許珊珊， 王 碩， 王 鵬， 黃學(xué)欣

(1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江路升公路科技開發(fā)有限公司， 哈爾濱 150000)

0 引 言

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截止到2020年末，全國公路總里程已經(jīng)達(dá)到519.81萬km。目前，公路主要采用的瀝青路面，在車輛碾壓、凍融、暴曬等作用下，造成不同形式的損害,研究更優(yōu)質(zhì)環(huán)保的公路建設(shè)和公路養(yǎng)護(hù)方式成為亟待解決的問題。

石墨烯作為一種優(yōu)異的納米材料，可以極大提高瀝青的高溫性能、低溫性能和導(dǎo)電性能等。諸多學(xué)者研究了石墨烯改性瀝青，蔣文韜等[1]對(duì)石墨烯-SBS改性瀝青進(jìn)行了溫度掃描、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)和彎曲梁流變儀實(shí)驗(yàn)，指出石墨烯的摻入提高了SBS改性瀝青彈性及穩(wěn)定性。望遠(yuǎn)福等[2]研究出較優(yōu)的PVP修飾石墨烯配合比，提高了SBS改性瀝青在高溫作用下變形能力和抗水損害能力。謝忠安等[3]利用熒光顯微鏡發(fā)現(xiàn)石墨烯可以與SBS小分子相互纏結(jié)，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而改善瀝青性能。劉志航等[4]通過紅外光譜儀掃描研究石墨烯-SBS改性瀝青老化前后變化，指出石墨烯摻量越高，石墨烯-SBS改性瀝青抗老化性能越好。譚憶秋等[5]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維/石墨烯導(dǎo)電瀝青混合料有較明顯的非線性導(dǎo)電性為。黃維蓉[6]等指出墨烯-碳纖維瀝青混凝土的導(dǎo)電性能、抗變形能力以及水穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)瀝青混凝土都得到提升。王世成等[7]通過不同石墨烯摻量的復(fù)合改性瀝青的抗油蝕試實(shí)驗(yàn)研究，獲得石墨烯顯著提高了瀝青抗油蝕性能。王樹杰[8]對(duì)比分析石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青與SBS改性瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度、針入度和延度等指標(biāo)，指出石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青性能更優(yōu)異。 筆者通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究豎向應(yīng)變和石墨烯摻量對(duì)石墨烯-SBS改性瀝青混合料電阻率的影響，為導(dǎo)電瀝青混凝土路面自監(jiān)測和智能路面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

瀝青為遼河石化90號(hào)基質(zhì)瀝青；SBS改性劑為燕山石化SBS線性改性劑；石墨烯，電導(dǎo)率為105S/m、片層平均層數(shù)1～3層、堆積密度0.016 g/mL、含水量0.86%、片層直徑約5.29 μm。

1.2 石墨烯-SBS改性瀝青的制備

在基質(zhì)瀝青中加入5%SBS改性劑混合均勻，分別添加0、0.4%、0.5%、0.6%的石墨烯在170 ℃條件下剪切，得到混合均勻的石墨烯-SBS改性瀝青。導(dǎo)電瀝青一般用于中面層，礦料采用中粒式AC-16級(jí)配類型，油石比4.8%，試件尺寸為直徑100 mm，高100 mm的圓柱體。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(f40—2004)確定實(shí)驗(yàn)用瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，如表1所示，其中，列篩孔直徑為φ，質(zhì)量百分率為w。

表1 瀝青混合料混合料礦料級(jí)配范圍 Table 1 Table of grading range of asphalt concrete mixture

1.3 方案

采用外貼式二電極法[9]測量試件電阻，外貼式二電極法是將電極貼在試件上下表面，用萬用表連接兩個(gè)電極，然后對(duì)電阻值進(jìn)行讀取。石墨烯改性瀝青混合料的外表面是粗糙的，并且存在孔隙。為了減小實(shí)驗(yàn)測試的電阻與試件真實(shí)電阻之間的誤差，在測試電阻時(shí)，使用石墨布電極與外電線膠粘，制備電極，試件上下表面涂導(dǎo)電膠填充孔隙后貼銅導(dǎo)線和石墨布[10]，固化后連接萬用表測試試件兩端電阻。試件安裝完畢后，放在WE-1000B型數(shù)顯萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中以0.012 5 mm/s的速率進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，在加載過程中，每秒記錄萬用表中電阻數(shù)據(jù)，并密切關(guān)注試件形態(tài)變化。之后，利用已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的試件，將其分別放置在額定功率為800 W的微波爐中加熱2 min，放置在室溫條件下靜置24 h以上，再進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)并記錄電阻數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性瀝青物理特性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，對(duì)不同石墨烯摻量的瀝青進(jìn)行瀝青針入度實(shí)驗(yàn)如圖1所示，瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)(環(huán)球法)。瀝青變化過程如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，25 ℃、0.1 mm的針入度為P。

圖1 瀝青針入度實(shí)驗(yàn)Fig. 1 Asphalt penetration degree test

圖2 瀝青變化過程Fig. 2 Asphalt change process

從表2可知，延度隨石墨烯摻量的增加而降低，針入度及軟化點(diǎn)隨石墨烯摻量的增加出現(xiàn)不同程度的提高，針入度在石墨烯摻量為0.5%時(shí)，提高了2.47%,軟化點(diǎn)提高了19.72%，石墨烯顯著提高了瀝青的高溫性能。

表2 石墨烯-SBS改性瀝青物理指標(biāo)Table 2 Physical indicators of graphene-SBS modified asphalt

2.2 單軸壓縮變形對(duì)瀝青混合料電阻率影響

為了更直觀地了解石墨烯導(dǎo)電瀝青混合料單軸壓縮對(duì)電阻率的影響，如圖3所示。

由圖3可見，在摻入石墨烯且試件表面及內(nèi)部無裂縫的情況下，平均電阻率為4.395 Ω·m，具有良好的導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為三個(gè)階段：第一階段，隨著荷載增加，豎向位移增大，試件被壓密，電阻率略有下降；第二階段，裂縫開展階段，荷載進(jìn)一步增加，豎向位移繼續(xù)增大，試件出現(xiàn)微裂縫，電阻率出現(xiàn)波動(dòng)；第三階段，裂縫增大到一定程度，電阻率快速上升階段，試件開裂破壞，豎向位移迅速增大，電阻率也迅速上升，而且增速變快。電阻率的波動(dòng)是由于在壓縮試件過程中，隨著豎向位移的增大，瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂縫；最后試件破壞時(shí)，伴隨著裂縫迅速開展，電阻率急劇上升。為推進(jìn)瀝青路面智能化發(fā)展，利用導(dǎo)電瀝青自愈合性能，實(shí)現(xiàn)路面裂縫早發(fā)現(xiàn)早修復(fù)，又進(jìn)行了瀝青混合料自愈合后電阻變化實(shí)驗(yàn)。

圖3 電阻率隨豎向應(yīng)變變化曲線Fig. 3 Resistivity curve with vertical strain

微裂縫瀝青混合料自愈合后石墨烯-SBS改性瀝青混合料單軸壓縮對(duì)電阻率影響趨勢如圖4所示。不同石墨烯摻量試件電阻率對(duì)比曲線如圖5所示。

圖4 愈合后電阻率隨豎向應(yīng)變變化曲線Fig. 4 Resistivity change curve with vertical strain after healing

從圖4可以看出，自愈合后導(dǎo)電瀝青隨豎向位移的增大電阻率變化趨勢沒有變化，仍可分為三個(gè)階段。從圖5可以看出，愈合后試件電阻率略有上升，石墨烯摻量越高，改性瀝青流動(dòng)性越好，愈合前后電阻率變化越相近。

圖5 不同石墨烯摻量試件電阻率對(duì)比曲線Fig. 5 Resistivity contrast curve of differentgraphenecontent specimens

導(dǎo)電瀝青在自愈合后電阻率仍隨豎向位移即裂縫開展的增大而增大，故在實(shí)際工程中，可以在監(jiān)測到電阻率變化之后，直接對(duì)導(dǎo)電瀝青進(jìn)行加熱，加速導(dǎo)電瀝青混合料自愈合速度，并且對(duì)后續(xù)監(jiān)測無明顯影響。大裂縫試件電阻率在加載過程中電阻率一直較大，超出萬用表量程，故在裂縫已經(jīng)較大的情況下，并不能以電阻率來判斷路面損壞程度。

自愈合前后電阻率隨豎向位移即裂縫開展變化，可以得出對(duì)于不同程度損傷即不同寬度的裂縫，石墨烯-SBS改性瀝青混合料的自愈合效率明顯不同，并隨著損傷即裂縫寬度的增大而減弱，但隨著豎向位移即裂縫開展，電阻率明顯增大。

3 結(jié) 論

(1)實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯改性瀝青混合料自愈合后，電阻率變化情況與產(chǎn)生裂縫前規(guī)律相同，壓密階段、波動(dòng)階段以及破壞階段。僅電阻率整體偏大，壓密階段平均電阻率由3.56 Ω·m增加到3.64 Ω·m，波動(dòng)階段由3.91 Ω·m增加到3.95 Ω·m，破壞階段由11.21 Ω·m增加到11.57 Ω·m。

(2)導(dǎo)電瀝青自愈合對(duì)前期微裂縫修復(fù)有很好的效果，可以通過監(jiān)測電阻變化，盡早發(fā)現(xiàn)裂紋并修復(fù)，在檢測裂縫過程中，電阻率開始波動(dòng)時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行處理，可以防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。