石墨烯材料在市政道路施工中的應(yīng)用研究

摘 要：采用石墨烯材料對(duì)某市道路改造工程進(jìn)行施工優(yōu)化。通過在瀝青混合料中添加0.3%石墨烯粉體，實(shí)現(xiàn)了路面強(qiáng)度提升。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，路面抗壓強(qiáng)度提高42%，彎拉強(qiáng)度提高35%，抗車轍能力提升48%。工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，石墨烯材料的添加顯著改善了道路的整體性能，為市政道路施工提供了新的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：石墨烯；道路施工；混合料；路面性能；施工工藝

1 引言

石墨烯作為新型納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其在道路施工中的應(yīng)用已成為工程技術(shù)創(chuàng)新的重要方向。目前，國內(nèi)外工程實(shí)踐表明，石墨烯材料能有效提升路面性能。杭州市秋濤路改造工程針對(duì)重載交通特點(diǎn)，在施工中采用石墨烯材料進(jìn)行路面加固，通過系統(tǒng)的施工管理和性能測(cè)試，驗(yàn)證了石墨烯材料在市政道路施工中的實(shí)用價(jià)值，可為同類工程提供參考。

2工程概況

改造工程位于工業(yè)園區(qū)核心位置，全長(zhǎng)3.85km，雙向六車道，設(shè)計(jì)車道寬度3.75m，設(shè)計(jì)時(shí)速60km。路段沿線分布大型工業(yè)企業(yè)12家，日均交通量達(dá)38500輛，其中重型車輛占比32%，車輪荷載達(dá)1.2MPa。地質(zhì)勘察顯示，路基土壤以粉質(zhì)粘土為主，承載力特征值為120kPa，地下水位年變幅1.2m。原路面結(jié)構(gòu)采用半剛性基層+瀝青面層，使用5年后出現(xiàn)明顯病害：車轍深度平均值達(dá)28mm，裂縫率12.8%，彎沉值1.26mm。路面檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，面層強(qiáng)度衰減明顯，壓實(shí)度降至93%，滲水系數(shù)高達(dá)3.6ml/min。結(jié)合交通發(fā)展預(yù)測(cè)，未來5年內(nèi)該路段重型車流量將增長(zhǎng)35%，現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)已無法滿足承載需求。為提升路面耐久性，工程采用石墨烯材料進(jìn)行道路加固改造，設(shè)計(jì)使用年限15年，設(shè)計(jì)彎沉值0.83mm，要求路面壓實(shí)度不低于97%。

3石墨烯材料施工技術(shù)

3.1 材料配比設(shè)計(jì)

石墨烯材料選用GF-98型粉體，純度99.8%，片層厚度2-5nm，比表面積2360m2/g，水分含量≤0.1%，導(dǎo)熱系數(shù)2100W/（m·K）。通過室內(nèi)配比試驗(yàn)確定最佳配合比：集料級(jí)配采用AC-16C中粒式配合類型，礦料粒徑分布為16mm占比5%，13.2mm占比15%，9.5mm占比22%，4.75mm占比25%，2.36mm占比18%，0.075mm占比15%。粗集料采用玄武巖碎石，表觀密度2.86g/cm3，磨損值12.5%，壓碎值8.6%；細(xì)集料采用機(jī)制砂，表觀密度2.72g/cm3，含泥量0.8%。瀝青選用70號(hào)道路石油瀝青，針入度68，軟化點(diǎn)48.5℃，延度gt;100cm，閃點(diǎn)298℃。石墨烯摻量通過馬歇爾試驗(yàn)確定為0.28%（質(zhì)量比），在該配比下試件穩(wěn)定度達(dá)4.82kN，流值3.6mm，空隙率4.2%，飽和度78%。為確保石墨烯與瀝青充分結(jié)合，添加SBS改性劑0.15%作為分散劑，混合溫度控制在175℃[1]。

3.2 拌和工藝

拌和設(shè)備采用WCQ3000型強(qiáng)制式攪拌機(jī)，額定生產(chǎn)能力180t/h，最大骨料粒徑40mm，攪拌桶容積3000L，主電機(jī)功率160kW。石墨烯材料需進(jìn)行預(yù)處理：將GF-98粉料與分散劑按1：0.5比例配制成漿料，采用KS-3200超聲波分散設(shè)備處理8min，頻率25kHz，功率2000W，每次處理量50kg，確保分散均勻度達(dá)95%以上。拌和過程嚴(yán)格控制溫度和時(shí)間：烘干筒溫度控制在185±5℃，礦料加熱至180±5℃，瀝青加熱至165±3℃，石墨烯漿料與瀝青在專用預(yù)混罐中攪拌2分鐘，轉(zhuǎn)速120r/min；將預(yù)混料加入礦料，干拌30s，濕拌90s，成品出料溫度控制在170±3℃。每批次取樣檢測(cè)離析率，控制在3%以內(nèi)。生產(chǎn)過程中采用PT100溫度傳感器和紅外測(cè)溫儀雙重監(jiān)測(cè)，配備PLC自動(dòng)控溫系統(tǒng)，溫度波動(dòng)超過±3℃時(shí)自動(dòng)報(bào)警并調(diào)節(jié)燃燒器功率。拌和機(jī)葉片磨損超過10mm時(shí)及時(shí)更換，每8小時(shí)檢查葉片間隙，調(diào)整至15-20mm[2]。設(shè)置除塵系統(tǒng)，除塵效率≥99.5%，廢氣排放濃度≤20mg/m3。

3.3 攤鋪施工技術(shù)

攤鋪采用VOGELE 2100-3型攤鋪機(jī)，鋪筑厚度4cm，攤鋪寬度7.5m，最大攤鋪速度20m/min。攤鋪溫度控制在165±5℃，工作速度4-6m/min，螺旋輸料器轉(zhuǎn)速28r/min，熨平板激振頻率2000次/min。為防止混合料離析，料斗卸料高度嚴(yán)格控制在20cm以內(nèi)，螺旋輸料器持續(xù)工作，確保料位平衡[3]。振搗梁頻率設(shè)定為1800次/min，激振力32kN，夯錘頻率1400次/min，夯錘伸出長(zhǎng)度2mm。熨平板預(yù)熱至150℃，采用恒溫控制系統(tǒng)維持溫度，坡度調(diào)節(jié)精度0.1%，熨平板伸縮量≤5mm?？v向接縫采用紅外加熱器加熱，加熱溫度140-150℃，加熱寬度20cm，接縫錯(cuò)位量控制在5cm內(nèi)。橫向接縫采用垂直切縫，切縫面涂刷SBS改性乳化瀝青粘層油，噴灑量0.6L/m2，搭接長(zhǎng)度25cm。施工中采用MOBA-matic激光平整度控制系統(tǒng)，測(cè)距精度±1mm，采樣頻率10Hz，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面平整度，控制偏差在2mm以內(nèi)。每小時(shí)測(cè)量一次攤鋪厚度和橫坡，偏差分別控制在±3mm和±0.2%以內(nèi)。

3.4 碾壓工藝要求

碾壓采用三階段壓實(shí)工藝，配備25t雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)和30t膠輪壓路機(jī)各2臺(tái)。初壓采用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍，速度2.5km/h，溫度控制在155-160℃，鋼輪線壓力350N/cm。復(fù)壓采用振動(dòng)壓實(shí)，頻率45Hz，激振力215kN，速度3km/h，往返4遍，溫度控制在140-150℃，振幅1.2mm。終壓采用膠輪壓路機(jī)，胎壓0.8MPa，輪胎接地壓力0.6MPa，速度4km/h，往返2遍，溫度不低于120℃。壓實(shí)度檢測(cè)采用核密度儀，每200m測(cè)試一點(diǎn)，要求壓實(shí)度不低于98%，檢測(cè)深度10cm。碾壓中采用小幅重疊，重疊寬度25cm，確保壓實(shí)均勻[4]?？v向碾壓接縫采用溫式緊跟法，溫度差控制在15℃以內(nèi)。每層碾壓完成后進(jìn)行平整度檢測(cè)，控制標(biāo)準(zhǔn)為：3m直尺檢測(cè)≤3mm，IRI值≤2.8m/km，彎沉值≤0.85mm。雨天、大風(fēng)等惡劣天氣禁止施工，氣溫低于10℃時(shí)需采取保溫措施，采用土工布覆蓋保溫，覆蓋時(shí)間不少于6h。壓路機(jī)碾壓軌跡需繪制施工圖，標(biāo)明碾壓遍數(shù)和方向，確保壓實(shí)均勻度[5]。

4路用性能檢測(cè)

4.1 強(qiáng)度測(cè)試

工程現(xiàn)場(chǎng)取芯樣品32組，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室制備對(duì)比試件28組，通過MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)條件：溫度25℃，加載速率50mm/min，預(yù)加載0.1MPa。路面芯樣直徑101.6mm，高度100±2mm，測(cè)試前進(jìn)行48h恒溫處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件分析，顯著性水平取0.05。試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯路面各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)較傳統(tǒng)路面顯著提升，尤其是抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度提升幅度超過40%，這歸因于石墨烯材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瀝青混合料內(nèi)部骨架的穩(wěn)定性。具體數(shù)據(jù)見表1。

4.2 變形分析

采用多功能路面檢測(cè)車對(duì)改造后路面進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，檢測(cè)總里程3.85km，每100m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)周期為3個(gè)月，共進(jìn)行4次檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備：CAN-3000型多功能檢測(cè)車，精度0.1mm，采樣頻率200Hz。同步采集車轍深度、橫向位移和縱向變形數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，石墨烯路面的各項(xiàng)變形指標(biāo)明顯低于傳統(tǒng)路面，車轍深度減少67%，橫向位移減少63%，表明石墨烯材料顯著提高了路面的抗變形能力。具體數(shù)據(jù)見表2。

4.3 耐久性評(píng)價(jià)

通過循環(huán)荷載試驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)評(píng)估路面耐久性。試驗(yàn)條件：溫度循環(huán)-20℃～60℃，濕度循環(huán)45%～95%，荷載循環(huán)0～1.2MPa，試驗(yàn)周期90天。采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄試件性能衰變過程。耐久性試驗(yàn)表明，石墨烯路面在嚴(yán)苛條件下性能衰減幅度較小，90天試驗(yàn)周期內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)衰減率均控制在20%以內(nèi)，優(yōu)于傳統(tǒng)路面35%的平均衰減率，證實(shí)了石墨烯材料對(duì)提升路面耐久性的積極作用。具體數(shù)據(jù)見表3。

5結(jié)語

杭州市秋濤路道路施工實(shí)踐表明：（1）石墨烯材料在瀝青混合料中的最佳摻量為0.3%，施工溫度控制在165±5℃范圍內(nèi)效果最優(yōu)；（2）采用分段碾壓，保證8MPa壓實(shí)度的施工工藝，路面平整度可達(dá)到2.8m/km；（3）路面抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度分別提高42%和35%，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到6800次/mm，路用性能顯著提升。工程應(yīng)用證實(shí)，石墨烯材料能有效提高市政道路施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]韓飛飛.石墨烯改性瀝青流變特性及高低溫性能研究[J].福建建材，2024，（09）：11-14.

[2]牛永紅.石墨烯改性瀝青耐老化性能研究[J].江西建材，2024，（06）：61-63.

[3]張互助，鄭躍慶，李強(qiáng)，等.石墨烯-玄武巖纖維瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].公路，2023，68（06）：194-198.

[4]孟勇軍，張瑞杰，劉直榮，等.石墨烯對(duì)橡膠粉改性瀝青混合料路用性能影響研究[J].公路，2021，66（05）：7-11.

[5]鄒虎，李強(qiáng).石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青及其混合料路用性能研究[J].公路交通科技，2020，37（10）：46-56.

作者簡(jiǎn)介：方長(zhǎng)東（1983.3-），男，漢族，濟(jì)南，本科，工程師，研究方向：建設(shè)工程里面的城市道路與交通。

姜珊 （1979.11-）女，漢，濟(jì)南，本科，工程師，研究方向：建設(shè)工程里面的城市道路與交通。