石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青性能研究

鄭躍慶 張互助 王 凱 趙錦軒

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

為解決瀝青路面裂縫、車(chē)轍、松散剝落等病害，通常對(duì)瀝青進(jìn)行改性。當(dāng)前的瀝青改性材料類(lèi)型主要包括聚合物類(lèi)、橡膠類(lèi)、納米類(lèi)和纖維類(lèi)等。

玄武巖纖維是近些年來(lái)出現(xiàn)的新型綠色環(huán)保高性能纖維材料，將其加入瀝青及瀝青混合料可大幅提高瀝青路面的使用性能，尤其是在提高其低溫抗裂性能方面表現(xiàn)優(yōu)異[1-3]。Dong Wang 等[4]研究結(jié)果表明，玄武巖纖維的加入可以提高瀝青粘結(jié)劑的抗拉強(qiáng)度；張小元等[5]研究結(jié)果表明，摻入纖維可以提高膠漿的高低溫性能。

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，因其具有極高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及優(yōu)異的力學(xué)性能，已成功應(yīng)用于瀝青及瀝青混合料改性領(lǐng)域[6-9]。黃瑾瑜等[10]研究結(jié)果表明，石墨烯的加入有效改善了瀝青的高溫性能，但削弱了瀝青的低溫抗拉能力；Meizhao Han 等[11]研究結(jié)果表明，石墨烯的加入提高了瀝青的黏彈性、抗高溫車(chē)轍性能；賈曉東等[12]研究結(jié)果表明加入石墨烯提高了瀝青的高溫抗車(chē)轍性能，但抗低溫性能有所降低。

上述研究表明，將石墨烯與玄武巖纖維一起對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，將能夠協(xié)同發(fā)揮納米材料和玄武巖纖維的各自優(yōu)勢(shì)，達(dá)到改善瀝青綜合性能的目的。本文通過(guò)制備玄武巖纖維改性瀝青和5 組不同摻量的石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青，并對(duì)其進(jìn)行常規(guī)性能和流變性能試驗(yàn)研究，探討石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的改性效果，對(duì)于提高道路使用質(zhì)量及延長(zhǎng)道路使用壽命具有重要意義。

1 原材料性能及改性瀝青制備

1.1 原材料

（1）瀝青。選用克拉瑪依70#重交通道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

（2）石墨烯。選用青島巖海碳材料有限公司生產(chǎn)的石墨烯粉末，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 石墨烯基本技術(shù)指標(biāo)

（3）玄武巖纖維。選用吉林省玖鑫玄武巖產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 制備方法

將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)并保持溫度在170℃，緩慢分批加入0.6%的玄武巖纖維和0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的石墨烯并用玻璃棒攪拌均勻，使其與瀝青初步混合；再利用高速剪切機(jī)先以2000r/min 的剪切速度低速剪切15min，后以5000r/min 的剪切速度高速剪切1h。

1.3 試驗(yàn)方法

制備0.6%摻量的玄武巖纖維改性瀝青和0.6%摻量玄武巖纖維+0.2%~1.0%石墨烯摻量的石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青，其中石墨烯摻量每組間隔0.2%，共6 組不同摻量改性瀝青試樣。通過(guò)針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)和溫度掃描試驗(yàn)測(cè)定6 種改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)

石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)規(guī)定方法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

圖1 不同摻量復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可以看出，石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的針入度隨著石墨烯摻量的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在石墨烯摻量為0.4%時(shí)，下降趨勢(shì)放緩；軟化點(diǎn)則隨著石墨烯摻量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在石墨烯摻量為0.2%時(shí)，上升幅度略大于其他摻量；延度則和針入度變化趨勢(shì)一致，均隨著石墨烯摻量的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。表明加入石墨烯提高了改性瀝青的稠度，還起到了一定程度的硬化效果，改善了玄武巖纖維的高溫性能。但石墨烯作為納米材料有著較大比表面積，阻礙了瀝青分子間的自由流動(dòng)，在低溫條件下由于應(yīng)力集中而更容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，即石墨烯的加入削弱了改性瀝青的抗低溫性能。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)

本研究采用溫度掃描試驗(yàn)評(píng)價(jià)玄武巖纖維改性瀝青和石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的高溫性能，試驗(yàn)溫度為46℃、52℃、58℃、64℃、70℃和76℃，不同摻量石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量、車(chē)轍因子和相位角見(jiàn)圖2所示。

圖2 不同石墨烯摻量復(fù)合改性瀝青物理性能變化圖

復(fù)數(shù)剪切模量表示瀝青在剪切變形下抵抗所受變形總阻力的能力，其值越大表明抗剪切能力越好；車(chē)轍因子用來(lái)評(píng)估抵抗高溫塑性變形的能力，相位角則表示瀝青的黏彈比例。由圖2 可知，不同石墨烯摻量改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子均隨著溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在石墨烯摻量為0.8%時(shí)，復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子相比其他摻量改性瀝青最高，表明石墨烯增強(qiáng)了瀝青的抗變形能力，在摻量為0.8%時(shí)，增強(qiáng)效果最好。不同摻量改性瀝青的相位角隨著溫度上升呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明溫度越高，高溫抗變形能力越弱，在石墨烯摻量為0.8%時(shí)，相位角最小，抗變形能力最好。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）石墨烯的加入提高了玄武巖纖維改性瀝青的軟化點(diǎn)，而針入度和延度有所降低，表明石墨烯可提高瀝青的稠度和硬度，改善瀝青高溫抗變形能力，但對(duì)低溫抗拉能力存在負(fù)面作用。

（2）石墨烯的摻入顯著改善了玄武巖纖維改性瀝青的高溫抗變形能力，其中復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子均隨著溫度升高而下降，相位角則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。在石墨烯摻量為0.8%時(shí)，石墨烯-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青高溫抗變形能力最好。