馮新軍，楊振華

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電力與交通安全監(jiān)控及節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，長(zhǎng)沙 410004）

近年來，隨著瀝青混凝土路面的廣泛應(yīng)用與蓬勃發(fā)展，許多問題也隨之而來。我國(guó)絕大部分地區(qū)處于亞熱帶，四季分明，冬季寒冷。降雪期間使得路面積雪結(jié)冰影響道路暢通以及行駛安全，比如機(jī)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)因?yàn)橄卵┒忾]停運(yùn)，高速公路會(huì)封閉或者限行，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)冬季30%的交通事故是由于路面積雪結(jié)冰引起的，影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全、對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成重大損失［1，2］。除此之外，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，氣候環(huán)境也在急速惡化，極端天氣頻繁發(fā)生，我國(guó)中部及部分南方地區(qū)也頻繁遭受凍雨雪災(zāi)等寒冷天氣的侵襲，影響交通運(yùn)輸。導(dǎo)電瀝青混凝土是通過在瀝青混合料中摻加適量導(dǎo)電組分如纖維、石墨粉、鋼渣等，使絕緣的瀝青混合料變成具有良好導(dǎo)電性能的新型復(fù)合材料。導(dǎo)電瀝青混凝土與外部電源接通后，由于電熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱量由瀝青混凝土內(nèi)部傳至路面表層，使路表溫度升高，起到融冰化雪的作用。與使用除雪機(jī)械相比，導(dǎo)電瀝青混凝土無須封閉交通；而與融雪劑相比，利用導(dǎo)電瀝青混凝土融冰化雪不會(huì)對(duì)植物、建筑物、路面及車輛造成污染，更加環(huán)保?？梢哉f導(dǎo)電瀝青混凝土的開發(fā)，使得道路積雪結(jié)冰的問題得以高效、安全和經(jīng)濟(jì)的解決［3，4］。瀝青和填料的混合物稱為瀝青膠漿，它們的相對(duì)比例影響著瀝青膠漿的性質(zhì)，進(jìn)而影響瀝青混合料的粘彈性和流變性質(zhì)，對(duì)瀝青混合料的高、低溫性能、耐疲勞性能和水穩(wěn)性都有很大的影響［5－7］。該文以石灰?guī)r礦粉為填料，通過固定粉膠比并分別摻入不同摻量的石墨和碳纖維制備瀝青膠漿，研究石墨和碳纖維摻量對(duì)瀝青膠漿路用性能的影響，為瀝青混合料設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本研究采用湖南寶利瀝青公司的SBS改性瀝青，主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F 40—2004）［8］聚合物改性瀝青I－D的技術(shù)要求。采用石灰石礦粉作填料，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求。采用山東青島天源達(dá)LG－150－96高碳鱗片石墨，主要性能指標(biāo)見表2。采用南京緯達(dá)的9 mm短切PAN基碳纖維，主要性能指標(biāo)見表3。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)性能

表2 石墨技術(shù)性能

表3 短切PAN基碳纖維技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方案

首先固定粉膠比0.8和碳纖維摻量0.2%，分別制備石墨摻量為0%、10%、20%、30%和40%的石墨碳纖維瀝青膠漿；然后固定粉膠比0.8和石墨摻量20%，分別制備碳纖維摻量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的石墨碳纖維瀝青膠漿，其中碳纖維為瀝青膠漿質(zhì)量百分比，石墨為改性瀝青體積百分比。

對(duì)10種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿分別進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、延度試驗(yàn)、彎曲蠕變勁度試驗(yàn)以及Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，分析石墨和碳纖維摻量對(duì)瀝青膠漿路用性能的影響。

2 石墨和碳纖維摻量對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響

2.1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）［9］規(guī)定的方法對(duì)十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)一直呈增大趨勢(shì)，并且隨著石墨摻量的增加提高的幅度逐漸增大，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997。

從圖2可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)一直呈增大趨勢(shì)，并且隨著碳纖維摻量的增加提高的幅度逐漸變小，其變化曲線近似開口向下的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.990。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）［9］規(guī)定的方法對(duì)十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，采用70℃時(shí)的抗車轍因子G＊/sinδ來評(píng)價(jià)瀝青材料抗高溫變形能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。其中摻40%石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ超出了儀器測(cè)量范圍，無法進(jìn)行測(cè)定。

從圖3可以看出：摻了0.2%的碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ達(dá)到了16.9kPa，在摻入10%的石墨后快速降到了10kPa，這是因?yàn)槭且环N良好的潤(rùn)滑劑，層間具有典型的分子相互作用，作用力極小，層間易滑動(dòng)，因此降低了瀝青膠漿的抗剪切變形能力。隨著石墨摻量的繼續(xù)增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ一直呈增大趨勢(shì)，但是仍然沒有達(dá)到達(dá)到16.9kPa。這是因?yàn)槭珜?duì)瀝青的吸附作用使瀝青膠漿更稠硬，從而一定程度上提高了其抗剪切變形能力。

從圖4可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的G＊/sinδ一直呈增大趨勢(shì)，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988。這是因?yàn)樘祭w維不僅對(duì)瀝青有吸附作用，而且具有加筋增強(qiáng)作用，從而提高了石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力。

3 石墨和碳纖維摻量對(duì)瀝青膠漿低溫性能的影響

3.1 延度試驗(yàn)

從圖5可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的延度一直呈減小的趨勢(shì)，其變化曲線近似開口向上的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988。說明隨著石墨的加入，瀝青膠漿塑性變形能力降低，并且隨著石墨摻量的增加下降幅度減慢。

從圖6可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的延度一直呈減小的趨勢(shì)，其變化曲線也近似開口向上的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.996。說明隨著碳纖維的加入，瀝青膠漿的塑性變形能力也會(huì)降低，并且隨著碳纖維摻量的增加下降幅度減慢。

3.2 彎曲蠕變勁度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）［9］規(guī)定的方法對(duì)十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進(jìn)行瀝青彎曲蠕變性質(zhì)試驗(yàn)，采用－10℃時(shí)瀝青膠漿彎曲勁度模量和m值評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

從圖7可以看出：隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量一直呈增大趨勢(shì)，其變化曲線近似開口向下的二次拋物線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998。說明隨著石墨摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿變得更脆更硬，低溫抗裂性能下降。

從圖8可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量呈增大趨勢(shì)，但是在碳纖維摻量達(dá)到0.2%后，石墨碳纖維瀝青膠漿的彎曲勁度模量變化趨于平緩。說明碳纖維摻量小于0.2%時(shí)，石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性能隨碳纖維摻量的增加呈下降趨勢(shì)，而在碳纖維摻量大于0.2%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性能變化較小。

從圖9可以看出：石墨碳纖維瀝青膠漿的m值隨石墨摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在石墨摻量20%時(shí)達(dá)到最大值。說明石墨摻量小于20%時(shí)，石墨碳纖維瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力隨石墨摻量的增加呈增大趨勢(shì)；而在石墨摻量大于20%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力逐漸下降。

從圖10可以看出：石墨碳纖維瀝青膠漿的m值隨碳纖維摻量的增加呈開口向下的二次拋物線變化，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.936，在碳纖維摻量0.2%時(shí)達(dá)到最大值。說明在碳纖維摻量在0%～0.2%之間時(shí)，石墨碳纖維瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力呈增大趨勢(shì)，而在碳纖維摻量大于0.2%以后，石墨碳纖維瀝青膠漿的應(yīng)力松弛逐漸下降。

4 石墨和碳纖維摻量對(duì)瀝青膠漿施工和易性的影響

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E 20—2011）［9］中T 0625規(guī)定的方法對(duì)十種不同摻配的石墨碳纖維瀝青膠漿進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，測(cè)量影響前后瀝青膠漿試樣在溫度175℃、轉(zhuǎn)子型號(hào)21號(hào)以及轉(zhuǎn)子速率為20r/min下的粘度，試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

表4 瀝青膠漿旋轉(zhuǎn)粘度隨石墨摻量變化結(jié)果

表5 瀝青膠漿旋轉(zhuǎn)粘度隨碳纖維摻量變化結(jié)果

從表4可以看出：摻了0.2%的碳纖維瀝青膠漿的旋轉(zhuǎn)粘度為0.714Pa·S，在摻入10%的石墨后急劇增加到了3.61Pa·S，說明石墨的加入使得瀝青膠漿變得更加稠硬，施工和易性下降。但當(dāng)石墨摻量繼續(xù)增加時(shí)，石墨碳纖維瀝青膠漿的旋轉(zhuǎn)粘度增大幅度減小，當(dāng)石墨摻量增加到30%時(shí)，扭矩百分比超出了儀器測(cè)量范圍，已無法進(jìn)行粘度測(cè)量。

從表5可以看出：隨著碳纖維摻量的增加，石墨碳纖維瀝青膠漿的旋轉(zhuǎn)粘度呈增大趨勢(shì)，施工和易性下降。但由于摻量非常小，使得克服的扭矩增加比較小，所以布氏黏度增加幅度較小。當(dāng)碳纖維摻量增加到0.3%時(shí)，扭矩百分比超出了儀器測(cè)量范圍，已無法進(jìn)行粘度測(cè)量。

5 結(jié) 論

a.石墨的加入降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力和低溫抗裂性，并且顯著降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的施工和易性。

b.碳纖維的加入可以提高石墨碳纖維瀝青膠漿的抗高溫變形能力，但是降低了石墨碳纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性和施工和易性。

［1］ 馮新軍，查旭東，程 景.PAN基碳纖維導(dǎo)電瀝青混凝土的制備及性能研究［J］.公路，2011，3（2）：27－32.

［2］ 張 鴻，王立久，趙善宇，等.PANI/PP復(fù)合導(dǎo)電纖維瀝青混凝土導(dǎo)電機(jī)制［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，7（4）：564－569.

［3］ 曹艷霞，查旭東.碳纖維導(dǎo)電改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013.

［4］ 高宇星，王向陽.碳纖維石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的制備及電熱效應(yīng)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［5］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿高溫性能及評(píng)價(jià)方法［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，9（5）：30－34.

［6］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿低溫性能及評(píng)價(jià)方法研究［J］.公路，2005，8（8）：139－142.

［7］ 劉 麗，郝培文.瀝青膠漿粘度特性分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，4（2）：109－113.

［8］ 交通部公路科學(xué)研究所.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F 40—2004）［Z］.人民交通出版社，2004.

［9］ 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E 20—2011）［Z］.人民交通出版社，2011.