后樂田，蔡乾東，馬靖龍，左 強，邊瑞鵬

（1.甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.陜西東道特種路面科技有限公司，陜西 西安 712000；3.甘肅格瑞工程檢測有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

近年來，通過將兩種及兩種以上的改性劑進(jìn)行復(fù)配，采用專用設(shè)備工廠化生產(chǎn)的新型復(fù)合改性瀝青已成為行業(yè)熱點，復(fù)合改性技術(shù)可以使瀝青及瀝青混合料的各項性能得到全面的改善[1-2]。大量研究表明：將廢胎橡膠粉與SBS改性劑進(jìn)行復(fù)合，可以發(fā)揮兩種改性材料的各自優(yōu)勢，制備的復(fù)合改性瀝青性能優(yōu)良、經(jīng)濟環(huán)保，顯著提高瀝青混合料高低溫性能、抗疲勞及耐久性[3]。石墨烯（Graphene）是一種具有優(yōu)異的高強度、超薄、高韌性、導(dǎo)熱及超高比表面積特征的納米材料，廣西自治區(qū)、甘肅等地先后將石墨烯作為一種新興添加劑用于生產(chǎn)橡膠復(fù)合改性瀝青，并在不同地區(qū)高等級公路瀝青路面工程應(yīng)用中取得了良好路用效果[4-5]。工程實踐表明：石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青是由石墨烯、廢胎膠粉、SBS改性劑按一定比例與基質(zhì)瀝青混合，并輔以相關(guān)助劑及穩(wěn)定劑，經(jīng)工廠加工生產(chǎn)的新型復(fù)合改性瀝青[6-7]，有效地改善了瀝青內(nèi)聚力、高溫抗變形、低溫韌性及抗裂性、變形恢復(fù)、抗老化及抗疲勞等性能[8-9]；與傳統(tǒng)橡膠改性瀝青相比，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的黏度、施工和易性略有改善；與傳統(tǒng)SBS改性瀝青相比，在大風(fēng)大溫差工況環(huán)境下，施工過程中仍出現(xiàn)黏度大、溫度高、降溫快，有效碾壓時間短等實際問題。

眾所周知，瀝青混合料路用性能、施工性能與工況及運行環(huán)境特征息息相關(guān)。石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青混合料是一種溫度敏感性熱拌材料，因其黏度大、施工溫度高，拌和、運輸、攤鋪、壓實等各環(huán)節(jié)的溫度控制更加至關(guān)重要[10]。本文依托的G312線七墩至瓜州公路工程，在國內(nèi)尚屬首次大面積采用石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青技術(shù)。項目位于河西走廊西端的瓜州境內(nèi)，素有“世界風(fēng)庫”和“一年一場風(fēng)，從春刮到冬”之稱，最大風(fēng)力12級，年均風(fēng)力3級～4級，日均風(fēng)速大于3.5 m/s、風(fēng)大沙多；瓜州屬大陸性干旱氣候，降雨稀少、夏季炎熱、冬季寒冷、日均晝夜溫差為15～20℃，具有典型大風(fēng)大溫差工況環(huán)境特征。通常，風(fēng)速越大、瀝青混合料熱能傳遞及降溫速率就越大，施工和易性就越差，導(dǎo)致路面空隙率、壓實度及平整度不易控制[11]；傳統(tǒng)采用分時段提高拌和溫度的方法不利于施工現(xiàn)場組織管理，如果拌和溫度過高，極易導(dǎo)致集料表面的瀝青膜出現(xiàn)早期老化現(xiàn)象，從而降低瀝青混合料路用性能與使用壽命。

大量研究表明，采用溫拌技術(shù)能夠有效彌補橡膠改性瀝青施工溫度過高的缺點，不僅可以改善瀝青黏度、降低拌和及碾壓溫度，而且還可以節(jié)約加熱能耗、減少污染排放、改善路面施工環(huán)境，同時極大地促進(jìn)廢舊輪胎高效循環(huán)利用，是目前國際上公認(rèn)的一項雙重節(jié)能減排與環(huán)保施工技術(shù)[12]。綜上所述，為解決橡膠復(fù)合改性瀝青面臨的實際施工問題，保障河西地區(qū)大風(fēng)大溫差工況環(huán)境下瀝青路面施工質(zhì)量，開展溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青及混合料路用性能研究具有積極現(xiàn)實意義。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 礦料

粗集料采用瓜州柳園石料廠生產(chǎn)的輝綠巖碎石，試驗結(jié)果如表1所示；細(xì)集料采用機制砂，砂當(dāng)量為55%；填料由石灰?guī)r碎石研磨的礦粉，親水系數(shù)為0.8；粗、細(xì)集料及礦粉其他指標(biāo)經(jīng)檢測均符合技術(shù)要求。

表1 粗集料試驗結(jié)果Tab.1 Coarse aggregate test results

1.2 溫拌瀝青制備與試驗

石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青由90號A級道路石油瀝青、40目橡膠粉（15%～18%）、SBS改性劑（2.5%～3.0%）、石墨烯（0.1‰～0.15‰）、穩(wěn)定劑及分散液等材料組成，采用工廠化二級研磨剪切工藝生產(chǎn)的新型成品復(fù)合改性瀝青，如圖1所示。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的改性機理可歸為高分子材料共混改性，橡膠粉交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、SBS改性劑物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及三維立體構(gòu)造石墨烯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互作用，石墨烯的界面增強、分散及橋接作用，在復(fù)合改性體系形成新的立體復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使瀝青的改性效果及路用性能得到全面提高。

圖1 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Fig.1 Graphene composite rubber modified asphalt

選用自主研發(fā)的DWMA-S（AR專用）溫拌劑，其為墨綠色液體，密度0.95 g/cm3，由植物烴烷基有機材料與高分子表面活性劑復(fù)配而成，通過臨時降低瀝青分子與橡膠粉、SBS交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的表面自由能及黏度而達(dá)到溫拌效果。室內(nèi)制備溫拌瀝青時，先將石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青加熱至165～170℃，再將一定摻量（瀝青質(zhì)量的0.5%）的溫拌劑緩慢添加至熱熔瀝青中，添加時用玻璃棒勻速攪拌3～5 min，如圖2所示。攪拌均勻后，將溫拌瀝青放入160～165℃的烘箱恒溫30 min，再將溫拌瀝青取出并快速攪拌后進(jìn)行澆模制件。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青及溫拌瀝青試驗結(jié)果如表3所示，相關(guān)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

表3 不同類型石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青試驗結(jié)果Tab.3 Test results of different types of graphene composite rubber modified asphalt

由表3可以看出：與常規(guī)石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青相比，添加0.5%溫拌劑后，175 ℃運動黏度降低18.1%，這主要是因為溫拌劑改善了膠粉在復(fù)合體系中的脫硫、分散效果，在植物烴烷基組分、增塑及表面活性劑等綜合作用下，降低了復(fù)合改性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的表面自由能，使其呈現(xiàn)出降黏特征；溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青25 ℃彈性恢復(fù)比常規(guī)瀝青提高3.2%，老化前后5 ℃低溫延度分別提高36.1%、10.8%，可以看出，溫拌劑可以大幅改善復(fù)合改性瀝青的低溫韌性及抗裂性能；石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青添加溫拌劑后，恒溫30 min后軟化點下降3.41%，恒溫6 h后軟化點反而恢復(fù)至99.4%，這與溫拌劑中增塑組分使瀝青變軟有關(guān)，當(dāng)溫拌劑固化組分化學(xué)反應(yīng)充分結(jié)束后，瀝青軟化點逐漸恢復(fù)原狀，其影響可以忽略不計。

1.3 半間斷型礦料級配設(shè)計

我國常用熱拌瀝青混合料按礦料級配組成可分為連續(xù)級配、間斷級配和開級配。傳統(tǒng)連續(xù)級配瀝青混合料的空隙率較小，不足以為膠粉溶脹提供空間；間斷級配中粗集料顆粒之間既能形成嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，又能預(yù)留較大空隙被膠粉顆粒填充，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高低溫性能[13]。美國亞利桑那州的橡膠瀝青混合料推薦采用半間斷級配，級配中粗集料偏多、細(xì)集料偏少。馬峰等[14]進(jìn)行了不同級配復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能研究，結(jié)果表明采用半間斷級配復(fù)合改性瀝青混合料的抗車轍能力均優(yōu)于間斷級配和連續(xù)級配，動穩(wěn)定度約為間斷級配的1.5倍，可見級配對復(fù)合改性瀝青混合料的抗車轍能力有著重要影響。

石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青是經(jīng)過研磨剪切后的“濕法”工藝，橡膠粉與瀝青中的輕質(zhì)組分容易相互吸附，溶脹后的膠粉顆粒體積可增大2倍以上，礦料級配設(shè)計時不能忽略膠粉溶脹的影響[15]。Superpave-13屬骨架密實型的連續(xù)級配，為充分發(fā)揮石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青與Superpave-13結(jié)構(gòu)的組合優(yōu)勢，Superpave-13采用半間斷型礦料級配設(shè)計理念：一是適當(dāng)增加粗集料含量，使粗集料之間形成骨架嵌擠（粗集料骨架間隙率VCAmix≤粗集料骨架的松裝間隙率VCADRC）結(jié)構(gòu)；二是細(xì)集料2.36～4.75 mm形成間斷，4.75～9.5 mm介于連續(xù)級配與間斷級配之間形成半間斷（4.75 mm通過率30%～38%）；三是使粗細(xì)集料之間形成填充而不干涉，瀝青膠漿有效填充與增加瀝青膜厚度，保證一定的空隙率及膠粉顆粒溶脹空間，且不易產(chǎn)生水損、凍脹損壞，使瀝青混合料體積指標(biāo)及路用性能達(dá)到平衡狀態(tài)。

綜上，通過對初試三種合成級配及體積指標(biāo)的比選，最終選定及優(yōu)化的半間斷型Superpave-13礦料合成級配如表4所示，最佳油石比為5.1%，瀝青混合料檢驗結(jié)果如表5所示。

表4 半間斷型Superpave-13礦料合成級配Tab.4 Semi gap-graded Superpave-13 aggregate composite grading

表5 半間斷型Superpave-13體積指標(biāo)與馬歇爾試驗結(jié)果Tab.5 Semi gap-graded Superpave-13 volume index and Marshall test results

2 施工溫度的確定

2.1 常規(guī)施工溫度

通常情況下，SBS與橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料生產(chǎn)時，石料加熱溫度為185～195 ℃，瀝青加熱溫度為175～180 ℃，出料溫度為175～185 ℃，初壓溫度不低于170 ℃，復(fù)壓溫度不低于160 ℃。在石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青體系中，分散均勻的石墨烯能夠起到插層及潤滑作用，使流體狀態(tài)下膠粉顆粒之間的摩擦力降低，和易性變好[16]。曹青霞等[17]對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料壓實特性進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明：160 ℃壓實溫度可以滿足壓實要求，170 ℃壓實溫度下，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料更易于壓實，且壓實后瀝青混合料的穩(wěn)定性更好。在進(jìn)行半間斷型石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Superpave-13初始級配篩選與體積指標(biāo)對比試驗時，室內(nèi)160～165 ℃成型制件，在此溫度下瀝青混合料相關(guān)指標(biāo)均滿足要求。

2.2 目標(biāo)空隙率法

目前，國內(nèi)外溫拌劑產(chǎn)品種類繁多、質(zhì)量參差不齊，但大多都是通過改變黏度達(dá)到降低施工溫度的目的。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的黏度與橡膠粉的目數(shù)、摻量、溫度及存儲時間等因素有關(guān)，溫度過高、存儲時間過長或到場瀝青出現(xiàn)離析時，都有可能導(dǎo)致瀝青黏度或其他指標(biāo)出現(xiàn)衰變[18]。我國現(xiàn)行瀝青路面規(guī)范中，黏溫曲線是確定熱拌瀝青混合料溫度參數(shù)的重要方法，該方法用于普通基質(zhì)瀝青結(jié)合料比較準(zhǔn)確，對于新型表面活性或油溶性溫拌橡膠復(fù)合改性瀝青來說，由于溫拌劑組分復(fù)雜及降黏機理差異性大，加之橡膠復(fù)合改性瀝青自身存在離析、黏度不穩(wěn)定性等影響，采用黏溫曲線法確定的施工溫度參數(shù)往往偏高、波動性大，實際施工時不可取[19]，無法真實地反映溫拌瀝青混合料的施工特性。

眾所周知，溫拌劑可以改善瀝青混合料的壓實效果，空隙率則是評價壓實質(zhì)量的重要指標(biāo)。有關(guān)研究表明，在保證原有瀝青混合料路用性能的基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)空隙率法確定的施工溫度參數(shù)，更有利于指導(dǎo)溫拌施工?；诖?，選定半間斷型Superpave-13的目標(biāo)空隙率為4%，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型法（N初始=8次，N設(shè)計=100次，N最大=160次）制備試件，測定的不同溫拌劑摻量、不同成型溫度下空隙率變化如圖3所示。

圖3 不同溫拌劑摻量、不同成型溫度下空隙率試驗結(jié)果Fig.3 Test results of air voids under different volume of warm additive and different compaction temperature

由圖3可以看出，添加DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料成型溫度越高，空隙率則越?。幌嗤尚蜏囟认?，隨著溫拌劑的摻量變大，空隙率出現(xiàn)了大幅減小，表明添加溫拌劑的瀝青混合料更易于壓實。當(dāng)溫拌劑摻量為0.3%時，低于150℃成型溫度的空隙率不滿足設(shè)計要求，瀝青混合料的降溫幅度及和易性改善效果不明顯；摻量為0.7%時，130℃成型溫度的空隙率接近4%，150℃成型溫度的空隙率則小于3%，空隙率過于偏低，不利于膠粉顆粒溶脹；摻量為0.5%時，140℃成型溫度的空隙率最接近4%，考慮到河西地區(qū)大風(fēng)大溫差環(huán)境對瀝青混合料降溫速率的影響，溫拌劑摻量為0.5%、成型溫度為140～145 ℃時比較符合工程實際，同時材料的綜合成本控制也較為經(jīng)濟合理。

2.3 物理-力學(xué)指標(biāo)檢驗

溫拌技術(shù)用于改善熱拌瀝青混合料的施工溫度條件、施工和易性，但其使用原則是必須保證溫拌瀝青混合料路用性能滿足要求。為檢驗溫拌瀝青混合料與常溫混合料指標(biāo)變化情況，相同配合比、不同成型溫度條件下，半間斷型石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Superpave-13物理-力學(xué)指標(biāo)如表6所示。

表6 不同成型溫度下瀝青混合料物理-力學(xué)指標(biāo)Tab.6 Physical-mechanical indexes of asphalt mixture at different compaction temperatures

由表6可以看出，添加0.5%溫拌劑后，溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料在140～145 ℃的成型溫度下，與常規(guī)瀝青混合料160～165 ℃成型的物理-力學(xué)指標(biāo)基本相當(dāng)。這也表明，添加0.5%DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，施工溫度降低20℃時，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料物理-力學(xué)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

3 路用性能評價

3.1 高溫性能

河西地區(qū)夏季氣溫高、日照時間長，對瀝青路面的抗變形能力提出了更高的要求，預(yù)防車轍是提升該地區(qū)瀝青路面工程質(zhì)量與服務(wù)品質(zhì)的首要任務(wù)[20]。采用動穩(wěn)定度指標(biāo)檢驗不同瀝青混合料的高溫抗車轍能力，常規(guī)混合料車轍板制件溫度為160～165 ℃，溫拌制件溫度為140～145 ℃，60℃±0.5℃、輪壓0.7MPa±0.05MPa條件下，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，半間斷型石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Superpave-13表現(xiàn)出了優(yōu)越的抗車轍能力，由于橡膠粉溶脹后以微?；蚪z狀隨機分布在瀝青相中，膠粉釋放出的橡膠烴分子鏈嵌入到SBS溶脹后的網(wǎng)絡(luò)中，SBS與膠粉重建的交聯(lián)網(wǎng)狀起到結(jié)構(gòu)支撐與加筋作用，石墨烯材料力學(xué)性能優(yōu)勢得以發(fā)揮，使瀝青混合料抗車轍性能得到顯著提高。添加0.5%溫拌劑后，瀝青混合料動穩(wěn)定度略有降低，這與溫拌劑對復(fù)合改性瀝青軟化點影響規(guī)律一致，隨著時間的延長，當(dāng)溫拌劑輕質(zhì)組分揮發(fā)及固化還原后，基本能夠恢復(fù)瀝青混合料的抗車轍能力。

圖4 瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.4 Dynamic stability test results of asphalt mixture

3.2 低溫性能

河西地區(qū)大風(fēng)大溫差工況環(huán)境與冬季寒冷氣候特征，往往使得半剛性基層瀝青路面在施工及使用過程中極易出現(xiàn)干縮、溫縮及凍脹等引起的裂縫，可提升瀝青混合料自身抗裂能力，從而抑制及延緩半剛性基層反射裂縫的擴展速度[21]。采用小梁低溫彎曲試驗檢驗低溫抗裂性能，-10℃、加載速率50 mm/min條件下，半間斷型石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青Superpave-13最大破壞應(yīng)變試驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯捎谑?dǎo)熱率高、熱量傳遞快，從而降低瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部因溫差引起的溫度應(yīng)力，同時膠粉顆粒能夠吸收和消耗大量斷裂應(yīng)力，從而增強了瀝青路面低溫抗開裂的能力。與常規(guī)混合料相比，溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變提高7.2%，這與溫拌劑提高復(fù)合改性瀝青低溫延度有直接關(guān)系。

圖5 瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果Fig.5 Low temperature bending test results of asphalt mixture

3.3 水穩(wěn)定性

石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗結(jié)果如圖6、圖7所示。可以看出，添加溫拌劑后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度略有降低，這與溫拌劑中輕質(zhì)組分揮發(fā)不充分有關(guān)；凍融劈裂強度比反而略有提升，這與溫拌劑能夠改善低溫抗裂性能有關(guān)，總體上仍表現(xiàn)出良好的抗水損壞能力。

圖6 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.6 Residual stability test results of asphalt mixture

圖7 瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.7 Freeze-thaw splitting test results of asphalt mixture

4 結(jié)論

（1）石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青與半間斷型Superpave-13結(jié)構(gòu)組合優(yōu)勢明顯，不僅兼顧了復(fù)合改性體系中橡膠粉顆粒的溶脹空間問題，而且提高了瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂能力及水穩(wěn)定性，這對提升河西地區(qū)大風(fēng)大溫差工況環(huán)境下瀝青路面工程質(zhì)量與耐久性具有現(xiàn)實意義。

（2）添加0.5%DWMA-S（AR專用）溫拌劑后，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青175℃運動黏度降低18.1%，25℃彈性恢復(fù)提高3.2%，老化前后5℃低溫延度分別提高36.1%、10.8%；恒溫30 min后軟化點下降3.41%，恒溫6 h后軟化點恢復(fù)至99.4%，隨著恒溫時間的延長，可以忽略不計。

（3）溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青在140～145 ℃成型溫度下，與常規(guī)瀝青混合料在160～165 ℃成型的馬歇爾物理-力學(xué)指標(biāo)基本相當(dāng)；采用DWMA-S（AR專用）溫拌劑可降低施工溫度20℃，不僅能改善河西地區(qū)大風(fēng)大溫差環(huán)境下施工條件，而且節(jié)約加熱能耗，減少污染排放，具有雙重節(jié)能減排與環(huán)保效益。

（4）溫拌石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料與常規(guī)混合料相比，動穩(wěn)定度及水穩(wěn)定性略有降低，低溫彎曲破壞應(yīng)變提高7.2%，這與溫拌劑對復(fù)合改性瀝青指標(biāo)影響規(guī)律基本一致。