石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料壓實(shí)特性

曹青霞，張富奎，趙發(fā)章，賈漢清，王旭有，楊克誠，秦睿明

(1.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730030；2.甘肅省公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)創(chuàng)新中心，蘭州 730030; 3.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730030)

0 引 言

壓實(shí)特性是影響瀝青混合料和易性的關(guān)鍵指標(biāo)，但目前有關(guān)瀝青混合料和易性的研究更側(cè)重于拌和過程而不是壓實(shí)過程[1]。具有良好壓實(shí)性能的瀝青混合料應(yīng)易于壓實(shí)到設(shè)計(jì)體積，同時(shí)在道路運(yùn)營過程中保持一定的穩(wěn)定性[2]。目前，我國常用的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法有馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法，馬歇爾法通過擊實(shí)方式壓實(shí)混合料，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)則是通過揉搓。研究者認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法與現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土路面壓實(shí)機(jī)械產(chǎn)生的壓實(shí)方式更為接近，更適合瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)[3-4]。

Mahmoud等[5]借助于旋轉(zhuǎn)平板加載裝置和Superpave路面旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀研究了熱拌瀝青混合料的壓實(shí)特性，并提出壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)和交通密實(shí)指數(shù)(TDI)作為評(píng)價(jià)瀝青混合料壓實(shí)性能的指標(biāo)。同時(shí)Zhang等[6]也通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型試件，引入壓實(shí)擬合曲線斜率K1評(píng)價(jià)不同類型混合料在不同壓實(shí)溫度下的壓實(shí)特性。Zhang等[7]通過Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的壓實(shí)曲線評(píng)價(jià)瀝青混合料的壓實(shí)性能，引入CEI、TDI、K1、K2四個(gè)因素來反映瀝青混合料在施工和交通荷載作用下的壓實(shí)性能，并對(duì)不同粗集料比(CA)的瀝青混合料的壓實(shí)度進(jìn)行了分析，根據(jù)性能要求和施工工藝，給出了Bailey參數(shù)CA的合理范圍。Gao等[8]發(fā)現(xiàn)壓實(shí)溫度對(duì)瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和體積特性有顯著影響，同一公稱最大粒徑但不同級(jí)配類型的混合料需要不同的壓實(shí)度才能達(dá)到設(shè)計(jì)密度。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[9](JTG F40—2004)中明確SMA類瀝青混合料施工工藝為鋼輪壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)，嚴(yán)禁膠輪揉搓，其碾壓方式更接近馬歇爾擊實(shí)，因此，本研究在SMA-13瀝青混合料成型中用了馬歇爾法，在Sup-13瀝青混合料設(shè)計(jì)中采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型[10]。

本研究選取石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青(GRS)、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青(RS)與SBS改性瀝青(SBS)三種改性瀝青，各自進(jìn)行三種膠結(jié)料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)(Sup-13)和馬歇爾擊實(shí)(SMA-13)配合比設(shè)計(jì)。分別在三種溫度(150 ℃、160 ℃、170 ℃)下進(jìn)行Sup-13和SMA-13試驗(yàn)，構(gòu)建不同結(jié)合料不同溫度下兩類混合料的壓實(shí)/擊實(shí)特性曲線，獲取壓實(shí)能量指數(shù)(CEI)、交通密實(shí)指數(shù)(TDI)、壓實(shí)擬合曲線斜率K1、K2，評(píng)價(jià)石墨烯在瀝青混合料壓實(shí)過程中所起的作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

SBS改性瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青均為成品改性瀝青。三種改性瀝青的基本性能指標(biāo)如表1所示，RTFOT為旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)。

表1 三種瀝青的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of three asphalts

三種Sup-13型改性瀝青混合料均采用同一種級(jí)配，如表2所示。

表2 三種Sup-13型改性瀝青混合料級(jí)配Table 2 Gradation of three kinds of Sup-13 modified asphalt mixture

由于橡膠瀝青粘度大，且有SBS改性劑復(fù)合改性，SMA-13型瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，GRS和RS兩種改性瀝青所用級(jí)配在SBS改性瀝青混合料的基礎(chǔ)上降低了3%的礦粉及0.2%的纖維，三種SMA-13型改性瀝青混合料的級(jí)配如表3所示。

表3 三種SMA-13型改性瀝青混合料級(jí)配Table 3 Gradation of three kinds of SMA-13 modified asphalt mixture

1.2 試驗(yàn)方案

以Sup-13型及SMA-13型混合料為研究對(duì)象，膠結(jié)料分別采用GRS、SBS、RS改性瀝青，在各自規(guī)定的拌和溫度下拌和，設(shè)置壓實(shí)溫度分別為150 ℃、160 ℃、170 ℃。

(1)對(duì)于Sup-13型混合料繪制旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)(0～200次)-試件高度曲線，試件高度與試件密實(shí)度成反比關(guān)系，利用測(cè)試試件旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為200次時(shí)的密實(shí)度，反推壓實(shí)次數(shù)(0～200次)-密實(shí)度曲線，分別計(jì)算不同壓實(shí)度下的CEI、TDI、K1、K2。

(2)對(duì)于SMA-13型混合料以擊實(shí)次數(shù)雙面5次、15次、25次、35次、50次、100次制作6組馬歇爾試件，每組3個(gè)試件，并測(cè)定混合料的最大理論密度和試件的毛體積密度，分別計(jì)算每組試件密實(shí)度的平均值。繪制擊實(shí)次數(shù)-試件密實(shí)度的關(guān)系曲線，分別計(jì)算不同壓實(shí)度下的CEI、TDI、K1、K2。

(3)CEI、TDI、K1、K2參數(shù)的計(jì)算[11]：

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)或擊實(shí)成型試件的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)/擊實(shí)次數(shù)-密實(shí)度曲線如圖1所示。

圖1 瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)-密實(shí)度曲線Fig.1 Compaction curve of asphalt mixture

CEI為路面由松散狀態(tài)壓實(shí)到設(shè)計(jì)的一定密實(shí)度下，壓路機(jī)在施工期間所做的功。對(duì)于Sup-13，為了消除人工裝料帶入的誤差，選擇Nini為8次；對(duì)于SMA-13，選擇Nini為5次。因此，CEI為Nini到Ndes所圍面積積分。CEI越小，表示施工壓實(shí)過程中所做的功越小，則施工和易性越好。

TDI為路面通車后，由交通荷載導(dǎo)致的混合料密實(shí)度變化的指標(biāo)，由Ndes到Nmax之間所圍面積積分得到。對(duì)于Sup-13，Nmax為200次；對(duì)于SMA-13，Nmax為100次。TDI值越大，說明要使混合料達(dá)到極限密度時(shí)，需要更多的交通荷載作用，抵抗永久變形的能力強(qiáng)，抗車轍性能好。

壓實(shí)擬合曲線斜率K1為Nini到Ndes之間對(duì)數(shù)坐標(biāo)的斜率，K1越大，表示混合料越容易壓實(shí)，計(jì)算公式如式(1)所示。對(duì)于Sup-13，Nini=8次，Ndes=100次；對(duì)于SMA-13，Nini=5次，Ndes=75次。

壓實(shí)擬合曲線斜率K2為Ndes到Nmax之間線性坐標(biāo)斜率，K2越大，表示混合料抗交通荷載壓實(shí)能力越差，公式如式(2)所示。對(duì)于Sup-13，Nmax=200次；對(duì)于SMA-13，Nmax=100次。

(1)

(2)

式中：Nini為初始?jí)簩?shí)/擊實(shí)次數(shù)；Ndes為設(shè)計(jì)壓實(shí)/擊實(shí)次數(shù)；Nmax為最大壓實(shí)/擊實(shí)次數(shù)；γNini為初始?jí)簩?shí)/擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的密實(shí)度；γNdes為設(shè)計(jì)壓實(shí)/擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的密實(shí)度；γNmax為初始?jí)簩?shí)/擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的密實(shí)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 Sup-13型瀝青混合料壓實(shí)特性

圖2為GRS、RS、SBS三種改性瀝青的Sup-13型瀝青混合料的壓實(shí)特性曲線。為了評(píng)價(jià)三種瀝青混合料的壓實(shí)性能隨壓實(shí)度的變化，選取現(xiàn)場(chǎng)可達(dá)到的壓實(shí)度，分別為93%、94%、95%、96%，并進(jìn)行不同壓實(shí)度下的CEI、95%壓實(shí)度對(duì)應(yīng)TDI、K1和K2的計(jì)算。圖3為三種Sup-13型改性瀝青混合料在不同壓實(shí)溫度下對(duì)應(yīng)不同壓實(shí)度的CEI及TDI-95%。

圖2 三種Sup-13型改性瀝青混合料在不同壓實(shí)溫度下壓實(shí)特性曲線Fig.2 Compaction curves of three kinds of Sup-13 modified asphalt at different compaction temperatures

圖3 三種Sup-13型改性瀝青混合料在不同壓實(shí)溫度下對(duì)應(yīng)不同壓實(shí)度的CEI及TDI-95%Fig.3 CEI and TDI-95% of Sup-13 modified asphalt mixtures with different compactness at different compaction temperatures

由圖3(a)可知，對(duì)于SBS改性瀝青混合料，隨著壓實(shí)溫度的增大，CEI在93%～95%壓實(shí)度變化不大，在96%壓實(shí)度時(shí)，CEI先增大后趨于穩(wěn)定，150 ℃的CEI最小。這是由于SBS改性瀝青混合料在壓實(shí)過程中，隨著壓實(shí)溫度的提高，瀝青混合料的粘度減小，礦料之間的移動(dòng)阻力減小，瀝青的潤滑和粘結(jié)作用使得混合料變得密實(shí)，但溫度增大到一定程度，改性瀝青粘度降低有限，粘度很小，導(dǎo)致集料不易粘結(jié)成型。同時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致瀝青老化與礦料吸附輕質(zhì)組分減小，不利于壓實(shí)[12]。因此，Sup-13型SBS改性瀝青混合料的最佳成型溫度為150 ℃。

由圖3(b)、(c)可知，對(duì)于GRS和RS改性瀝青混合料，壓實(shí)溫度越高，CEI越小，說明GRS在170 ℃比160 ℃更易于壓實(shí)，但壓實(shí)后兩個(gè)溫度下混合料穩(wěn)定性基本一致。石墨烯使得Sup-13型GRS改性瀝青混合料更易于壓實(shí)。這是由于石墨烯在橡膠改性瀝青顆粒間形成了潤滑層并減小了其表面自由能，使得瀝青在流體狀態(tài)時(shí)橡膠顆粒間的摩擦力降低，和易性變好[13-14]。

圖3(d)中，三種溫度下SBS改性瀝青混合料的TDI均大于其他兩種混合料，GRS瀝青混合料次之，RS瀝青混合料最小。說明SBS改性瀝青混合料相比其他兩種橡膠瀝青混合料更適用于連續(xù)級(jí)配，石墨烯在提高GRS瀝青混合料可壓實(shí)性的同時(shí)，提升了其抵抗交通荷載的能力。這是由于石墨烯的添加，使橡膠瀝青在流體狀態(tài)具有較低的表面自由能，且具有更高的彈性恢復(fù)能力和高溫抗變形能力[15-16]。

圖4為三種Sup-13型改性瀝青混合料在不同溫度下的壓實(shí)曲線斜率(K1、K2)對(duì)比圖。由圖4可知，SBS改性瀝青混合料壓實(shí)曲線斜率K1隨壓實(shí)溫度先增大后減小，其150 ℃的K1分別為GRS和RS的1.09倍和1.12倍。SBS改性瀝青混合料的K2在150 ℃時(shí)最小，為0.023，其最佳壓實(shí)溫度為150 ℃。

圖4 三種Sup-13型改性瀝青混合料在不同溫度下的壓實(shí)曲線斜率(K1、K2)對(duì)比Fig.4 Comparison of slope of compaction curve of Sup-13 modified asphalt mixtures (K1 and K2) at different temperatures

GRS和RS改性瀝青混合料的壓實(shí)曲線斜率K1均隨壓實(shí)溫度的增加而增大，在同一壓實(shí)溫度下，前者的K1均大于后者，且當(dāng)壓實(shí)溫度為170 ℃時(shí)，GRS的K1為RS的1.06倍，說明石墨烯使得橡膠改性瀝青更易于壓實(shí)。GRS和RS改性瀝青混合料的K2在150 ℃和160 ℃時(shí)分別均為0.027和0.025，在170 ℃時(shí)前者較后者低0.002。因此，石墨烯在160 ℃的壓實(shí)特性能滿足混合料穩(wěn)定性要求，但在170 ℃時(shí)更易于壓實(shí)，且壓實(shí)后混合料穩(wěn)定性更穩(wěn)定，這與圖3所得結(jié)論一致。

2.2 SMA-13型瀝青混合料壓實(shí)特性

圖5為三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同擊實(shí)溫度下?lián)魧?shí)特性曲線。通過擬合方式進(jìn)行SMA-13型瀝青混合料的CEI和TDI的計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。圖6為三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同壓實(shí)溫度下對(duì)應(yīng)不同壓實(shí)度的CEI和TDI-95%。

圖5 三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同擊實(shí)溫度下?lián)魧?shí)特性曲線Fig.5 Compacting curves of the three kinds of SMA-13 modified asphalt at the different compaction temperatures

由圖6(a)可知，SBS改性瀝青混合料的CEI隨擊實(shí)溫度的增大先減小后增大，其最佳擊實(shí)溫度為160 ℃，170 ℃下的可壓實(shí)性反而降低。擊實(shí)溫度增大到一定程度，改性瀝青粘度變小，導(dǎo)致集料不易粘結(jié)成型。

由圖6(b)、(c)可知，GRS和RS改性瀝青混合料的CEI均隨擊實(shí)溫度的增加而減小，說明擊實(shí)溫度越高，兩種橡膠改性瀝青相比SBS改性瀝青混合料更易于壓實(shí)，這是橡膠瀝青混合料相比SBS改性瀝青混合料減小了礦粉和纖維的原因。對(duì)于160 ℃擊實(shí)溫度對(duì)應(yīng)96%擊實(shí)度下的CEI，GRS和RS改性瀝青混合料分別為SBS改性瀝青的0.72倍和1.05倍，可見，石墨烯同樣增加了SMA-13型橡膠改性瀝青混合料的可壓實(shí)性。

圖6 三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同擊實(shí)溫度下對(duì)應(yīng)不同擊實(shí)度的CEI和TDI-95%Fig.6 CEI and TDI-95% of SMA-13 modified asphalt mixtures with different compactness at different compaction temperatures

由圖6(d)可知，SBS改性瀝青混合料在160 ℃成型對(duì)應(yīng)的混合料抵抗交通荷載的能力最優(yōu)，GRS和RS在170 ℃最優(yōu)，但在160 ℃時(shí)其TDI-95%優(yōu)于SBS改性瀝青?？梢?，降低礦粉和纖維摻量，并未降低SMA-13型橡膠改性瀝青混合料的穩(wěn)定性，同時(shí)，石墨烯同樣增加了橡膠改性瀝青的抵抗荷載能力。

圖7為三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同溫度下的擊實(shí)曲線斜率K1、K2對(duì)比。由圖7可知：(1)SBS改性瀝青混合料擊實(shí)曲線斜率K1和K2均在150 ℃、160 ℃擊實(shí)溫度下維持在同一水平，但在170 ℃降低，綜合其CEI和TDI，SMA-13型SBS改性瀝青混合料的最佳擊實(shí)溫度為160 ℃;(2)RS在170 ℃對(duì)應(yīng)的K1值最大，K2值最小，GRS在160 ℃對(duì)應(yīng)的K1值最大，170 ℃對(duì)應(yīng)的K2值最小。綜合CEI和TDI，GRS在160 ℃的壓實(shí)特性能滿足混合料壓實(shí)穩(wěn)定性，RS則為170 ℃。

圖7 三種SMA-13型改性瀝青混合料在不同溫度下的擊實(shí)曲線斜率K1、K2對(duì)比Fig.7 Slope of compaction curve K1 and K2 of SMA-13 modified asphalt mixtures at different temperatures

2.3 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度對(duì)比

根據(jù)室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)，GRS和SBS兩種瀝青分別對(duì)應(yīng)Sup-13型和SMA-13型瀝青混合料，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段鋪筑，其中Sup-13型和SMA-13型改性瀝青混合料的壓實(shí)工藝分別如表4、表5所示。

表4 Sup-13型改性瀝青混合料壓實(shí)工藝Table 4 Compaction technology of Sup-13 modified asphalt mixture

表5 SMA-13型改性瀝青混合料壓實(shí)工藝Table 5 Compaction technology of SMA-13 modified asphalt mixture

施工后鉆芯，測(cè)試毛體積相對(duì)密度，并計(jì)算理論壓實(shí)度，兩種壓實(shí)工藝對(duì)應(yīng)兩種類型混合料的芯樣壓實(shí)度如圖8所示。

圖8 兩種瀝青混合料芯樣壓實(shí)度Fig.8 Core sample compaction of Sup-13 and SMA-13 asphalt mixture

由圖8可知：(1)對(duì)于Sup-13型和SMA-13型改性瀝青混合料，在同一壓實(shí)工藝下GRS比SBS改性瀝青混合料的壓實(shí)度均值分別提高了1.1%和1.0%，說明石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料更易于壓實(shí)；(2)相比同一改性瀝青下的Sup-13型和SMA-13型瀝青混合料，后者的壓實(shí)度提高0.5%～0.6%，說明SMA-13型比Sup-13型改性瀝青混合料更易于壓實(shí)，這與室內(nèi)研究結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于Sup-13型和SMA-13型改性瀝青混合料，石墨烯的添加，使橡膠瀝青在流體狀態(tài)具有較低的表面自由能，且具有更高的彈性恢復(fù)能力和高溫抗變形能力，相比于RS，GRS改性瀝青混合料的CEI降低，TDI-95%增大，K1增大，K2降低，石墨烯減小了混合料壓實(shí)功，并提高了混合料抵抗交通荷載的能力。

(2)SBS改性瀝青對(duì)于Sup-13型瀝青混合料，最佳壓實(shí)溫度為150 ℃，對(duì)于SMA-13型瀝青混合料則為160 ℃。

(3)對(duì)于兩種改性瀝青混合料，GRS和RS改性瀝青混合料隨著壓實(shí)溫度的增加，更易于壓實(shí)，最佳壓實(shí)溫度為170 ℃，如果現(xiàn)場(chǎng)條件達(dá)不到，160 ℃壓實(shí)溫度下同樣可以滿足壓實(shí)度要求。

(4)通過室內(nèi)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于SBS、GRS、RS改性瀝青混合料，Sup-13型相比SMA-13型需要消耗更多壓實(shí)功，更難壓實(shí)成型。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段驗(yàn)證得出結(jié)論一致，說明通過室內(nèi)壓實(shí)特征曲線評(píng)價(jià)混合料的可壓實(shí)性是可行的。