雷潤祥，王永吉，張富奎

(1.甘肅省公路事業發展中心，蘭州 730030；2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730030； 3.甘肅暢隴公路養護技術研究院有限公司，蘭州 730030)

0 引 言

公路瀝青路面具有工程造價低、行車舒適、低噪音等特點,被廣泛應用于道路工程中，影響瀝青路面使用功能和壽命的因素較多，如交通量、環境因素及所使用的材料等[1-2]。隨著我國經濟的快速發展，交通量隨之不斷增加，且出現渠道化交通趨勢，傳統的改性瀝青路面由于高、低溫性能的不足經常出現龜裂、車轍、變形及開裂等問題，嚴重影響了瀝青路面的使用壽命和維護成本，這已成為當前我國交通領域面臨的重要難題之一[3-5]。目前，公路工程中使用的最普遍的瀝青改性劑為SBS，其在國內外使用已有超過20年的歷史，且在我國的市場占有率達到95%[6]，但根據調查，由于SBS改性瀝青的改性方式較為單一，瀝青路面性能沒有得到很好的改善，難以滿足瀝青路面的路用性能要求[7]。近年來，石墨烯材料憑借其優異的力學性能，作為添加材料逐漸被應用到各個領域。石墨烯材料主要應用于功能涂層和高模量復合材料等方面[8-12]，美國明尼蘇達大學研究人員將改性的石墨烯加入到聚氨酯涂層中，發現0.5%(質量分數)的添加量就能得到導電聚氨酯涂層，3.0%(質量分數)的添加量可將抗拉強度提升10倍。石墨烯在道路材料中的應用研究較少，學者們主要研究在瀝青材料中添加石墨烯材料。2018年5月31日，石墨烯復合橡膠改性瀝青在廣西南寧大橋成功鋪筑試驗段，這是石墨烯首次應用到瀝青混合料中。石墨烯復合橡膠改性瀝青在甘肅地區的使用還沒有研究成果。本文基于甘肅柳敦公路，主要研究了在瀝青中摻入適量石墨烯材料，并與傳統的SBS改性瀝青進行對比，同時根據試驗段的鋪筑情況對瀝青混合料的路用性能進行對比研究，為后期的工程使用提供數據對比分析。

1 工程概況

柳敦煌公路試驗段位于甘肅省酒泉市瓜州縣及敦煌市境內，地處河西走廊內陸，氣候干燥，降雨量小、蒸發量大，多風沙，太陽輻射強，氣溫日差較大，春季空氣干燥、大風偏多，夏季炎熱短促，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長，屬典型中溫帶大陸性荒漠氣候。綜合甘肅省內氣候、地質及地形等特點，根據甘肅省公路一級自然區劃分屬于河西荒漠大區，地勢平坦，綠洲、沙漠、戈壁相間分布，土地類型以砂性土和砂質土為主，太陽輻射強烈，晝夜溫差大，降水稀少，風沙大、沙塵暴等惡劣天氣多，年極端最高氣溫34～45 ℃，極端最低氣溫-29 ℃。研究段內路面設計以提高道路高溫抗車轍、低溫抗開裂及充分考慮投資情況為重點，路面上面層結構為4 cm厚石墨烯復合橡膠改性瀝青SMA-13瀝青混合料。

2 材料性能及級配曲線

2.1 集 料

集料采用瓜州盛騰石料廠生產的碎石，其主要性能經檢測均滿足甘肅省地方標準《公路瀝青路面施工技術規范》DB62/T 3136—2017和《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40—2004中高速公路瀝青混合料用集料質量的要求，檢測結果如表1所示。

表1 集料檢測結果Table 1 Aggregate test results

2.2 礦 粉

所用礦粉為敦煌榮興建材有限公司生產的礦粉，其主要性能指標經檢測均符合《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40—2004中對高速公路瀝青混合料用礦粉質量的相應要求，檢測結果如表2所示。

表2 礦粉檢測結果Table 2 Aggregate test results

2.3 膠結劑

所用膠結劑為甘肅公航旅石墨烯科技發展有限責任公司天水分公司生產的石墨烯復合橡膠改性瀝青(GRA)。

2.4 級配曲線

根據集料的篩分結果首先選擇了三種級配，然后根據工程實際應用情況選擇油石比，采用馬歇爾擊實儀成型試件進行試驗，得出試件的體積指標。根據體積指標及穩定度初選一組滿足或接近設計要求的級配作為設計級配，瀝青混合料級配如表3所示。

表3 瀝青混合料級配類型Table 3 Gradation type of asphalt mixture

分別測定三種級配的粗集料骨架間隙率(VCADRC)，初試油石比按6.1%雙面各擊實75次制作試件，測定粗集料骨架間隙率最小值(VCAmix)及礦料間隙率(VMA)等指標，在滿足VCAmix不大于VCADRC和VMA不小于17.0%等條件的基礎上確定級配，試驗結果如表4和表5所示。

表4 VCADRC測試結果Table 4 VCADRC test results

表5 初試級配的體積分析Table 5 Volume analysis of primary gradation

可以看出級配1礦料間隙率不滿足要求，級配2各項指標滿足要求，級配3瀝青飽和度不滿足要求，結合當地情況及實踐經驗，本次試驗選擇級配2為設計級配。

3 瀝青結果與分析

選擇GRA、橡膠SBS改性瀝青(試驗室自制)、成品SBS改性瀝青為研究對象，進行常規試驗、多應力重復蠕變(multiple stress creep and recovery，MSCR)試驗、動態剪切流變(dynamic shear rheometer，DSR)試驗。

3.1 常規性能指標

常規試驗包括針入度、延度、軟化點、密度、135 ℃運動黏度、25 ℃彈性恢復以及旋轉薄膜加熱短期老化后的質量變化比、殘留針入度比和殘留延度等，檢測結果如表6所示。

表6 瀝青試驗檢測結果Table 6 Asphalt test results

GRA的針入度結果與橡膠SBS改性瀝青持平，相比SBS改性瀝青降低了12.7%。GRA相比較于SBS改性瀝青其硬度增大，抗變形能力顯著增強，但硬度與橡膠SBS改性瀝青相當。其軟化點比橡膠SBS改性瀝青增加了14.1%，相比SBS改性瀝青持平；其高溫穩定性及其高溫抗變形能力與SBS改性瀝青相當，優于橡膠SBS瀝青；其彈性恢復較橡膠SBS改性瀝青增加了6.5%，較SBS改性瀝青降低了2.5%，抵抗變形后恢復的能力較橡膠SBS改性瀝青有所增加；GRA抵抗短期老化的性能明顯優于SBS改性瀝青和橡膠SBS改性瀝青。

3.2 MSCR

MSCR的評價指標為作用力分別為0.1 kPa、3.2 kPa下的不可恢復的蠕變柔量Jnr-0.1 kPa、Jnr-3.2 kPa及不可恢復的蠕變柔量變化率Jnr-diff，試驗結果如表7所示。

表7 GRA的MSCR試驗結果Table 7 MSCR test results of GRA

SBS改性瀝青64 ℃下的Jnr-3.2 kPa為0.61，屬于較重荷載范疇，不滿足超重荷載要求。GRA和橡膠SBS改性瀝青的64 ℃下的Jnr-3.2 kPa分別為SBS改性瀝青的0.15倍和0.26倍，且均小于0.5，屬于超重荷載標準,說明GRA對于超重載交通的適應能力相比SBS改性瀝青更優異。GRA 64 ℃下的Jnr-diff分別比橡膠SBS復合改性瀝青和SBS改性瀝青小0.17和0.10，說明前者相比后兩者對于應力水平的增加敏感度更低。70 ℃下Jnr-3.2 kPa的變化規律與64 ℃下的一致。

3.3 DSR

G*/sinδ為抗車轍因子，用來表征瀝青膠結料抵抗高溫下永久變形的能力。為了研究SBS改性瀝青、橡膠SBS復合改性瀝青、GRA的高溫性能，在52～82 ℃范圍內，每6 ℃取一個點進行溫度掃描試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1 三種改性瀝青的車轍因子和相位角隨溫度的變化曲線Fig.1 Change curves of rutting factor and phase angle of three modified asphalts with temperature

橡膠SBS復合改性瀝青的抗車轍能力最好，GRA次之，SBS改性瀝青最差。相位角的結果發現，GRA的相位角隨溫度的變化不明顯，基本維持在50°左右，相比SBS改性瀝青表現為更多彈性，而橡膠SBS復合改性瀝青的相位角隨溫度的變化表現為增大趨勢，說明其相比其他兩種改性瀝青，溫度敏感性更大。

4 試驗段室內試驗結果與分析

現場采集GRA及瀝青混合料試樣，并進行室內體積指標和路用性能試驗。

4.1 瀝青混合料體積指標

在瀝青路面面層施工前，為檢驗拌和站所生產瀝青混合料質量，從施工現場取樣并送至室內試驗室進行馬歇爾擊實試驗，以檢驗瀝青混合料的體積指標，試驗結果如表8所示。

表8 瀝青混合料體積指標Table 8 Volume index of asphalt mixture

從體積指標可以看出，GRA的空隙率、穩定度略小于SBS改性瀝青混合料，其他指標基本一致。

4.2 瀝青混合料路用性能

(1)水穩定性能

根據設計油石比及級配進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗以檢驗GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果如表9所示。

表9 浸水馬歇爾穩定度試驗結果Table 9 Test results of immersion Marshall stability

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的殘留穩定度比(MSO)分別為92.4%和91.05%，GRA混合料具有更好的水穩定性能，抵抗水損害性能高于SBS改性瀝青混合料類型。

(2)高溫穩定性能

在(60.0±0.5) ℃、(0.7±0.05) MPa條件下進行車轍試驗，不同類瀝青混合料分別制作3個車轍試件，試驗結果如表10所示。

表10 車轍試驗結果Table 10 Rutting test results

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的動穩定度值分別為8 883次/mm和7 159次/mm，表明GRA混合料具有較好的高溫穩定性能，在同等使用條件下抗車轍性能更強。

(3)低溫抗裂性試驗

對GRA和SBS改性瀝青混合料進行小梁彎曲試驗，以分析GRA混合料的低溫抗裂性能，試驗結果如表11所示。

表11 小梁彎曲試驗結果Table 11 Beam bending test results

GRA混合料和SBS改性瀝青混合料的破壞應變為3 869.4 με和2 955.5 με，SBS改性瀝青混合料的抗彎拉強度、破壞應變及勁度模量值均較小，表明GRA混合料具有較好的低溫抗裂性能。

5 試驗段指標分析

對石墨烯橡膠復合改性瀝青混合料試驗段進行現場檢測，檢測壓實度、滲水、構造深度及15 ℃劈裂強度。

(1)壓實度檢測，試驗結果如表12所示。

表12 壓實度檢測結果Table 12 Compaction test results

(2)滲水檢測，試驗結果如表13所示。

表13 滲水檢測結果Table 13 Water seepage test results

(3)構造深度檢測，試驗結果如表14所示。

表14 構造深度檢測結果Table 14 Construct depth inspection results

(4)芯樣劈裂強度檢測，試驗結果如表15所示。

表15 芯樣劈裂強度試驗結果Table 15 Core sample split strength test results

試驗結果表明,在同等壓實功下，GRA的壓實度為96.4%大于SBS改性瀝青的壓實度，表明該瀝青混合料在施工過程中更易于壓實，路面整體的壓實度較高。鋪筑后GRA路面基本不滲，SBS改性瀝青路面滲水系數4.25 mL/min，路面芯樣劈裂強度是SBS改性瀝青的1.08倍，構造深度較SBS改性瀝青降低0.31，從另一方面又驗證了GRA路面較為密實，滲水較小、強度較高，與SBS改性瀝青相比構造深度有所降低。

6 結 論

(1)GRA與SBS改性瀝青相比，針入度降低了12.7%，軟化點、高溫穩定性及其高溫抗變形能力相當，抗應力變形能力及應力敏感性有所提升；GRA與橡膠SBS改性瀝青相比，軟化點增加了14.1%，彈性恢復增加了6.5%，針入度相當，高溫穩定性及其高溫抗變形能力有所提升。

(2)通過水穩定性試驗、高溫穩定性及低溫抗裂性能試驗結果表明，GRA混合料較SBS改性瀝青混合料表現出良好的水穩定性能、高溫性能和低溫性能。

(3)與SBS改性瀝青混合料相比GRA混合料更易于壓實，瀝青路面較為密實，滲水較小、強度較高，但構造深度有所降低。