張四恒，李文凱，邵景干，王新嚴(yán)，王俊超

(1.河南交通投資集團有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南交院工程技術(shù)集團有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心， 河南 鄭州 450000； 3.河南建元公路附屬設(shè)施工程有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400)

隨著城市化的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，城鎮(zhèn)地勢高低起伏及前期規(guī)劃不合理易出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象，不利城市長遠發(fā)展?！昂＞d城市”概念的提出，開級配排水式(OGFC)瀝青路面也得到了廣泛應(yīng)用，OGFC瀝青路面設(shè)計空隙率為18%～25%，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部孔隙較大，且多為貫通，具有良好的抗滑、排水及降噪等作用。與常規(guī)AC型密級配瀝青路面相比，OGFC大孔隙特性更易受到雨水，空氣、光照及凍融等外界不利因素的影響，隨著使用年限的增加，其抗水損害及耐久性能會急劇衰減。因此，OGFC瀝青路面多選用高粘瀝青來增強混合料間的粘接強度及抗剝落能力。目前，常見的高粘瀝青多為高粘劑與瀝青復(fù)合改性制得，如TAFPACK-Supper(TPS)高粘改性瀝青。此外，選用隧道效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及大比表面積的納米材料對瀝青進行改性，能夠增強混合料的粘附性、熱學(xué)及力學(xué)等性能，以改善OGFC瀝青路面水穩(wěn)定性及耐久性不足的問題，延長其使用年限，如ZnO、納米黏土及SiO等。氧化石墨烯(GO)是一種新型石墨碳納米材料，具有二維層狀結(jié)構(gòu)，表面氧官能團多，比表面積大，與聚合物基質(zhì)相容性好等特點，作為改性劑能夠改善被改性材料的熱老化及力學(xué)性能。有學(xué)者將GO及聚氨酯復(fù)摻到瀝青混合料中進行研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合改性后的瀝青不僅儲存穩(wěn)定性良好，且混合料的高低溫及耐久性能也得到了顯著改善。有選用70及90道路石油瀝青展開研究發(fā)現(xiàn)，2種瀝青GO摻量分別為1.0%及3.0%時，瀝青路面整體路用性能較優(yōu)。又有選用薄膜烘箱(TFOT)及紫外(UV)老化試驗對不同GO摻量的90道路石油瀝青及SBS聚合物改性瀝青進行研究得出，適宜的GO摻量能夠改善瀝青的抗熱氧老化及抗紫外線老化性能。竹纖維是選用毛竹通過一定工藝加工而成的絮狀纖維，其來源廣泛、價格低廉、抗拉強度高及彈性模量大等特點被相關(guān)行業(yè)學(xué)者所關(guān)注。有將聚酯纖維摻入TPS瀝青混合料進行研究得出，聚酯纖維摻量為4%時，能夠有效降低TPS改性瀝青的低溫PG分級，改善混合料的低溫抗開裂能力；同時通過掃描電鏡試驗發(fā)現(xiàn)纖維能夠跨穿混合料內(nèi)部的裂縫，抑制縫隙的進一步發(fā)展，改善OGFC瀝青路面的抗疲勞性能。又有將木質(zhì)素纖維摻入到排水式瀝青路面中研究得出，適量的纖維摻量能夠增強瀝青與礦料之間的粘接能力，改善瀝青路面的抗塑性變形能力。

本文選用OGFC-13開級配排水式瀝青路面展開研究，結(jié)合前期對GO及纖維特性的了解，將GO及竹纖維摻入OGFC瀝青混合料中進行復(fù)合改性，并對復(fù)合改性后的瀝青膠漿及其混合料進行相關(guān)性能的研究，從而評價GO及竹纖維復(fù)合改性瀝青替代TPS高黏瀝青的可能性，緩解我國對高粘瀝青大量依靠進口的現(xiàn)狀，同時為納米材料及竹纖維作為復(fù)合改性劑應(yīng)用到OGFC瀝青路面中提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

本文選用的70A級道路石油瀝青、SBS I-C聚合物改性瀝青由中石油燃料油有限公司生產(chǎn)，TPS高粘瀝青為進口瀝青，3種瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果如表1所示。

表1 3種瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

1.2 氧化石墨烯

GO是一種新型石墨碳基納米材料，由325目石墨按Hummers方法制得，具有比表面積大(約為2 600 m/g)、表面官能團多及呈現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)等特點。本文選用的GO材料帶負電官能團，其在電位為-30 mV的中性水溶液中單層分散，單層厚0.8～1.1 nm ，C/O比為1.7，橫向長度1 mm。

1.3 竹纖維

本文選用湖南分布廣、異齡速生及固碳能力強的毛竹為原料材料，采用物理法進行加工竹纖維，加工流程如圖1所示。加工過程中選用質(zhì)量濃度1.5%的NaOH溶液浸泡絮狀纖維以去除果膠成分，減少纖維在混合料中結(jié)團，提高其界面粘接能力及分散性能。

圖1 竹纖維制備流程

參照《瀝青路面用木質(zhì)素纖維》(JTT 533—2020)對竹纖維主要技術(shù)指標(biāo)進行試驗，結(jié)果如表2所示。通過SEM電鏡試驗掃描竹纖維，發(fā)現(xiàn)其表面有凸起絮狀絨毛、直徑不一的現(xiàn)象；這些能夠與瀝青具有較強的吸附能力，其微觀形貌如圖2所示。

表2 竹纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

(a)×1 000倍 (b)×2 000倍

2 GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿性能

2.1 GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿制備

選用高速剪切機進行GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿的制備：①將70道路石油瀝青、SBS聚合物改性瀝青分別在160、170 ℃的烘箱內(nèi)烘制熔融狀態(tài)；②將一定摻量的GO摻入烘制好的瀝青當(dāng)中，用高速剪切機在300 r/min的轉(zhuǎn)速下高速剪切10 min；③再將一定摻量的竹纖維摻入，用高速剪切機在300 r/min的轉(zhuǎn)速下高速剪切15 min，最終制得GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿。70道路石油瀝青、SBS聚合物改性瀝青中GO的摻量分別為0.05%、0.2%(占瀝青質(zhì)量)。竹纖維的摻量擬定為1%(占瀝青質(zhì)量)。

2.2 60 ℃動力黏度

60 ℃動力黏度可以作為區(qū)別高粘瀝青與其他瀝青的重要技術(shù)指標(biāo)，能夠反映瀝青與礦料之間的粘附能力，也可表征瀝青的抗高溫變形能力。對不同復(fù)合改性瀝青及TPS高粘瀝青進行60 ℃動力黏度試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 60 ℃動力黏度試驗結(jié)果

由圖3可以得出，GO及竹纖維的摻入均能增大瀝青60 ℃動力黏度，表明GO及竹纖維能夠增強瀝青的粘附性，改善瀝青的抗飛散能力及高溫穩(wěn)定性能；此外，SBS+GO、SBS+GO+竹纖維兩種改性瀝青的60 ℃動力黏度高于TPS高粘瀝青，表明兩種改性瀝青具備高粘瀝青的特性，而70+GO+竹纖維復(fù)合改性瀝青的60 ℃動力黏度與TPS高粘瀝青相差不大，具有作為高粘瀝青的潛質(zhì)。

2.3 布氏黏度

布氏黏度表征瀝青的粘滯特性，是反映瀝青高溫流變性能的重要參數(shù)，與礦料之間的粘接強度關(guān)系密切。對不同復(fù)合改性瀝青及TPS高粘瀝青進行135、175 ℃布氏黏度試驗，試驗結(jié)果分布如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以得出，GO及竹纖維的摻入均能增大瀝青135 ℃及175 ℃布氏黏度，表明GO及竹纖維能夠增強瀝青的高溫粘稠度，改善瀝青的高溫穩(wěn)定性能，這主要因為GO的摻入能夠降低溫度對瀝青分子鏈的移動速度及自由體積的影響，改善瀝青與礦料之間的粘接能力，增強瀝青高溫抗變形能力；此外，SBS+GO、 SBS+GO+竹纖維兩種改性瀝青的135 ℃及175 ℃布氏黏度與TPS高粘瀝青相差不大，具有作為高粘瀝青的潛質(zhì)。

圖4 135 ℃布氏黏度

圖5 175 ℃布氏黏度

2.4 拉拔強度

選用涂料行業(yè)的拉拔試驗來分析瀝青與石灰?guī)r石板之間的粘接能力，通過Positest AT-A拉拔儀來進行試驗，其原理是通過拉拔瀝青粘附于石灰?guī)r石板表面的拉頭，極限抗拉破壞強度作為拉拔強度。選用干燥及潮濕2種狀態(tài)進行試驗，干燥試驗試件置于25 ℃烘箱內(nèi)靜置24 h，潮濕試驗試件置于60 ℃標(biāo)準(zhǔn)恒溫水浴中24 h；然后再放入25 ℃烘箱內(nèi)靜置10 min。不同瀝青膠漿、不同試驗狀態(tài)下拉拔強度試驗結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以得出，2種試驗狀態(tài)下?lián)紾O及竹纖維的70道路石油瀝青及SBS改性瀝青的拉拔強度均大于TPS高粘瀝青，表明GO及竹纖維的摻入能夠增強瀝青與石灰?guī)r石板的粘附能力，70+GO、70+GO+竹纖維、SBS+ GO、SBS+ GO+竹纖維具有作為高粘瀝青的潛質(zhì)，這主要因為GO能夠增強瀝青的粘彈能力，使瀝青內(nèi)部粘接密度增強并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而竹纖維可在瀝青中三維亂相分布，并起到加筋、搭橋的效果，從而拉拔強度得到提高。

圖6 干燥狀態(tài)下拉拔強度試驗結(jié)果

圖7 潮濕狀態(tài)下拉拔強度試驗結(jié)果

3 配合比設(shè)計

3.1 礦料級配

本文選用開級配排水式OGFC-13混合料展開研究，粗骨料粒徑分別為10～15、5～10、3～5 mm石灰?guī)r碎石，細骨料粒徑為0～3 mm石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r磨細的礦粉，相關(guān)礦料技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F40—2004相關(guān)規(guī)定。OGFC-13礦料級配設(shè)計結(jié)果如表3所示。

表3 OGFC-13礦料級配設(shè)計結(jié)果

3.2 最佳竹纖維摻量確定

為保證OGFC瀝青路面具有良好的承載能力、抗水損害及耐久性能，礦料間瀝青膜的厚度至關(guān)重要。混合料初始瀝青用量可依據(jù)公式1和公式2計算得到，OGFC混合料瀝青膜厚度為=14 μm時，根據(jù)本文礦料級配設(shè)計結(jié)果可以計算出初始油石比為5.01%。

=(2+002+004+008+014+03+06+16)÷4874

=×

式中：為礦料總表面積，mm；為初試瀝青用量，%；為瀝青膜厚度，μm；、、、、、、分別為礦料級配4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075 mm篩孔通過的質(zhì)量百分率，%。

竹纖維吸油率較大，在瀝青混合料中會吸附大量瀝青膠漿，導(dǎo)致最佳瀝青用量增加，為確定OGFC-13混合料中竹纖維的最佳摻量，混合料初始瀝青用量在5.01%的基礎(chǔ)上增加0.5%。本文選用SBS+GO改性瀝青進行竹纖維最佳摻量研究，竹纖維摻量分別為0%、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%(占混合料質(zhì)量)時，OGFC-13混合料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，隨著竹纖維摻量的增加，混合料空隙率、析漏損失及肯特堡飛散損失試驗結(jié)果均逐漸降低；但竹纖維摻量超過0.3%時，降低趨勢逐漸變緩，穩(wěn)定度試驗結(jié)果先升高后降低。當(dāng)竹纖維摻量為0.3%時，穩(wěn)定度達到峰值。這表明竹纖維的摻入能夠降低混合料的空隙率，增強混合料的粘接強度，綜合考慮OGFC-13混合料中竹纖維的最佳摻量為0.3%。

表4 不同竹纖維摻量下混合料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

3.3 最佳瀝青用量確定

在上文礦料級配的基礎(chǔ)上，竹纖維摻量為0.3%，以瀝青用量5.0%為中值，通過馬歇爾、析漏損失及肯特堡損失試驗確定不同改性瀝青OGFC混合料的最佳瀝青用量，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 最佳瀝青用量下混合料主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

4 路用性能

4.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，對溫度較為敏感，高溫環(huán)境下塑性增強，黏韌性降低。夏季炎熱天氣，表層瀝青路面溫度往往會達到60 ℃以上，局部炎熱地區(qū)甚至?xí)^70 ℃，在車輛軸載尤其重軸載作用下會發(fā)生永久性塑性變形，車轍、泛油、推移等病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。本文選用60 ℃室內(nèi)車轍試驗對不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料進行高溫穩(wěn)定性研究，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由圖8可以得知，GO、竹纖維的摻入均能改善OGFC-13混合料的高溫抗車轍能力。其中，70+0.3%竹纖維、70+0.05%GO、70+0.05%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較70普通混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別提高了20.8%、142.2%、222.5%；SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較 SBS改性混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別提高了21.3%、110.9%、170.2%；而70+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料動穩(wěn)定試驗結(jié)果均大于TPS高粘改性混合料，表明這3種改性瀝青在高溫穩(wěn)定性方面能夠替代TPS高粘瀝青應(yīng)用到OGFC-13混合料當(dāng)中。究其原因，層狀GO能夠與瀝青發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)增強了瀝青的粘接能力，使混合料結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，抗塑性變形能力增強；而竹纖維三維亂相分布在混合料內(nèi)部，起到吸附、穩(wěn)定瀝青及搭橋、增韌的效果，混合料高溫抗車轍能力顯著提高。

4.2 低溫抗裂性

冬季溫度較低時，瀝青混合料脆性增強，粘韌性降低，在車輛軸載及溫縮應(yīng)力作用下瀝青路面容易開裂，尤其OGFC屬于大孔隙排水式結(jié)構(gòu)層更易開裂，裂縫病害往往會在冬春季節(jié)交替時出現(xiàn)，裂縫、塊狀裂縫甚至龜裂等病害的出現(xiàn)是瀝青路面低溫抗開裂能力差的主要表現(xiàn)形式。

本文選用-10 ℃室內(nèi)小梁彎曲試驗對不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料進行低溫抗開裂性能研究，彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果

由圖9可以得出，GO的摻入對混合料彎曲破壞試應(yīng)變驗結(jié)果影響不大，甚至?xí)鳒p混合料的低溫抗開裂能力；而0.3%竹纖維的摻入混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均得到不同程度的提高，其中70+0.3%竹纖維、70+0.05%GO+0.3%竹纖維此2種改性混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果較70普通混合料分別提高了15.2%、24.1%；SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此2種改性混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果較SBS改性混合料分別提高了17.0%、23.5%；而SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此2種改性混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均大于TPS高粘改性混合料，表明這2種改性瀝青在低溫抗開裂性能方面能夠替代TPS高粘瀝青應(yīng)用到OGFC-13混合料當(dāng)中。究其原因，GO的摻入會一定程度上降低礦料之間的松弛能力及粘韌性能；而竹纖維三維亂相分散在混合料內(nèi)部，在細微裂縫的界面處起到加筋、接橋的作用，能夠有效阻止裂縫的進一步擴大。

4.3 水穩(wěn)定性

OGFC瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部孔隙較大并相互貫通，具有良好的排水性能，但在路表積水快速排出及車輛軸載的作用下會產(chǎn)生動水壓力及沖刷力，瀝青膠漿極易從孔隙中剝落，松散、坑槽等病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗對不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料進行抗水損害性能研究，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果分別見圖10、圖11。

圖10 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖11 凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果

由圖10、圖11可以得出，GO、竹纖維的摻入均能改善OGFC-13混合料的抗水損害能力；70+0.3%竹纖維、70+0.05%GO、70+0.05%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較70普通混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別提高了4.5%、6.6%、14.7%；SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較 SBS改性混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別提高了4.4%、7.0%、14.0%；70+0.3%竹纖維、70+0.05%GO、70+0.05%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較70普通混合料凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果分別提高了4.0%、8.5%、14.9%；SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料較 SBS改性混合料凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果分別提高了3.2%、4.8%、10.1%；70+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此種改性混合料整體水穩(wěn)定性能均優(yōu)于TPS高粘改性混合料，這3種改性瀝青在水穩(wěn)定性方面能替代TPS高黏瀝青應(yīng)用到OGFC-13混合料當(dāng)中。

4.4 抗滑性能

瀝青路面抗滑性能對車輛行駛安全起關(guān)鍵性作用，影響抗滑性能的因素有多種：路表構(gòu)造深度、粗骨料的磨光值及混合料礦料級配等。本文選用室內(nèi)車轍板試件進行構(gòu)造深度及擺式摩擦系數(shù)試驗來評價不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料抗滑性能，構(gòu)造深度及擺值試驗結(jié)果分別如圖12、圖13所示。

圖12 構(gòu)造深度試驗結(jié)果

圖13 擺值試驗結(jié)果

由圖12、圖13可以得出，GO及竹纖維的摻入對不同種類瀝青OGFC-13混合料構(gòu)造深度及擺值試驗結(jié)果影響不大，表明GO及竹纖維的摻入不會對OGFC-13瀝青路面的抗滑能力造成不利影響。究其原因，瀝青路面的抗滑性能主要有粗骨料磨光值及混合料礦料級配類型決定。

4.5 滲水系數(shù)

排水能力是OGFC瀝青路面最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，良好的排水能力能夠使路面積水快速排出路表，降低雨水對路面的侵蝕，同時能夠保證車輛行車安全。本文選用室內(nèi)車轍板試件進行滲水系數(shù)試驗來評價不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料的排水能力，滲水系數(shù)試驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 滲水系數(shù)試驗結(jié)果

由圖14可以得出，不同瀝青OGFC-13混合料滲水系數(shù)均不小于400 ml/min，表明OGFC瀝青路面憑借內(nèi)部大孔隙且相互貫通的特點具有良好的排水能力；GO及竹纖維的摻入均不同程度的降低滲水系數(shù)試驗結(jié)果。究其原因，GO及竹纖維均為親水性材料，雨水在孔隙中流動時會被GO及竹纖維吸附而產(chǎn)生粘滯作用，削弱了OGFC瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)層的排水能力，但影響作用不大。

5 結(jié)語

本文選用GO及竹纖維對不同瀝青進行復(fù)合改性，并對復(fù)合瀝青膠漿黏附性能及OGFC-13混合料進行相關(guān)性能研究得出：

(1)GO及竹纖維對不同瀝青的60 ℃動力黏度、135 ℃及175 ℃布氏黏度、拉拔強度均能起到增強的作用，GO及竹纖維復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高粘瀝青的潛質(zhì)；

(2)隨著竹纖維摻量的增加，OGFC-13瀝青混合料空隙率、析漏損失及肯特堡飛散損失試驗結(jié)果均逐漸降低，綜合考慮OGFC-13混合料中竹纖維的最佳摻量為0.3%；

(3)GO及竹纖維的摻入均能改善OGFC-13混合料的高溫抗車轍及抗水損害能力。其中，70+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料動穩(wěn)定試驗結(jié)果均大于TPS高粘改性混合料；70+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維此3種改性混合料整體水穩(wěn)定性能均優(yōu)于TPS高粘改性混合料；GO的摻入對OGFC-13混合料低溫抗開裂性能影響不大，而0.3%竹纖維的摻入混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均得到不同程度的提高；SBS+0.3%竹纖維、SBS +0.2%GO+0.3%竹纖維此2種改性混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均大于TPS高粘改性混合料；GO及竹纖維的摻入對不同種類瀝青OGFC-13混合料抗滑及排水性能影響不大。