張 昭 張 峰 全弘彬

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400067)

0 引言

普通的道路瀝青屬于熱塑性材料，具有顯著的溫感[1]，使瀝青混合料在高溫情況下容易產(chǎn)生車轍，在低溫的情況下容易發(fā)生開裂[2]。因此對(duì)瀝青進(jìn)行性能提升改性，從而改善道路瀝青的路用性能顯得尤其重要。

SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青可以顯著提升瀝青的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性，抗疲勞性等[3]。使SBS改性瀝青在中國道路工程中得到了廣泛的運(yùn)用。不過在長時(shí)間的使用中，SBS改性瀝青混合依舊會(huì)出現(xiàn)各種路用問題[4]。本文嘗試在SBS改性瀝青中添加石墨烯粉末，以達(dá)到提升其混合料的路用性能。

在2004年，英國曼徹斯特大學(xué)通過膠帶剝離石墨片的方式，獲得了目前世界上最薄的二維納米材料石墨，石墨烯有著優(yōu)異的力學(xué)性能、極高的導(dǎo)熱性能、阻斷性能等[5]。本文嘗試將石墨烯與SBS改性劑混合攪拌后，加入基質(zhì)瀝青中，通過高速剪切成型制備石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同摻量下的石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青與常規(guī)SBS改性瀝青的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)。最后對(duì)比分析，在不同摻量下石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料與常規(guī)SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能、抗疲勞性能及浸水馬歇爾穩(wěn)定度。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

SK70號(hào)基質(zhì)瀝青、中國石化所生產(chǎn)的SBS(791H)、石墨烯選用由上海力碩復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)的多層石墨烯，重慶某石料廠：集料(潔凈、堅(jiān)硬、耐磨的玄武巖)、礦粉(細(xì)磨石灰?guī)r)。

1.2 儀器

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW3100型，中國科學(xué)院長春科技公司)；組合式車轍式樣成型機(jī)(QCX-4，北京今谷神箭測控技術(shù)研究所)；瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)(TDCZ-2，滄州恒勝偉業(yè)公路儀器有限公司)；BFA四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)(澳大利亞IPCGlobal公司)重慶市威爾實(shí)驗(yàn)儀器有限公司：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)(HTF313C型)、高低溫試驗(yàn)箱(HL1303C型)；上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司：馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀(SYD-0702 A-1型)、恒溫水浴箱(HWY-501 A型)、自動(dòng)混合料攪拌機(jī)(SYD-F02-20型)。

1.3 石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青的制備和試驗(yàn)方法

在150 ℃基質(zhì)瀝青里添加摻量為5%的SBS后，分別添加0%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的石墨烯粉末混合，充分?jǐn)嚢璨⑷诿?0 min后再以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切2 h，剪切過程保持溫度為175 ℃，最后制得石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青。

根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程T0606—2011進(jìn)行瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，T0605—2011進(jìn)行瀝青5 ℃延度實(shí)驗(yàn)，T0604—2011進(jìn)行瀝青25 ℃針入度實(shí)驗(yàn)。

1.4 石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的制備和試驗(yàn)方法

將石墨烯—SBS改性瀝青和集料、礦粉采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)分別在170 ℃和240 ℃溫度加熱。按照最佳油石比將瀝青和集料、礦粉加入自動(dòng)混合料攪拌機(jī)180 ℃，3 min制備混合料，級(jí)配采用AC-13見表1。通過馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀雙面擊打75下成型馬歇爾試件，通過瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)、組合式車轍試驗(yàn)機(jī)，分別成型高低溫試件，疲勞試件。試件成型后，常溫養(yǎng)護(hù)5 d即可測試其性能。

表1 AC-13集料分結(jié)果及級(jí)配合成

根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程的試驗(yàn)方法，對(duì)瀝青混合料分別進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。本文采用SHRP-A303對(duì)石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行疲勞性能評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青性能

石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)指標(biāo)

在5%的SBS的添加量下，隨著石墨烯摻量的增加，延度呈降低趨勢，并且在1%的摻量下較0摻量下對(duì)比延度下降了1/2，石墨烯的摻加對(duì)于復(fù)合改性瀝青的延度影響較大，所以建議石墨烯的摻量不宜過多。通過表2對(duì)比軟化點(diǎn)，隨著石墨烯摻量的增加，軟化點(diǎn)呈上升趨勢，所以石墨烯的摻加對(duì)復(fù)合改性瀝青的高溫性能呈積極作用。對(duì)比觀察不同摻量的SBS—石墨烯復(fù)合改性瀝青的針入度，可以發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯摻量的增加，針入度逐漸減小。

2.2 石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的性能研究

2.2.1高溫性能分析

試驗(yàn)采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)分別測試其60 ℃的動(dòng)穩(wěn)定度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出隨著石墨烯摻量增加，石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，石墨的增加在不同程度上都對(duì)混合料的高溫性能有提升，在石墨烯摻量達(dá)到1%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度相較于0添加的混合料更是提升了1倍。車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯的摻加能有效的提高SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能。

2.2.2低溫性能分析

石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的-10 ℃低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 -10 ℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

通過表4可以看出，隨著石墨烯摻量的增加，混合料的勁度模量逐漸減少，在石墨烯摻量為0.25%的勁度模量較0摻量的混合料勁度模量只降低了4.1%；0.5%摻量下，勁度模量降低了6.8%；0.75%的摻量下，勁度模量降低了13.6%；1.0%的摻量下，勁度模量降低了19.1%。由此我們可以看出，石墨烯的摻加對(duì)混合料的低溫彎曲性能有影響，并且超過0.5%的石墨烯摻量情況下，混合料的勁度模量下降比較明顯，低溫彎曲性能下降較多，因此我們建議石墨烯的摻量不宜高于0.5%。

2.2.3馬歇爾性能分析

石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)石墨烯的摻加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度略微變大，不過整體變化不大，摻加1%的石墨烯，馬歇爾穩(wěn)定提升不超過5%，石墨烯的摻加使馬歇爾穩(wěn)定度略微提升。流值變化不大，不隨著石墨烯添加量而發(fā)生過大的變化。

2.2.4疲勞性能分析

疲勞性能檢測選取應(yīng)變力1 000 με平行試驗(yàn)2次，共完成了5組疲勞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過疲勞試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，隨著石墨烯的添加，疲勞性能提升。且隨著石墨烯摻量的增加，疲勞性能提升變大。在1%的石墨烯摻量下，疲勞性能提升較為明顯，較0%的石墨烯摻量提升達(dá)到60%，隨著石墨烯摻量的增加，疲勞性能提升越來越明顯。

3 結(jié)論

1)石墨烯添加入SBS—基質(zhì)瀝青體系中，針入度略微降低，而提高復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)，制得的石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青有更優(yōu)異的高溫性能，不過石墨烯的摻加，會(huì)降低復(fù)合改性瀝青的延度，影響石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青的低溫性能，所以綜合考慮建議石墨烯的摻量不宜超過0.5%。

2)通過石墨烯—SBS復(fù)合改性瀝青混合料的實(shí)驗(yàn)，石墨烯的摻加可以明顯提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，并可以提升混合料的疲勞性能，且可以略微提升馬歇爾穩(wěn)定度。不過，通過低溫彎曲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過高的石墨烯摻量對(duì)瀝青混合料的低溫性能有較大的降低影響，所以綜合考慮混合料的各方面性能，我們建議選用石墨烯的摻加量為0.5%。