石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青及其混合料性能評(píng)價(jià)

■姚孔軍

（福建新路達(dá)交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，南平 353000）

我國是汽車輪胎的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，隨之而來的是汽車廢舊輪胎數(shù)量的迅速增加，它們不僅占用土地資源， 而且輪胎高分子材料自然降解困難，其中還含有一些有毒有害的重金屬成分，容易引起環(huán)境污染和健康問題[1]。 現(xiàn)階段廢棄輪胎的處置途徑主要有填埋、燃燒和再利用，前兩種方法無疑會(huì)造成自然環(huán)境的污染和破壞[2]。 因此，如何有效地回收利用廢舊輪胎，實(shí)現(xiàn)“黑色垃圾”變廢為寶，具有重要的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。

研究發(fā)現(xiàn)，將廢舊輪胎處理成一定粒徑的橡膠顆粒，按照一定比例摻入瀝青中，可有效提高瀝青的技術(shù)性能，具有較好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益[3-7]。 然而，目前橡膠改性瀝青還存在一些問題，如容易離析、儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差等[8]。 已有研究表明，石墨烯具有較大的比表面積和層狀結(jié)構(gòu)， 可增加改性劑與瀝青的相容性，促進(jìn)形成穩(wěn)定的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而保證改性瀝青質(zhì)量穩(wěn)定[2]。 可見，摻加石墨烯有望改善橡膠改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)良好的工程應(yīng)用效果。

本研究制備了石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青，對(duì)其基本技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，然后將其應(yīng)用于混合料中，通過車轍試驗(yàn)、小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能。

1 原材料和方法

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

采用70 號(hào)基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 改性劑

采用40 目橡膠粉，橡膠粉技術(shù)指標(biāo)為：篩余物1.6%，灰分0.3%，橡膠烴含量56%，鐵含量0.012%；石墨烯技術(shù)指標(biāo)為堆積密度0.01 g·ml-1，純度為98 wt%，層數(shù)1～10，比表面積620 m2·g-1。

1.1.3 集料

集料的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青制備

將70 號(hào)基質(zhì)瀝青加熱至熔融， 使用干凈的玻璃棒攪拌5 min，令其處于良好的流動(dòng)狀態(tài)；依次加入0.05wt.%的石墨烯和20wt.%的橡膠粉，同時(shí)使用玻璃棒攪拌20 min，使石墨烯和橡膠粉初步混合在基質(zhì)瀝青中；進(jìn)而使用高速剪切機(jī)對(duì)初步混合后的瀝青樣品進(jìn)行連續(xù)高速剪切， 轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 000 r/min，時(shí)間設(shè)置為60 min，溫度控制在175℃～180℃；再進(jìn)行30 min 低速攪拌，令橡膠粉充分溶脹發(fā)育，最后得到石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青。

同時(shí)，制備不含石墨烯的橡膠改性瀝青作為對(duì)照組。 為簡(jiǎn)化表述，本文中基質(zhì)瀝青、橡膠改性瀝青、 石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青分別使用B、RB、GRB 表示。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

采用AC-13 型密級(jí)配，級(jí)配曲線見圖1。 根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法，確定最佳油石比為5.0%。

圖1 AC-13 型級(jí)配曲線

1.4 性能測(cè)試方法

對(duì)瀝青樣品分別進(jìn)行針入度試驗(yàn)、 軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)和離析試驗(yàn)，分析橡膠粉和石墨烯對(duì)瀝青基本指標(biāo)和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。 對(duì)板塊狀瀝青混合料試件進(jìn)行60°C 車轍試驗(yàn)， 采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)混合料高溫性能，具體操作方法參見我國現(xiàn)行規(guī)范T0719-2011《瀝青混合料車轍試驗(yàn)》。 將板塊狀瀝青混合料試件切割成小梁試件，進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)混合料低溫抗開裂性能，試驗(yàn)溫度設(shè)置為-10°C， 詳細(xì)操作過程參見我國現(xiàn)行規(guī)范T0715-2011《瀝青混合料彎曲試驗(yàn)》。對(duì)瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，采用浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比，評(píng)價(jià)混合料抗水損害性能，具體方法參見我國現(xiàn)行規(guī)范T0709-2011《瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)》和T0729-2000《瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)》。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

3 種瀝青樣品技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表3。 摻加橡膠粉后，瀝青針入度降低，延度、軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)差值增大。 橡膠粉使得瀝青的稠度和柔韌性增加，高溫抗變形能力和低溫延展性增強(qiáng)，但是儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差。 進(jìn)行復(fù)合改性后，針入度繼續(xù)降低，軟化點(diǎn)進(jìn)一步升高，延度有所降低，但是仍高于基質(zhì)瀝青，而軟化點(diǎn)差值則下降到接近基質(zhì)瀝青的水平。 可見， 石墨烯增強(qiáng)了瀝青高溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，但對(duì)低溫性能不利。 這是因?yàn)樵趶?fù)合改性過程中，石墨烯與溶脹后的橡膠粉相互糾纏，增強(qiáng)了改性瀝青內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了橡膠粉與瀝青的相容性，故其抗變形能力和儲(chǔ)存性能提高。 然而，石墨烯會(huì)吸附瀝青中輕質(zhì)組分，使得其低溫延展性有所下降。

表3 3 種瀝青樣品技術(shù)指標(biāo)

2.2 高溫抗車轍性能

高溫抗車轍性能試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見圖2。 普通（B 型）瀝青混合料、橡膠改性（RB 型）瀝青混合料和石墨烯—橡膠復(fù)合改性（GRB 型）瀝青混合料的車轍深度分別為3.65 mm、1.85 mm 和1.32 mm，動(dòng)穩(wěn)定度分別為2 659 次/mm、4 202 次/mm 和4 916 次/mm。相比前2 種瀝青混合料，GRB 型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了84.9%和17.0%， 有效改善了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。 這是因?yàn)槭┑膶訝罱Y(jié)構(gòu)與橡膠改性瀝青形成良好的交聯(lián)作用，降低了瀝青的流動(dòng)能力，從而提高了其高溫穩(wěn)定性。

圖2 高溫抗車轍性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 低溫抗開裂性能

小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見圖3。 RB 型和GRB型瀝青混合料破壞應(yīng)變均大于B 型瀝青混合料，說明改性瀝青混合料低溫性能更好。 相比RB 型瀝青混合料，GRB 型瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和勁度模量有所增長(zhǎng)， 但是破壞應(yīng)變卻出現(xiàn)了一定程度下降，不過仍高于2 500 με，滿足我國現(xiàn)行規(guī)范的最低要求。 這是因?yàn)槭┰鰪?qiáng)了橡膠改性瀝青的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度，但是會(huì)抑制瀝青分子的變形能力，導(dǎo)致其低溫抗開裂性能下降。

圖3 小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗水損害性能

馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果見圖4。RB 型瀝青混合料和GRB 型瀝青混合料的穩(wěn)定度均高于B 型瀝青混合料。 其中，GRB 型瀝青混合料的穩(wěn)定度增長(zhǎng)幅度達(dá)到14.3%，說明石墨烯和橡膠粉改性劑的加入使得瀝青混合料力學(xué)性能得到明顯提升。

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。 B 型、RB 型和GRB 型瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度分別為87.5%、89.4%、93.1%， 可見摻入改性劑有效提高了瀝青混合料的抗水損害性能，尤其是石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的提升效果最為顯著。而且，凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出相似的規(guī)律。 這是因?yàn)槭┰谙鹉z粉和瀝青之間起到橋接作用， 增強(qiáng)了瀝青自身的粘聚力及與集料的粘附力，從而改善了瀝青混合料對(duì)水損害的抵抗能力。

圖5 浸水殘留穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果

圖6 凍融劈裂強(qiáng)度比計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）橡膠粉可提高瀝青高溫抗變形能力和低溫延展性，但是存在離析問題。 通過石墨烯—橡膠復(fù)合改性方法可進(jìn)一步提高瀝青的高溫性能，同時(shí)改善瀝青的儲(chǔ)存性能，對(duì)低溫性能有一定程度不利影響，但仍優(yōu)于普通瀝青。 （2）相比普通瀝青混合料和橡膠改性瀝青混合料，石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了84.9%和17.0%， 高溫抗車轍性能優(yōu)異。 （3）石墨烯—橡膠復(fù)合改性瀝青混合料低溫抗開裂性能優(yōu)于普通瀝青混合料，但弱于橡膠改性瀝青混合料。 （4）石墨烯在橡膠粉和瀝青之間起到橋接作用，增強(qiáng)了瀝青自身的粘聚力及與集料的粘附力，提高了瀝青混合料對(duì)水損害的抵抗能力。