鄒 虎，李 強(qiáng)

(1.甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

橡膠瀝青作為一種環(huán)保節(jié)約型材料，在道路工程中得到較多的應(yīng)用，但其路用性能一直沒能全面超越SBS改性瀝青，而且還存在質(zhì)量不穩(wěn)定、含硫污染、低溫抗裂性能一般等問題[1]，其對于特殊情況下的路面性能要求已無法滿足[2]。因此，需要一種能夠滿足新形勢下重載、舒適、美觀等要求的新型路面材料出現(xiàn)。

近年來，納米材料的蓬勃發(fā)展拓寬了道路研究者對瀝青改性的思路，研究者們逐步考慮將納米填料并入聚合物對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性[3-7]。大量研究表明，在聚合物中摻入微量石墨烯(Graphene，GNP)(或石墨烯材料)，可以大服務(wù)提升聚合物的性能，如：拉伸應(yīng)力、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等，使其在瀝青改性方面具有極大的潛力。相比于傳統(tǒng)填料和其他新型填料，石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料，將石墨烯用于瀝青結(jié)合料和混合料，以增強(qiáng)材料的機(jī)械性能和致密性能[8]。此外，石墨烯比表面積極大，意味著GNP-基質(zhì)界面也非常大，可作為一種工程參數(shù)用以固定摻加石墨烯的材料性質(zhì)。其中，美國交通運(yùn)輸部研究發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青中添加少量的石墨烯可有效地提高膠結(jié)料的針入度、軟化點(diǎn)等指標(biāo)，同時(shí)對其混合料高溫性能及壓實(shí)性進(jìn)行有效改良，有助于提高路面耐久性[9]。而Du等人在基礎(chǔ)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用蠕變勁度實(shí)驗(yàn)中對石墨烯改性瀝青蠕變剛度能提高5%～15%，說明石墨烯對蠕變性能具有改良，可提高瀝青的蠕變勁度[10]。與此同時(shí)，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的一項(xiàng)關(guān)于石墨烯改性瀝青混合料的研究成果表明：石墨烯納米片改性瀝青的低溫?fù)锨鷱?qiáng)度得到了顯著提高，而且研究過程中發(fā)現(xiàn)該瀝青混合料成型時(shí)達(dá)到目標(biāo)孔隙率所需的壓實(shí)次數(shù)降低20%～40%[11]，但低溫彎曲撓度卻有所降低，表明其在增加模量之時(shí)對瀝青低溫抗開裂性能具有負(fù)面影響。由此可見，如果將低溫性能不佳的橡膠瀝青與石墨烯共同對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性可對改性瀝青的服役溫度進(jìn)行雙向擴(kuò)展。就目前國內(nèi)外研究結(jié)果來看，基于石墨烯復(fù)合橡膠瀝青的復(fù)合改性瀝青研究十分有限，另一方面，石墨烯復(fù)合瀝青材料較SBS改性瀝青的成本相差無幾，性能卻有一定的提高，由此可見，石墨烯材料與橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性用于瀝青路面是值得嘗試的方案。為此，本研究利用瀝青常規(guī)試驗(yàn)、流變試驗(yàn)等對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期客觀評(píng)價(jià)其應(yīng)用于道路工程的可行性。

1 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青原材性能評(píng)價(jià)

由于現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)未對石墨烯復(fù)合橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定說明，采用常規(guī)指標(biāo)體系和Superpave評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來評(píng)價(jià)石墨烯復(fù)合橡膠瀝青原材料的技術(shù)指標(biāo)，并將其與SBS改性瀝青以及橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比。

1.1 常規(guī)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)瀝青性能的常規(guī)指標(biāo)包括針入度、延度、軟化點(diǎn)、密度、135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、25 ℃彈性恢復(fù)以及旋轉(zhuǎn)薄膜加熱短期老化后的質(zhì)量變化比、殘留針入度比和殘留延度等[12]。采用廣西某工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，具體性能指標(biāo)檢測結(jié)果詳見表1。

由表1的測試結(jié)果可知，從針入度指標(biāo)來看，相比SBS改性瀝青，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的針入度降低13.0%，相比較橡膠瀝青，其針入度降低1.7%；從延度指標(biāo)上來看，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的延度值較橡膠瀝青提高60%，不及SBS改性瀝青；從軟化點(diǎn)指標(biāo)來看，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青比SBS改性瀝青低8%，同時(shí)較橡膠瀝青提高12%。由此可以看出，石墨烯復(fù)合改性橡膠瀝青的抗變形能力優(yōu)于SBS改性瀝青，低溫延展性、高溫穩(wěn)定性及其高溫抗變形能力均優(yōu)于橡膠瀝青，略低于SBS改性瀝青。從運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)來看，石墨烯復(fù)合改性瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度比橡膠瀝青有所降低，石墨烯對橡膠瀝青的施工和易性有一定程度的改善。旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)(RTFOT)用于模擬瀝青的短期老化過程，從試驗(yàn)測試結(jié)果可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青與SBS改性瀝青的質(zhì)量比幾乎相當(dāng)，表明兩種瀝青在老化過程中發(fā)生的性質(zhì)變化很類似；從殘留針入度比值可以看出，與SBS改性瀝青相比，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青擁有更好的抗老化性能。綜合以上結(jié)果可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青較橡膠瀝青擁有更佳的高、低溫性能，這與石墨烯對橡膠的模量增強(qiáng)及增強(qiáng)膠結(jié)料具有較大的關(guān)聯(lián)，石墨烯分子與橡膠分子在復(fù)合改性過程中可形成一種復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，而復(fù)合網(wǎng)絡(luò)在石墨烯的加強(qiáng)作用下會(huì)提高化學(xué)鍵的強(qiáng)度，有助于增強(qiáng)膠結(jié)料的抗變形及彈性性能，從而可以增強(qiáng)瀝青的高、低溫性能。此外，根據(jù)韓美釗[13]使用SEM觀測石墨烯分子結(jié)果如圖1所示，可見石墨烯分子屬于層狀分子，其在和橡膠進(jìn)行復(fù)合改性之時(shí)，分子分布面積增大，可以減少瀝青分子間的摩擦力，因而降低了橡膠改性瀝青時(shí)的黏度。此外，由于石墨及橡膠瀝青中的碳黑均可對氧氣產(chǎn)生一定的屏蔽作用，因此，石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青具有較好的抗老化性能。

表1 不同類型瀝青技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of technical indicators of different types of asphalt

圖1 石墨烯分子結(jié)構(gòu)[13]Fig.1 Molecular structure of graphene

圖2 橡膠-石墨烯分子模型示意圖[13]Fig.2 Schematic diagram of rubber-graphene molecular model

1.2 瀝青SHRP評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

瀝青PG分級(jí)試驗(yàn)需要在低溫、中溫及高溫分別測試低溫開裂、中溫疲勞及高溫抗車轍性能，而根據(jù)路面使用情況可知，低溫開裂及疲勞開裂對應(yīng)為路面后期病害，而車轍對應(yīng)為早期病害，故而需要先對瀝青膠結(jié)料進(jìn)行短期老化(RTFOT)及長期老化(PAV)以分別模擬路面攤鋪碾壓后的性能狀態(tài)及長期服役后的路面狀態(tài)[14]。根據(jù)美國AASHTO T315—10及T313-10要求高溫時(shí)原樣瀝青車轍因子G*/sinδ≥1.0，短期老化后G*/sinδ≥2.2，PAV老化后中溫G*sinδ≤5 000 kPa，而在低溫條件下對經(jīng)PAV老化后的瀝青進(jìn)行彎曲梁蠕變試驗(yàn)(BBR試驗(yàn))，測試蠕變勁度模量S和蠕變速率m，要求S≤300，m≥0.3。為此，對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR試驗(yàn))和彎曲梁流變試驗(yàn)測試。

研究中，采用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR試驗(yàn))對原樣石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)后殘留瀝青和壓力老化(PAV)后殘留瀝青抵抗永久變形和疲勞開裂的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ為指標(biāo)。試驗(yàn)所用儀器為Anton Pear生產(chǎn)的剪切流變儀，試驗(yàn)時(shí)高于30 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)子大小為25 mm，試驗(yàn)兩端轉(zhuǎn)子間距1 mm；溫度低于30 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)子大小為8 mm，試驗(yàn)兩端轉(zhuǎn)子間距2 mm，圖3所示為試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)樣品，測試結(jié)果如表2、表3所示。

圖3 DSR儀器及試驗(yàn)樣品Fig.3 DSR instrument and test samples

表2 DSR試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 DSR test result

由表2的溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)測試溫度為82 ℃時(shí)，原樣瀝青及短期老化后的石墨烯復(fù)合改性瀝青的車轍因子均大于規(guī)定值，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高后不再滿足要求，PG分級(jí)中的高溫PG為PG-82，結(jié)合表3的BBR試驗(yàn)結(jié)果可知低溫PG為PG-22，故該瀝青PG分級(jí)為PG82-22。

表3 BBR試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 BBR test result

2 配合比設(shè)計(jì)

基于美國Superpave設(shè)計(jì)方法對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青進(jìn)行SUP-13配合比設(shè)計(jì)采用進(jìn)行。通過瀝青混合料的體積指標(biāo)特性來調(diào)整優(yōu)化并最終確定配合比設(shè)計(jì)中的級(jí)配及瀝青用量[15]。

2.1 集料

瀝青混合料的強(qiáng)度受到膠結(jié)料與集料的黏附特性有關(guān)[16]，粗集料采用臨洮縣某石料場；細(xì)集料采用永登縣某建材廠；礦粉產(chǎn)自永登縣某建材廠，集料的棱角性、針片狀指數(shù)、堅(jiān)固性、黏附性等指標(biāo)均能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 級(jí)配的選擇及優(yōu)化

Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)：(1)根據(jù)控制點(diǎn)確定粗、中、細(xì)3個(gè)級(jí)配；(2)根據(jù)集料的密度和吸水率計(jì)算出3個(gè)級(jí)配的初始瀝青用量；(3)用初始瀝青用量成型試件。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出空隙率為4.0%時(shí)，這3個(gè)不同級(jí)配瀝青混合料的瀝青用量及混合料的體積參數(shù)(礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)、粉膠比(DP)、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)壓實(shí)度等)[17]。各礦料初選級(jí)配的礦料比例情況見表4，初步估算瀝青用量見表5。

表4 初選級(jí)配Tab.4 Primary gradation

表5 估算瀝青用量匯總Tab.5 Summary of estimated asphalt contents

根據(jù)估算各個(gè)級(jí)配的瀝青用量，結(jié)合考慮石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步確定采用瀝青用量為5.2%、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件(旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀單位壓力為0.6 MPa)。本次設(shè)計(jì)選擇壓實(shí)次數(shù)N初始=8次，N設(shè)計(jì)=100次，N最大=160次。不同級(jí)配成型試件的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)結(jié)果見表6，同時(shí)空隙率滿足要求的情況下各級(jí)配的瀝青用量及體積指標(biāo)，詳見表7。

表6 不同級(jí)配旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Result of rotary compaction test with different gradations

表7 不同級(jí)配估算瀝青用量及體積指標(biāo)Tab.7 Estimated contents and volumes of asphalt with different gradations

由表6和表7的可知，級(jí)配1、2均滿足設(shè)計(jì)要求，綜合考慮工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配選擇級(jí)配1。

2.3 瀝青用量的確定

基于上述確定的級(jí)配1，以及初步采用的瀝青用量，對在4.7%，5.2%，5.7%，6.2%這4種瀝青用量下時(shí)間的壓實(shí)特性及體積指標(biāo)進(jìn)行對比分析，所測結(jié)果見表8和表9。

表8 不同瀝青用量的壓實(shí)特性Tab.8 Compaction characteristics with different asphalt contents

表9 不同瀝青用量的體積指標(biāo)Tab.9 Volume indicators with different asphalt contents

進(jìn)一步根據(jù)表9繪制VV，VMA，VFA，DP與瀝青用量的關(guān)系圖，通過插值法得到空隙率4.0%時(shí)對應(yīng)的瀝青用量為5.2%，取設(shè)計(jì)瀝青用量為5.2%。

采用5.2%設(shè)計(jì)瀝青用量成型試件，驗(yàn)證壓實(shí)次數(shù)設(shè)定在N最大時(shí)對應(yīng)的體積性質(zhì)指標(biāo)(本次N最大=160次)，粉膠比、初始次數(shù)壓實(shí)度、最大次數(shù)壓實(shí)度等指標(biāo)均能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4 混合料配合比設(shè)計(jì)方案

基于級(jí)配優(yōu)化及瀝青用量的確認(rèn)，確定石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的配合比為1#∶2#∶3#∶細(xì)集料∶礦粉=24.0%∶30.0%∶13.0%∶30.0%∶3.0%，瀝青用量為5.2%。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料和常規(guī)SBS改性瀝青混合料的體積性質(zhì)指標(biāo)見表10。

表10 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料和常規(guī)SBS改性 瀝青混合料的體積性質(zhì)指標(biāo)Tab.10 Volume property indicators of graphene composite rubber modified asphalt mixture and conventional SBS modified asphalt mixture

通過對比石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Sup-13混合料和SBS改性瀝青Sup-13混合料的體積指標(biāo)特征可知，體積指標(biāo)特征基本相當(dāng)，而石墨烯復(fù)合改性瀝青混合料瀝青用量稍高于SBS改性瀝青混合料。

3 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

為綜合評(píng)價(jià)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的路用性能，在配合比設(shè)計(jì)最終方案的基礎(chǔ)上，成型相應(yīng)試件開展瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫性能、低溫性能和耐久性能評(píng)價(jià)。

3.1 水穩(wěn)定性

采用我國現(xiàn)行規(guī)范中的凍融劈裂試驗(yàn)(T283)和浸水馬歇爾試驗(yàn)來綜合評(píng)價(jià)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。凍融劈裂試驗(yàn)采用劈裂殘余強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料Sup-13和常規(guī)改性瀝青混合料Sup-13的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表11。浸水馬歇爾試驗(yàn)采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)性，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

表11 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料和SBS改性瀝青 混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Results of freeze-thaw splitting test of graphene composite rubber modified asphalt mixture and SBS modified asphalt mixture

由表11的測試結(jié)果可知：(1)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的TSR滿足技術(shù)要求；(2)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料在條件和非條件下，其劈裂強(qiáng)度值均較常規(guī)SBS改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度高，平均值分別提高26.5%和15.3%。由此表明，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青后能夠顯著提高瀝青混合料的強(qiáng)度；(3)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料與常規(guī)SBS改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料相比，石墨烯-TSR比SBS-TSR提高8.1%，水穩(wěn)定性較好。

圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of immersed Marshall test results

由圖4的試驗(yàn)測試結(jié)果可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為94.7%，SBS改性瀝青混合料為87.8%，橡膠瀝青混合料為88.1%，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性。根據(jù)凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的水穩(wěn)定性較SBS改性瀝青具有較大的提高，其與石墨烯比表面積較大，可使得橡膠分層分布，從而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，降低分子間摩擦力使得壓實(shí)成型混合料更為緊密有一定聯(lián)系。此外，橡膠分子充分溶脹后對瀝青的黏結(jié)作用提高亦對水穩(wěn)定性具有改良作用。

3.2 高溫穩(wěn)定性

目前評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法主要有中國車轍試驗(yàn)、美國車轍試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)和法國車轍試驗(yàn)4種[12]。本研究采用中國車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)石墨烯復(fù)合橡膠瀝青混合料的高溫性能。

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范，瀝青混合料的高溫性能可用中國車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)，與之相比，漢堡車轍試驗(yàn)可評(píng)價(jià)水浴條件下瀝青混合料的高溫性能[19]，國內(nèi)目前在江蘇省大力推廣該試驗(yàn)方法，并形成相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)。中國車轍試驗(yàn)以動(dòng)穩(wěn)定度作為主要評(píng)價(jià)抗車轍性技術(shù)指標(biāo)[20]。漢堡車轍在德國和美國應(yīng)用較為普遍，該試驗(yàn)通過分析車轍變形曲線可獲取車轍深度、蠕變斜率、剝落反彎點(diǎn)以及剝落斜率等指標(biāo)，其中車轍深度、剝落反彎點(diǎn)和剝落斜率用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害性能，而蠕變斜率和車轍深度則用來評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗車轍性能[21]。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

閩臺(tái)方言合唱音樂的和聲進(jìn)行，常融入二度音、七度疊字音程等。在整體音響上比較協(xié)和，而平行四度也是閩南音樂的典型的特點(diǎn)，平行四度在傳統(tǒng)和聲里是不提倡的，而閩南音樂卻常見平行四度這一特征。在閩南語合唱歌曲中, 為了在合唱中使和聲保持一致，有時(shí)會(huì)應(yīng)用大量相同節(jié)奏和聲織體，如《情》《阮的希望攏在我心》就是比較典型的歌曲，分別采用了四部聲、二部聲合唱，合唱中的和聲非常的整齊。曲式方面，常以中國傳統(tǒng)音樂的多段式為主。近現(xiàn)代作品中也常見回旋曲式、三段五段曲式等。如《臺(tái)灣好風(fēng)光》即為典型的回旋曲式，四句式樂段結(jié)構(gòu),使得句式結(jié)構(gòu)顯得非常突出，具有鮮明的聲樂藝術(shù)特征。

圖5 三種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)測試結(jié)果Fig.5 Result of rutting test and Hamburg rutting test of 3 asphalt mixtures

由圖5可知，3種瀝青混合料車轍試驗(yàn)的測試結(jié)果均能滿足甘肅地方標(biāo)準(zhǔn)對瀝青混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定度的要求；同類型級(jí)配、同集料來源的情況下，與常規(guī)SBS改性瀝青混合料相比，石墨烯復(fù)合橡膠改了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了57.7%，說明石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青提高了混合料的抵抗永久變形的能力，改善其高溫穩(wěn)定性，這與石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青的高溫提高具有一致性，其源于石墨烯對橡膠、瀝青的模量及彈性增強(qiáng)有關(guān)。從漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果來看，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料碾壓20 000次的車轍深度為3.5 mm，橡膠瀝青混合料為6.3 mm，SBS改性瀝青混合料為8.4 mm，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫水穩(wěn)定性，且其20 000次碾壓漢堡車轍深度指標(biāo)符合德州漢堡車轍提出的PG70～PG82改性瀝青混合料的車轍深度范圍為3.3～4.5 mm的要求。聯(lián)合水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果可知，石墨烯與橡膠可形成更為致密的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在水的侵蝕以及外力作用時(shí)，難以產(chǎn)生裂隙，因此石墨烯改性的橡膠瀝青混合料的抗水損害性能及抗車轍性能較好。

3.3 低溫抗裂性

我國現(xiàn)行規(guī)范采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，以最大破壞應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)進(jìn)行表征其低溫抗裂性能[22]，最大破壞應(yīng)變越大，表明低溫抗裂性能越好。本研究的試驗(yàn)方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)T0715方法，試驗(yàn)儀器選用萬能材料試驗(yàn)機(jī)UTM-25，試件尺寸250 mm×35 mm×30 mm，在-10 ℃、加載速率50 mm/min條件下，對棱柱體小梁進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，測試瀝青混合料的低溫拉伸性能，如圖6所示。在荷載-跨中撓度曲線，將直線段延長與橫坐標(biāo)相交作為曲線原點(diǎn)，如圖7所示，量取峰值時(shí)的最大荷載及跨中撓度，計(jì)算得到3種瀝青混合料的小梁低溫彎曲試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、梁底最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量如表12所示。

圖6 低溫彎曲試驗(yàn)Fig.6 Low temperature bending test

圖7 低溫彎曲試驗(yàn)荷載與跨中撓度曲線圖Fig.7 Curves of load vs. deflection at mid-span in low temperature bending test

從表12的測試結(jié)果可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料具有最高的抗彎拉強(qiáng)度，這與石墨烯對瀝青勁度的增強(qiáng)作用有關(guān)，然而其破壞應(yīng)變最小，但基本與常規(guī)SBS改性瀝青混合料的小梁彎曲技術(shù)指標(biāo)與基本類似，均滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，由此可見石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的低溫性能較為良好，但相較于高溫性能而言未獲得較大的改善。

表12 三種瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.12 Result of beam bending test of 3 asphalt mixtures

3.4 耐久性評(píng)價(jià)(小型加速加載試驗(yàn))

采用小型加速加載(MMLS3)試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)獲取大量重復(fù)性加載，從而來評(píng)價(jià)瀝青混合料在多次加載條件下的高溫穩(wěn)定性[23]。同時(shí)將試件設(shè)置于50 ℃的水浴條件中，評(píng)價(jià)混合料的抗車轍性能的同時(shí)可觀察混合料的抗疲勞性能和抗水損性能[24]。

圖8 小型加速加載試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of small accelerated loading test

通過對試件加載不同的次數(shù)，記錄不同加載次數(shù)下的車轍深度[25]，如圖8所示，測試加載次數(shù)分別為0，5 000，10 000，50 000，150 000，250 000次和350 000次時(shí)不同編號(hào)時(shí)間的車轍深度。通過分析各試件車轍深度隨軸載次數(shù)的變化規(guī)律，來評(píng)價(jià)試件的抗車轍變形能力和耐久性。根據(jù)加速加載的試驗(yàn)結(jié)果顯示，從圖9的芯樣外觀上看，整體在碾壓之后變形程度較小，無顯著的輪胎壓痕，表現(xiàn)出較好的抗車轍能力、抗水損害能力和疲勞性能。

圖9 加速加載試驗(yàn)試件Fig.9 Accelerated loading test specimen

4 石墨烯復(fù)合橡膠瀝青混合料在高等級(jí)道路中的應(yīng)用

為驗(yàn)證石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，在蘭州國道309開展試驗(yàn)段施工，采用4 cm厚的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Sup-13型瀝青混凝土作為上面層。另外，在蘭州南繞城高速主線上也進(jìn)行了700 m的上面層瀝青路面鋪筑，施工方案與試驗(yàn)段所確定的參數(shù)一致。試驗(yàn)段鋪筑期間，蘭州南繞城項(xiàng)目對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青材料、瀝青混合料進(jìn)行了試驗(yàn)及檢測評(píng)價(jià)工作，并進(jìn)行試驗(yàn)段質(zhì)量檢測，所有檢測結(jié)果均符合相關(guān)要求，與蘭州南繞城項(xiàng)目中采用的SBS改性瀝青混合料相比，表現(xiàn)出的抗水損害性能及抗車轍性能較好。

石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料拌和樓采用日工-4000型拌和樓，碎石加熱溫度控制在180～185 ℃，瀝青加熱溫度控制在160 ℃左右。初始運(yùn)行期間，瀝青溫度偏低，泵送不連續(xù)，待溫度穩(wěn)定后基本恢復(fù)正常，但瀝青泵電流處于滿負(fù)荷狀態(tài)，后續(xù)施工需對瀝青加熱溫度進(jìn)行提高。各料斗運(yùn)輸皮帶轉(zhuǎn)速均勻，各檔集料流量符合配合比要求；礦粉添加系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各冷料倉之間設(shè)置了檔板隔離，依據(jù)目標(biāo)配合比進(jìn)行生產(chǎn)配合比熱料倉摻配比例調(diào)整，符合瀝青混合料的級(jí)配要求。

現(xiàn)場采用一臺(tái)福格勒SUP2100-3L型攤鋪機(jī)進(jìn)行半幅攤鋪(見圖10)。瀝青混合料到達(dá)現(xiàn)場溫度為170～180 ℃，攤鋪溫度約為165～170 ℃。采用走鋼絲線找平，設(shè)定攤鋪速度2.5 m/min，松鋪系數(shù)初設(shè)定為1.23。攤鋪前，對熨平板進(jìn)行預(yù)熱，現(xiàn)場檢測熨平板表面溫度為100 ℃。

現(xiàn)場采用1臺(tái) HAMM(HD138V)雙鋼輪振蕩壓路機(jī)前靜后振蕩2遍，復(fù)壓采用2臺(tái)徐工XP303P膠輪壓路機(jī)靜壓4～5遍(見圖11)，終壓收面采用1臺(tái) HAMM(HD138)雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1～2 遍。從現(xiàn)場碾壓完后的效果來看，整體鋪面較為均勻，但表面粉膠體偏多，可通過進(jìn)一步調(diào) 整碾壓工藝(遍數(shù)和組合方式)來提高碾壓效果。

圖10 現(xiàn)場攤鋪情況Fig.10 On-site paving situation

圖11 現(xiàn)場碾壓情況Fig.11 On-site rolling situation

在道路路面施工中，對到場瀝青和石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料取樣，進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)。通過原材檢測、抽提篩分、體積指標(biāo)及相關(guān)性能試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)本次試驗(yàn)段情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、175 ℃黏度、彈性恢復(fù)和旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)的質(zhì)量變化、殘留針入度比、殘留延度等指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。抽提篩分表明，油石比和合成級(jí)配與成產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果較為吻合。對現(xiàn)場取樣瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。用現(xiàn)場取的瀝青混合料成型試件，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證瀝青混合料的水穩(wěn)定性。檢測結(jié)果表明：該批瀝青混合料水穩(wěn)定性滿足要求。從現(xiàn)場取樣瀝青混合料成型試件，通過車轍試驗(yàn)檢驗(yàn)其高溫穩(wěn)定性，結(jié)果表明該批瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性滿足要求。另外，在施工現(xiàn)場進(jìn)行厚度、壓實(shí)度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度和平整度等指標(biāo)檢測，石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青混合料理論壓實(shí)度和厚度均滿足規(guī)范的相關(guān)要求；檢測的6個(gè)滲水測點(diǎn)，有1個(gè)測點(diǎn)不滿足滲水規(guī)定值，合格率為83.3%；摩擦系數(shù)現(xiàn)場實(shí)測的合格率為100%；構(gòu)造深度現(xiàn)場實(shí)測的合格率為100%；石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料施工段平整度也滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求； PG等級(jí)為PG82-22，各項(xiàng)性能均較橡膠瀝青有所改善提升；

(2)與SBS改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料相比，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性有顯著的提高，低溫抗裂性能與SBS改性瀝青混合料接近；

(3)基于室內(nèi)小型加速加載模擬試驗(yàn)，初步認(rèn)為石墨烯復(fù)合橡膠瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能；

(4)現(xiàn)場實(shí)體檢測結(jié)果表明，相比SBS改性瀝青混合料，石墨烯復(fù)合橡膠瀝青混合料表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性及抗水損害性能。