石墨烯-SBS改性瀝青混合料壓縮變形對電阻率的影響

許珊珊， 王 碩， 王 鵬， 黃學欣

(1.黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江路升公路科技開發(fā)有限公司， 哈爾濱 150000)

0 引 言

據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，截止到2020年末，全國公路總里程已經(jīng)達到519.81萬km。目前，公路主要采用的瀝青路面，在車輛碾壓、凍融、暴曬等作用下，造成不同形式的損害,研究更優(yōu)質(zhì)環(huán)保的公路建設和公路養(yǎng)護方式成為亟待解決的問題。

石墨烯作為一種優(yōu)異的納米材料，可以極大提高瀝青的高溫性能、低溫性能和導電性能等。諸多學者研究了石墨烯改性瀝青，蔣文韜等[1]對石墨烯-SBS改性瀝青進行了溫度掃描、多重應力蠕變恢復和彎曲梁流變儀實驗，指出石墨烯的摻入提高了SBS改性瀝青彈性及穩(wěn)定性。望遠福等[2]研究出較優(yōu)的PVP修飾石墨烯配合比，提高了SBS改性瀝青在高溫作用下變形能力和抗水損害能力。謝忠安等[3]利用熒光顯微鏡發(fā)現(xiàn)石墨烯可以與SBS小分子相互纏結，使結構更加穩(wěn)定，從而改善瀝青性能。劉志航等[4]通過紅外光譜儀掃描研究石墨烯-SBS改性瀝青老化前后變化，指出石墨烯摻量越高，石墨烯-SBS改性瀝青抗老化性能越好。譚憶秋等[5]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維/石墨烯導電瀝青混合料有較明顯的非線性導電性為。黃維蓉[6]等指出墨烯-碳纖維瀝青混凝土的導電性能、抗變形能力以及水穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)瀝青混凝土都得到提升。王世成等[7]通過不同石墨烯摻量的復合改性瀝青的抗油蝕試實驗研究，獲得石墨烯顯著提高了瀝青抗油蝕性能。王樹杰[8]對比分析石墨烯復合橡膠改性瀝青與SBS改性瀝青的運動黏度、針入度和延度等指標，指出石墨烯復合橡膠改性瀝青性能更優(yōu)異。 筆者通過單軸壓縮實驗，研究豎向應變和石墨烯摻量對石墨烯-SBS改性瀝青混合料電阻率的影響，為導電瀝青混凝土路面自監(jiān)測和智能路面設計提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材料

瀝青為遼河石化90號基質(zhì)瀝青；SBS改性劑為燕山石化SBS線性改性劑；石墨烯，電導率為105S/m、片層平均層數(shù)1～3層、堆積密度0.016 g/mL、含水量0.86%、片層直徑約5.29 μm。

1.2 石墨烯-SBS改性瀝青的制備

在基質(zhì)瀝青中加入5%SBS改性劑混合均勻，分別添加0、0.4%、0.5%、0.6%的石墨烯在170 ℃條件下剪切，得到混合均勻的石墨烯-SBS改性瀝青。導電瀝青一般用于中面層，礦料采用中粒式AC-16級配類型，油石比4.8%，試件尺寸為直徑100 mm，高100 mm的圓柱體。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(f40—2004)確定實驗用瀝青混合料級配設計，如表1所示，其中，列篩孔直徑為φ，質(zhì)量百分率為w。

表1 瀝青混合料混合料礦料級配范圍 Table 1 Table of grading range of asphalt concrete mixture

1.3 方案

采用外貼式二電極法[9]測量試件電阻，外貼式二電極法是將電極貼在試件上下表面，用萬用表連接兩個電極，然后對電阻值進行讀取。石墨烯改性瀝青混合料的外表面是粗糙的，并且存在孔隙。為了減小實驗測試的電阻與試件真實電阻之間的誤差，在測試電阻時，使用石墨布電極與外電線膠粘，制備電極，試件上下表面涂導電膠填充孔隙后貼銅導線和石墨布[10]，固化后連接萬用表測試試件兩端電阻。試件安裝完畢后，放在WE-1000B型數(shù)顯萬能材料實驗機中以0.012 5 mm/s的速率進行單軸壓縮實驗，在加載過程中，每秒記錄萬用表中電阻數(shù)據(jù)，并密切關注試件形態(tài)變化。之后，利用已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的試件，將其分別放置在額定功率為800 W的微波爐中加熱2 min，放置在室溫條件下靜置24 h以上，再進行單軸壓縮實驗并記錄電阻數(shù)據(jù)。

2 實驗結果與分析

2.1 改性瀝青物理特性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，對不同石墨烯摻量的瀝青進行瀝青針入度實驗如圖1所示，瀝青軟化點實驗(環(huán)球法)。瀝青變化過程如圖2所示。實驗結果如表2所示。其中，25 ℃、0.1 mm的針入度為P。

圖1 瀝青針入度實驗Fig. 1 Asphalt penetration degree test

圖2 瀝青變化過程Fig. 2 Asphalt change process

從表2可知，延度隨石墨烯摻量的增加而降低，針入度及軟化點隨石墨烯摻量的增加出現(xiàn)不同程度的提高，針入度在石墨烯摻量為0.5%時，提高了2.47%,軟化點提高了19.72%，石墨烯顯著提高了瀝青的高溫性能。

表2 石墨烯-SBS改性瀝青物理指標Table 2 Physical indicators of graphene-SBS modified asphalt

2.2 單軸壓縮變形對瀝青混合料電阻率影響

為了更直觀地了解石墨烯導電瀝青混合料單軸壓縮對電阻率的影響，如圖3所示。

由圖3可見，在摻入石墨烯且試件表面及內(nèi)部無裂縫的情況下，平均電阻率為4.395 Ω·m，具有良好的導電性。實驗結果分為三個階段：第一階段，隨著荷載增加，豎向位移增大，試件被壓密，電阻率略有下降；第二階段，裂縫開展階段，荷載進一步增加，豎向位移繼續(xù)增大，試件出現(xiàn)微裂縫，電阻率出現(xiàn)波動；第三階段，裂縫增大到一定程度，電阻率快速上升階段，試件開裂破壞，豎向位移迅速增大，電阻率也迅速上升，而且增速變快。電阻率的波動是由于在壓縮試件過程中，隨著豎向位移的增大，瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂縫；最后試件破壞時，伴隨著裂縫迅速開展，電阻率急劇上升。為推進瀝青路面智能化發(fā)展，利用導電瀝青自愈合性能，實現(xiàn)路面裂縫早發(fā)現(xiàn)早修復，又進行了瀝青混合料自愈合后電阻變化實驗。

圖3 電阻率隨豎向應變變化曲線Fig. 3 Resistivity curve with vertical strain

微裂縫瀝青混合料自愈合后石墨烯-SBS改性瀝青混合料單軸壓縮對電阻率影響趨勢如圖4所示。不同石墨烯摻量試件電阻率對比曲線如圖5所示。

圖4 愈合后電阻率隨豎向應變變化曲線Fig. 4 Resistivity change curve with vertical strain after healing

從圖4可以看出，自愈合后導電瀝青隨豎向位移的增大電阻率變化趨勢沒有變化，仍可分為三個階段。從圖5可以看出，愈合后試件電阻率略有上升，石墨烯摻量越高，改性瀝青流動性越好，愈合前后電阻率變化越相近。

圖5 不同石墨烯摻量試件電阻率對比曲線Fig. 5 Resistivity contrast curve of differentgraphenecontent specimens

導電瀝青在自愈合后電阻率仍隨豎向位移即裂縫開展的增大而增大，故在實際工程中，可以在監(jiān)測到電阻率變化之后，直接對導電瀝青進行加熱，加速導電瀝青混合料自愈合速度，并且對后續(xù)監(jiān)測無明顯影響。大裂縫試件電阻率在加載過程中電阻率一直較大，超出萬用表量程，故在裂縫已經(jīng)較大的情況下，并不能以電阻率來判斷路面損壞程度。

自愈合前后電阻率隨豎向位移即裂縫開展變化，可以得出對于不同程度損傷即不同寬度的裂縫，石墨烯-SBS改性瀝青混合料的自愈合效率明顯不同，并隨著損傷即裂縫寬度的增大而減弱，但隨著豎向位移即裂縫開展，電阻率明顯增大。

3 結 論

(1)實驗表明，石墨烯改性瀝青混合料自愈合后，電阻率變化情況與產(chǎn)生裂縫前規(guī)律相同，壓密階段、波動階段以及破壞階段。僅電阻率整體偏大，壓密階段平均電阻率由3.56 Ω·m增加到3.64 Ω·m，波動階段由3.91 Ω·m增加到3.95 Ω·m，破壞階段由11.21 Ω·m增加到11.57 Ω·m。

(2)導電瀝青自愈合對前期微裂縫修復有很好的效果，可以通過監(jiān)測電阻變化，盡早發(fā)現(xiàn)裂紋并修復，在檢測裂縫過程中，電阻率開始波動時對裂縫進行處理，可以防止裂縫進一步擴展。