氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料路用性能研究

鲁云岗

(湖南省高速公路集团有限公司，湖南 长沙 410003)

胶粉改性沥青作为改性沥青中较为常见的一种，具有良好的黏结特性和优异的路用性能，同时有着较好的经济和环保效益，一直是行业内关注的热点[1-2]。大量研究发现：在胶粉改性沥青中的胶粉颗粒会与沥青发生溶胀反应，溶胀后的橡胶颗粒间会生成黏度较高的半固态连续相体系，同时沥青的胶体结构逐渐向溶凝胶型结构转变，从而改善基质沥青的高温稳定性和耐久性[3-5]；
在胶粉改性沥青中添加少量SBS也可有效改善其高低温和抗老化性能，对胶粉改性沥青性能有进一步的提升[6]。但胶粉改性沥青在黏度、储存稳定性和施工和易性等方面依然存在不足，如何提高胶粉改性沥青在不同环境下使用的综合性能成为亟需解决的问题[7]。

随着对纳米材料的深入研究，发现沥青材料中融入纳米材料，可对沥青材料的高温稳定性、短期抗老化性等各种性能加以改善，从而使其具备更好的路用性能[8]。氧化石墨烯是石墨粉经化学氧化后剥离而得的产物，其结构与石墨烯的二维结构相似，表面含有活性含氧官能团和吸附分子，与SBS共同作用于改性沥青时，二维纳米片层结构氧化石墨烯会贯穿于微米尺度的链状SBS中，形成致密稳定的空间结构，内嵌于沥青体系中，保证改性沥青具备优异的力学性能、储存稳定性、抗老化性能[9-11]。刘克非等[12-14]发现不同掺量氧化石墨烯对沥青混合料的施工和易性、黏附性和稳定性具有不同程度的改善，并在此基础上确定了氧化石墨烯的最佳掺量；
赵艳等[15]通过表面能理论对氧化石墨烯在沥青中的分散状态进行研究，发现氧化石墨烯可有效提高沥青的黏附性，对拉伸强度、抗热氧老化和弹性恢复能力都有一定改善。

本文将结合各种改性手段和改性材料的特点，充分发挥纳米材料的结构优势和胶粉经济环保的特点，通过添加少量氧化石墨烯对胶粉改性沥青进行复合改性，对其复合改性沥青的基本技术指标及混合料的路用性能进行对比分析。

通过高速剪切法使氧化石墨烯与胶粉改性沥青达到物理共混的状态，其制备流程如图1所示。

图1 氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青制备工艺流程

本文氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青是由成品胶粉改性沥青添加氧化石墨烯复合改性制备而来，根据初始试验，再结合相关参考文献[8]、文献[11]，当氧化石墨烯掺量为0.3%时，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青具有较好的综合性能，其中成品胶粉改性沥青是通过添加20%胶粉和1%的SBS制作而成。

表1为3种改性沥青试验结果。由表1可知：①氧化石墨烯的加入对胶粉改性沥青的针入度影响不大，且低于SBS改性沥青。②氧化石墨烯的加入使胶粉改性沥青的延度提升47%左右，其延度值也高于SBS改性沥青。这表明其抗拉强度有很大的提升，这是由于均质分散的氧化石墨烯被吸附于橡胶颗粒表面，作为一种物理交联点分布在橡胶与沥青之间，促进两者之间的结合，从而改善橡胶改性沥青的稳定性[16]。③对于软化点，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青较胶粉改性沥青增加了5%，与SBS改性沥青相差较小，说明氧化石墨烯的加入使胶粉改性沥青的高温性能得到进一步改善。④对于弹性恢复，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青较胶粉改性沥青提高了11%，与SBS改性沥青基本一致。⑤在短期老化试验中，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青的抗老化性能表现同样优于胶粉改性沥青，这是因为比表面积较大的氧化石墨烯分子阻隔了氧气，减缓其老化过程[17]。

表1 3种改性沥青试验结果沥青种类项目针入度(25 ℃,5 s)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm软化点/℃运动黏度135 ℃弹性恢复(25 ℃)/%旋转薄膜加热试验质量变化/%残留针入度比/%残留延度(5 ℃)/cm氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青技术要求40～80≥15≥751.0～4.0≥85≤±1.0≥75-检测结果57.523.772.21.9910.028021.4胶粉改性沥青技术要求40～80≥10≥58≤4.0≥75≤±0.6≥75≥10检测结果59.316.168.91.7820.057614.3SBS改性沥青技术要求60～80≥20≥75≤3≥85≤±1.0≥65≥15检测结果69.320.874.31.525910.027817

2.1 矿料

本文选用的两档粗集料岩性为玄武岩，细集料和矿粉为石灰岩，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的试验方法进行主要性能检测，检测结果如表2～4所示。

表2 粗集料主要性能指标技术指标表观相对密度针片状含量/%5～10 mm10～15 mm>9.5 mm<9.5 mm吸水性/%磨耗值/%压碎值/%磨光值(PSV)与沥青的黏附性/级坚固性/%实测值2.7352.7568.65.60.821.620.15157技术要求≥2.6≤12≤18≤2.0≤28≤26≥425≤12试验方法T 0304T 0312T 0304T 0317T 0316T 0321T 0654T 0314

表3 细集料主要性能指标技术指标表观相对密度3～5 mm0～3 mm砂当量/%含泥量/%实测值2.7932.721730.3技术要求≥2.5≤60≤3试验方法T 0328T 0334T 0317

表4 矿粉主要性能指标指标技术指标表观相对密度/(g·m-3)含水量/%亲水系数粒度范围/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm实测值2.7210.10.510092.476.3技术要求≥2.5≤1<110090～10075～100试验方法T 3052T 0103T 0353T 0351

2.2 级配设计

本研究采用AC-13级配，通过马歇尔配合比设计方法，最终确定了AC-13混合料的各材料掺配比例，并分别确定氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青、胶粉改性沥青和SBS改性沥青的最佳油石比，依次为6.0%、5.9%和5.0%，级配设计结果如表5所示，级配设计曲线如图2所示。

表5 沥青混合料级配设计结果筛孔尺寸/mm级配范围/%上限下限中值设计级配/%1610010010010013.21009095959.5856876.5824.75683853582.36502437421.18381526.5280.6281019210.320713.5140.1515510110.0758466

图2 沥青混合料设计级配与AC-13级配区间对比

3.1 高温稳定性能试验研究

对于南方地区相对湿热的环境，更容易发生重载交通导致的车辙等病害，因此对沥青路面的高温性能要求更高。本文采用室内常规车辙试验来评价3种改性沥青混合料的高温性能，通过对比动稳定度(DS)来分析各自的高温性能，具体试验结果如图3所示。

图3 沥青混合料车辙动稳定度试验结果

从图3可知，3种改性沥青混合料的动稳定度均满足规范要求，其中氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料的动稳定度最高，相较于胶粉改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料，其动稳定度分别增加了35%和24%，说明其抗车辙性能较好，且使用改性沥青时有较好的高温稳定性能。因为首先氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青中含有溶胀裂解后的胶粉颗粒，增加了沥青与集料间的黏附性；
其次加入氧化石墨烯提高了均质分布胶粉颗粒的稳定性，也增加了沥青的拉伸强度，从而使氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料表现出较好的高温稳定性能。

3.2 低温抗裂性能试验研究

沥青路面在低温状态下受力容易发生脆断，从而产生温缩裂缝，本文采用低温3点弯曲试验来评价沥青混合料的的低温性能，测试3种改性沥青混合料小梁试件破坏时的最大弯拉应变(μ)和抗弯拉强度(RB)，通过比较μ和RB的大小来评价沥青混合料的低温抗裂性能，最大弯拉应变越大，沥青混合料的低温抗裂性能越好。沥青混合料小梁低温弯曲试验结果如图4所示。

图4 沥青混合料小梁低温弯曲试验结果

由图4可知，3种改性沥青混合料的低温抗裂性能均满足规范要求，其中氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料的最大弯拉应变最高，相较于胶粉改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料，其最大弯拉应变分别增加了21%和32%；
对于抗弯拉强度，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料表现同样较好，相较于胶粉改性沥青混合料增加了12.5%，相较于SBS改性沥青混合料提升较小，说明其抗弯拉能力较好。这是因为溶胀裂解后的胶粉颗粒具有不错的黏弹性，加上氧化石墨烯的结构特性，在受力时高比表面积会产生较高的摩擦力，从而使氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料具有较好的低温抗裂性能。

3.3 抗水损害性能试验研究

在南方湿热多雨的气候条件下，沥青混合料的水稳定性对路面使用寿命有较大影响。本文通过冻融劈裂试验来评价3种沥青混合料的水稳性能[17]，通过测试不同试件的劈裂抗拉强度后，可得到劈裂抗拉强度比(TSR)。一般来说，TSR越大则表明混合料受冻融循环后其强度保留越大，其水稳性越好，具体试验结果如图5所示。

图5 沥青混合料冻融劈裂试验结果

由图5冻融劈裂试验结果可知，3种沥青混合料在经历冻融循环后劈裂强度均受到一定影响，其中氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料的劈裂抗拉强度最高，且劈裂抗拉强度比也较高。这是由于氧化石墨烯自身强度和其材料的强疏水性和亲油性导致，其独特的结构特点使冻融循环对沥青混合料内部结构影响相对较小，从而使氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料具有较好的抗水损害性能。

1)氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青中氧化石墨烯的加入，使溶胀的胶粉颗粒更加稳定，提高了胶粉改性沥青的稳定性和拉伸强度。

2)与胶粉改性沥青混合料相比，氧化石墨烯/胶粉复合改性沥青混合料的高温性能和水稳定性都有提升，且优于SBS改性沥青混合料，适用于南方高温多雨的湿热环境。

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