第40卷第9期2021年9月
硅㊀
酸㊀
盐㊀
通㊀报
BULLETIN
OF
函件业务THE
CHINESE
CERAMIC
SOCIETY
Vol.40㊀No.9September,2021
雷润祥1，王永吉2,3，张富奎2,3
(1.甘肃省公路事业发展中心，兰州㊀730030;2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州㊀730030;
3.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，兰州㊀730030)
摘要：本文结合甘肃柳敦公路试验段工程实例，研究石墨烯复合橡胶改性沥青(GRA)路面性能㊂通过常规试验㊁多应力重复蠕变(MSCR)试验㊁动态剪切流变(DSR)试验等方法分析研究了GRA 性能，并对GRA 混合料的路用性能进行了研究㊂结果表明:GRA 与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青相比，针入度降低了12.7%，软化点㊁高温稳定性及其高温抗变形能力相当，抗应力变形能力及应力敏感性有所提升;GRA 与橡胶SBS 改性沥青相比，软化点增加了14.1%，弹性恢复增加了6.5%，针入度相当，高温稳定性及其高温抗变形能力有所提升㊂GRA 较SBS 改性沥青混合料表现出良好的路用性能，现场混合料更易于压实，渗水较小㊁强度较高，但构造深度有所降低㊂ 关键词：沥青路面；石墨烯复合橡胶改性沥青；多应力重复蠕变试验；动态剪切流变试验；路用性能
中图分类号:U416.217
㊀
㊀
文献标志码:A
㊀
㊀
文章编号:1001-1625(2021)09-3177-08
Research on Performance of Graphene Composite Rubber
Modified Asphalt Pavement
LEI Runxiang 1,WANG Yongji 2,3,ZHANG Fukui 2,3
(1.The Highway Development Center of Gansu Province,Lanzhou 730030,China;2.Gansu Province Transportation Planning,
Survey &Design Institiute Co.,ltd.,Lanzhou 730030,China;3.Gansu Changlong Highway Maintenance
Technology Institiute Co.,Ltd.,Lanzhou 730030,China)
Abstract :In this paper,the performance of graphene composite rubber modified asphalt (GRA)pavement was studied based on the engineering example of the Liu-Dun highway test section in Gansu province.The performance of GRA was analyzed by routine tests,multiple stress creep and recovery (MSCR)test,dynamic shear rheometer (DSR)test and other methods,and the road performance of GRA mixtures was also studied.The results show that compared with SBS modified asphalt,the penetration of GRA is reduced by 12.7%,the softening point,high temperature stability and high temperature resistance to deformation are equivalent,and the resistance to stress deformation and stress sensitivity are improved.
Compared with rubber SBS modified asphalt,GRA has an increase in softening point of 14.1%,elastic recovery by 6.5%,equivalent penetration,high temperature stability and high temperature resistance to deformation.Compared with SBS modified asphalt mixture,GRA has better road performance.The on-site mixture is easier to compact,and has less water seepage and higher strength,but the structure depth is reduced.Key words :asphalt pavement;graphene composite rubber modified asphalt;multiple stress creep and recovery test;
dynamic shear rheometer test;road performance
收稿日期:2021-03-09；修订日期:2021-04-28
作者简介：雷润祥(1979 )，男，工程师㊂主要从事沥青路面相关技术研究㊂E-mail:844636306@qq 通信作者：王永吉，工程师㊂E-mail:510717810@qq
0㊀引㊀言
公路沥青路面具有工程造价低㊁行车舒适㊁低噪音等特点，被广泛应用于道路工程中，影响沥青路面使用
功能和寿命的因素较多，如交通量㊁环境因素及所使用的材料等[1-2]㊂随着我国经济的快速发展，交通量随
3178㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷之不断增加，且出现渠道化交通趋势，传统的改性沥青路面由于高㊁低温性能的不足经常出现龟裂㊁车辙㊁变形及开裂等问题，严重影响了沥青路面的使用寿命和维护成本，这已成为当前我国交通领域面临的重要难题之一[3-5]㊂目前，公路工程中使用的最普遍的沥青改性剂为SBS，其在国内外使用已有超过20年的历史，且在我国的市场占有率达到95%[6]，但根据调查，由于SBS改性沥青的改性方式较为单一，沥青路面性能没有
得到很好的改善，难以满足沥青路面的路用性能要求[7]㊂近年来，石墨烯材料凭借其优异的力学性能，作为添加材料逐渐被应用到各个领域㊂石墨烯材料主要应用于功能涂层和高模量复合材料等方面[8-12]，美国明尼苏达大学研究人员将改性的石墨烯加入到聚氨酯涂层中，发现0.5%(质量分数)的添加量就能得到导电聚氨酯涂层,3.0%(质量分数)的添加量可将抗拉强度提升10倍㊂石墨烯在道路材料中的应用研究较少，学者们主要研究在沥青材料中添加石墨烯材料㊂2018年5月31日，石墨烯复合橡胶改性沥青在广西南宁大桥成功铺筑试验段，这是石墨烯首次应用到沥青混合料中㊂石墨烯复合橡胶改性沥青在甘肃地区的使用还没有研究成果㊂本文基于甘肃柳敦公路，主要研究了在沥青中掺入适量石墨烯材料，并与传统的SBS改性沥青进行对比，同时根据试验段的铺筑情况对沥青混合料的路用性能进行对比研究，为后期的工程使用提供数据对比分析㊂
1㊀工程概况
柳敦煌公路试验段位于甘肃省酒泉市瓜州县及敦煌市境内，地处河西走廊内陆，气候干燥，降雨量小㊁蒸发量大，多风沙，太阳辐射强，气温日差较大，春季空气干燥㊁大风偏多，夏季炎热短促，秋季降温迅速，冬季寒冷漫长，属典型中温带大陆性荒漠气候㊂综合甘肃省内气候㊁地质及地形等特点，根据甘肃省公路一级自然区划分属于河西荒漠大区，地势平坦，绿洲㊁沙漠㊁戈壁相间分布，土地类型以砂性土和砂质土为主，太阳辐射强烈，昼夜温差大，降水稀少，风沙大㊁沙尘暴等恶劣天气多，年极端最高气温34~45ħ，极端最低气温-29ħ㊂研究段内路面设计以提高道路高温抗车辙㊁低温抗开裂
及充分考虑投资情况为重点，路面上面层结构为4cm厚石墨烯复合橡胶改性沥青SMA-13沥青混合料㊂
2㊀材料性能及级配曲线
2.1㊀集㊀料
集料采用瓜州盛腾石料厂生产的碎石，其主要性能经检测均满足甘肃省地方标准‘公路沥青路面施工技术规范“DB62/T3136 2017和‘公路沥青路面施工技术规范“JTG F40 2004中高速公路沥青混合料用集料质量的要求，检测结果如表1所示㊂
表1㊀集料检测结果
Table1㊀Aggregate test results
Serial No.Detection indicator Unit Test value Technical standard
1Apparent relative density 2.941ȡ2.60
2Crushed value of coarse aggregate%15.2ɤ22
3Coarse aggregate Los Angeles abrasion value% ɤ28
4Coarse aggregate needle flake%8.2ɤ9
2.2㊀矿㊀粉
所用矿粉为敦煌荣兴建材有限公司生产的矿粉，其主要性能指标经检测均符合‘公路沥青路面施工技术规范“JTG F40 2004中对高速公路沥青混合料用矿粉质量的相应要求，检测结果如表2所示㊂
表2㊀矿粉检测结果
Table2㊀Aggregate test results
Serial No.Detection indicator Unit Test value Technical standard
1Hydrophilic coefficient 0.72<1
人员定位系统
2Moisture content%0.4ɤ1
3Apparent density g/cm3 2.674ȡ2.50
第9期雷润祥等：石墨烯复合橡胶改性沥青路面性能研究3179
㊀2.3㊀胶结剂
所用胶结剂为甘肃公航旅石墨烯科技发展有限责任公司天水分公司生产的石墨烯复合橡胶改性沥青(GRA)㊂
2.4㊀级配曲线
我们是一家人秦文君根据集料的筛分结果首先选择了三种级配，然后根据工程实际应用情况选择油石比，采用马歇尔击实仪成型试件进行试验，得出试件的体积指标㊂根据体积指标及稳定度初选一组满足或接近设计要求的级配作为设计级配，沥青混合料级配如表3所示㊂
表3㊀沥青混合料级配类型
Table3㊀Gradation type of asphalt mixture
Gradation type
Percentage of sieve passing/%
16.0mm13.2mm9.5mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm
Gradation1100.092.568.028.925.820.514.511.09.98.5 Gradation2100.091.965.326.924.019.113.810.
69.78.3 Gradation3100.091.061.523.921.217.212.710.19.38.1
分别测定三种级配的粗集料骨架间隙率(VCA DRC)，初试油石比按6.1%双面各击实75次制作试件，测定粗集料骨架间隙率最小值(VCA mix)及矿料间隙率(VMA)等指标，在满足VCA mix不大于VCA DRC和VMA不小于17.0%等条件的基础上确定级配，试验结果如表4和表5所示㊂
表4㊀VCA DRC测试结果
Table4㊀VCA DRC test results
Gradation type Rammed bulk density/
(t㊃m-3)4.75mm percentage of
sieve passing/%
Bulk density of coarse
aggregate/(g㊃cm-3)VCA DRC/%
Gradation1 1.72228.9 2.90040.6 Gradation2 1.71426.9 2.90040.9 Gradation3 1.70123.9 2.9004
1.3
表5㊀初试级配的体积分析
Table5㊀Volume analysis of primary gradation
Gradation type Relative density
of gross volume
Maximum
韩国新村relative density VV/%VMA/%VFA/%VCA mix/%MS/kN FL/mm
Gradation1 2.542 2.616 2.815.982.339.712.41 2.5 Gradation2 2.510 2.619 4.217.075.638.811.16 2.4 Gradation3 2.477 2.624 5.618.168.937.27.13 2.6 Technical standard 3.0~4.5ȡ17.075.0~85.0ɤVCA DRCȡ6.00 ㊀㊀注:VV为沥青混合料空隙率;VMA为沥青混合料的矿料间隙率;VFA为沥青混合料中的沥青饱和度;VCA mix为粗集料骨架间隙率;MS为马歇尔稳定度;FL为马歇尔试验的流值㊂
可以看出级配1矿料间隙率不满足要求，级配2各项指标满足要求，级配3沥青饱和度不满足要求，结合当地情况及实践经验，本次试验选择级配2为设计级配㊂
3㊀沥青结果与分析
选择GRA㊁橡胶SBS改性沥青(试验室自制)㊁成品SBS改性沥青为研究对象，进行常规试验㊁多应力重复蠕变(multiple stress creep and recovery,MSCR)试验㊁动态剪切流变(dynamic shear rheometer,DSR)试验㊂3.1㊀常规性能指标
常规试验包括针入度㊁延度㊁软化点㊁密度㊁135ħ运动黏度㊁25ħ弹性恢复以及旋转薄膜加热短期老化后的质量变化比㊁残留针入度比和残留延度等，检测结果如表6所示㊂
3180㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷
表6㊀沥青试验检测结果Table 6㊀Asphalt test results
Detection parameter GRA
Rubber SBS modified asphalt SBS modified asphalt Technical standard Test value Technical standard Test value Technical standard Test value Penetration (25ħ)/(0.1mm)
40~805560~805260~8063Ductility (5ħ)/cm ȡ2022ȡ2016ȡ3538Softening point /ħȡ7581
ȡ5871
ȡ7581
Kinematic viscosity /(Pa㊃s) 1.0~4.0 1.9ɤ4.0 1.7 1.8~3.0 2.4Elastic recovery (25ħ)/%
ȡ8593.5ȡ7587ȡ8596Storage stability /ħ
ɤ10.7Measured 0.9ɤ5 2.0RTFOT Quality loss /%
ʃ1.0
-0.02ɤ0.6
0.05ʃ1.0
-0.30Penetration ratio (25ħ)/%
中华灵芝宝ȡ85
90ȡ7576ȡ6584Ductility (5ħ)/cm
21ȡ1013.9ȡ20
23GRA 的针入度结果与橡胶SBS 改性沥青持平，相比SBS 改性沥青降低了12.7%㊂GRA 相比较于SBS
改性沥青其硬度增大，抗变形能力显著增强，但硬度与橡胶SBS 改性沥青相当㊂其软化点比橡胶SBS 改性沥青增加了14.1%，相比SBS 改性沥青持平；其高温稳定性及其高温抗变形能力与SBS 改性沥青相当，优于橡胶SBS 沥青；其弹性恢复较橡胶SBS 改性沥青增加了6.5%，较SBS 改性沥青降低了2.5%，抵抗变形后恢复的能力较橡胶SBS 改性沥青有所增加;GRA 抵抗短期老化的性能明显优于SBS 改性沥青和橡胶SBS 改性沥青㊂
3.2㊀MSCR MSCR 的评价指标为作用力分别为0.1kPa㊁3.2kPa 下的不可恢复的蠕变柔量J nr-0.1kPa ㊁J nr-3.2kPa 及不可
恢复的蠕变柔量变化率J nr-diff ，试验结果如表7所示㊂
表7㊀GRA 的MSCR 试验结果Table 7㊀MSCR test results of GRA
Asphalt type
64ħ
70ħJ nr-0.1kPa J nr-3.2kPa J nr-diff J nr-0.1kPa J nr-3.2kPa J nr-diff Graphene composite rubber modified asphalt
0.040.090.520.040.210.80Rubber SBS modified asphalt
0.050.160.690.070.380.82SBS modified asphalt
山东小狐仙0.23
0.610.62
0.29
1.39
0.79
SBS 改性沥青64ħ下的J nr-3.2kPa 为0.61，属于较重荷载范畴，不满足超重荷载要求㊂GRA 和橡胶SBS
改性沥青的64ħ下的J nr-3.2kPa 分别为SBS 改性沥青的0.15倍和0.26倍，且均小于0.5，属于超重荷载标准，说明GRA 对于超重载交通的适应能力相比SBS 改性沥青更优异㊂GRA 64ħ下的J nr-diff 分别比橡胶SBS 复合改性沥青和SBS 改性沥青小0.17和0.10，说明前者相比后两者对于应力水平的增加敏感度更低㊂70ħ下J nr-3.2kPa 的变化规律与64ħ下的一致㊂
3.3㊀DSR
G ∗/sin δ为抗车辙因子，用来表征沥青胶结料抵抗高温下永久变形的能力㊂为了研究SBS 改性沥青㊁橡
胶SBS 复合改性沥青㊁GRA 的高温性能，在52~82ħ范围内，每6ħ取一个点进行温度扫描试验，试验结果如图1所示㊂
橡胶SBS 复合改性沥青的抗车辙能力最好,GRA 次之,SBS 改性沥青最差㊂相位角的结果发现,GRA 的相位角随温度的变化不明显，基本维持在50ʎ左右，相比SBS 改性沥青表现为更多弹性，而橡胶SBS 复合改性沥青的相位角随温度的变化表现为增大趋势，说明其相比其他两种改性沥青，温度敏感性更大㊂
㊀第9期雷润祥等：石墨烯复合橡胶改性沥青路面性能研究3181
图1㊀三种改性沥青的车辙因子和相位角随温度的变化曲线
Fig.1㊀Change curves of rutting factor and phase angle of three modified asphalts with temperature
4㊀试验段室内试验结果与分析
现场采集GRA及沥青混合料试样，并进行室内体积指标和路用性能试验㊂
4.1㊀沥青混合料体积指标
在沥青路面面层施工前，为检验拌和站所生产沥青混合料质量，从施工现场取样并送至室内试验室进行马歇尔击实试验，以检验沥青混合料的体积指标，试验结果如表8所示㊂
表8㊀沥青混合料体积指标
Table8㊀Volume index of asphalt mixture
Mixture characteristic Technical standard Graphene compound rubber modified asphalt SBS modified asphalt Relative density of gross volume 2.509 2.513
Maximum relative density 2.619 2.613 VV/% 3.0~4.5 4.2 3.8
VMA/%ȡ17.017.117.0
VFA/%75~8575.477.4
VCA mix/%ɤVCA DRC38.837.1
MS/kNȡ6.011.019.59
FL/mm 2.6 2.6
从体积指标可以看出,GRA的空隙率㊁稳定度略小于SBS改性沥青混合料，其他指标基本一致㊂
4.2㊀沥青混合料路用性能
(1)水稳定性能
根据设计油石比及级配进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验以检验GRA混合料和SBS改性沥青混合料的水稳定性能，试验结果如表9所示㊂
GRA混合料和SBS改性沥青混合料的残留稳定度比(MSO)分别为92.4%和91.05%,GRA混合料具有更好的水稳定性能，抵抗水损害性能高于SBS改性沥青混合料类型㊂
(2)高温稳定性能
在(60.0ʃ0.5)ħ㊁(0.7ʃ0.05)MPa条件下进行车辙试验，不同类沥青混合料分别制作3个车辙试件，试验结果如表10所示㊂
GRA混合料和SBS改性沥青混合料的动稳定度值分别为8883次/mm和7159次/mm，表明GRA混合料具有较好的高温稳定性能，在同等使用条件下抗车辙性能更强㊂
(3)低温抗裂性试验
对GRA和SBS改性沥青混合料进行小梁弯曲试验，以分析GRA混合料的低温抗裂性能，试验结果如表11所示㊂
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