等病害，因此對(duì)瀝青路面的高溫性能要求更高。本文采用室內(nèi)常規(guī)車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)3種改性瀝青混合料的高溫性能，通過對(duì)比動(dòng)穩(wěn)定度(DS)來分析各自的高溫性能，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可知，3種改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，其中氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)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(dòng)穩(wěn)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(shí)有較好的高溫穩(wěn)定性能。因?yàn)槭紫妊趸?膠粉復(fù)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(zhì)分布膠粉顆粒的穩(wěn)定性，也增加了瀝青的拉伸強(qiáng)度，從而使氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性能。

3.2 低溫抗裂性能試驗(yàn)研究

瀝青路面在低溫狀態(tài)下受力容易發(fā)生脆斷，從而產(chǎn)生溫縮裂縫，本文采用低溫3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的的低溫性能，測(cè)試3種改性瀝青混合料小梁試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變(μ)和抗彎拉強(qiáng)度(RB)，通過比較μ和RB的大小來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，最大彎拉應(yīng)變?cè)酱?，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(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)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(guī)范要求，其中氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)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(yīng)變分別增加了21%和32%；對(duì)于抗彎拉強(qiáng)度，氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)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?yàn)槿苊浟呀夂蟮哪z粉顆粒具有不錯(cuò)的黏彈性，加上氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)特性，在受力時(shí)高比表面積會(huì)產(chǎn)生較高的摩擦力，從而使氧化石墨烯/膠粉復(fù)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(yàn)研究

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

圖5 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖5凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，3種瀝青混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度均受到一定影響，其中氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度最高，且劈裂抗拉強(qiáng)度比也較高。這是由于氧化石墨烯自身強(qiáng)度和其材料的強(qiáng)疏水性和親油性導(dǎo)致，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小，從而使氧化石墨烯/膠粉復(fù)合改性瀝青混合料具有較好的抗水損害性能。

4 結(jié)語

1)氧化石墨烯/膠粉復(fù)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(wěn)定，提高了膠粉改性瀝青的穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度。

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