石墨烯沥青胶砂与基质沥青胶砂低温抗裂性能比对试验报告

石墨烯沥青胶砂与基质沥青胶砂低温抗裂性能比对试验报告

邓中杰

安徽省交控建设管理有限公司 安徽 合肥

摘要：为了研究石墨烯改性沥青混合料的基本性能情况，分别以0.8、1.0、1.2的粉胶比将矿粉与石墨烯沥青混合制备出沥青胶浆，采用低温小梁三点弯曲试验法，通过对比石墨烯沥青胶浆与基质沥青胶浆低温抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量。结果表明，在石墨烯沥青胶浆小梁的抗弯拉性能相较于基质沥青胶浆小梁提升率均在20%以上，但在粉胶比为0.8、1.0、1.2时，其低温挠度分别降低了8.8%、10.6%、18.9%，石墨烯沥青胶浆表现出了硬质化的特点。

正文：

当前，越来越多的重载交通和复杂的气候条件使得道路使用者对路面性能的要求越来越高[1-2]，改性沥青结合料在高等级公路上的应用也越来越广泛[2]。在众多的改性剂种类中，纳米改性剂在满足路面工业需求方面表现出了巨大的潜力，很多研究者分析了纳米材料改性沥青结合料的使用性能。研究结果表明，纳米材料可极大地提高沥青结合料的力学性能、化性能和性[3]。国内外普遍认为无论在理论研究还是工程应用层面，石墨烯及衍生的石墨烯复合材料都展示出重大的科学意义和应用潜力[4]，在道路工程材料领域，当前对石墨烯功能型复合材料的研究主要集中于水泥基材料和碳纤维，采用沥青进行复合改性研究极少[5-6]。本文分别以0.8、1.0、1.2的粉胶比将矿粉与石墨烯沥青混合制备出沥青胶浆，采用低温小梁三点弯曲试验法，通过对比石墨烯沥青胶浆与基质沥青胶浆低温抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量，为石墨烯沥青混合料的研究与应用奠定基础。

1 试验

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青及填料

本试验采用SK-70#沥青，参照重交通道路石油沥青的技术指标，本研究采用的填料为石灰石矿粉，经过0.075mm筛筛分。

1.2 试验样品制备

1.2.1 石墨烯沥青制备

为使得石墨烯均匀分散于沥青中，本试验采用分散剂溶液与高速剪切机剪切制备石墨烯沥青，分散剂混合液采用质量百分比为石墨烯质量10%的硬质酰胺，溶解于三氯乙烯中，将分散剂用单槽式超声波清洗机普通超声，制备分散溶液；再将分散溶液同基质沥青混合，采用旋转蒸发仪将混合液旋转蒸发祛除三氯乙烯后，高速剪切制备石墨烯沥青，基本性能指标见表1.3。

表1.3石墨烯沥青性能指标

1.2.2 沥青胶砂试样制备主要步骤

将作为填料的矿粉在130℃下中烘4小时，确保其完全干燥，称取适量基质沥青，在130℃油浴下加热至熔融状态，再加入设计掺量的矿粉，采用低速剪切(130℃，600r.p.m，1h)的方式使得矿粉与基质沥青充分混合，从而制备出基质沥青胶砂。按相同方法制备石墨烯沥青胶砂，沥青胶砂配比见表1.4。

表1.4沥青胶砂配合比例

1.2.3 小梁弯曲试验样品制备

本试验以水泥胶浆模具制备试模，采用可拆卸式铁质模具，尺寸为40×40×160mm，将沥青胶浆试样自试模的一端至另一端往返数次缓缓倒入试模中，最后略高出试模，在室温中冷却至少四个小时，然后用热铲刀刮除高出试模的沥青胶浆，使胶浆梁面与试模面平齐。刮模后将试模和试件冷却后拆模，养护2h。

2 试验结果及分析

根据原始数据依照公式计算出弯拉破坏强度、弯拉应变、劲度模量等指标，汇总至表2-1。

表2-1沥青胶浆小梁弯曲试验数据

从表2-1中可以看出，石墨烯沥青胶浆相对于基质沥青，其抗弯拉强度和弯曲劲度模量更高，体现在其强度更高；但是破坏时的弯拉应变更低，表现出了更高的脆性。

根据前文中统计出的各组数据，分别绘制出沥青胶浆小梁性能对比图如下。

图2-1-1 抗弯拉强度对比     图2-1-2弯拉应变对比     图2-1-3劲度模量对比

根据统计出的各组数据，对基质沥青胶浆和石墨烯沥青胶浆分别进行横向对比，分析其基本情况，其中A代表基质沥青组，

GA代表石墨烯沥青组。

表2-2小梁弯曲数据分析

根据表中数据可知在抗弯拉强度对比中，随着粉胶比的增加，石墨烯沥青胶浆相对于基质沥青的提升率也在逐步提升，并且提升率均在20%以上，石墨烯的加入虽然使得最大弯拉应变降低，但是降低程度分别为8.8%、10.6%、18.9%，也是随着粉胶比的提升而逐步提高，但是其低温强度提升幅度较大，综合考虑下，石墨烯沥青胶浆在低粉胶比(粉胶比<1.0)的情况下，综合性能还是有所提升。

3 结论

(1) 石墨烯沥青胶浆小梁的抗弯拉性能相较于基质沥青胶浆小梁提升明显，说明石墨烯的加入显著增强了沥青的强度性能，在粉胶比为0.8、1.0、1.2为沥青提供了更强的刚度，强化了基质沥青的低温力学性能。

(2) 在表征沥青胶浆低温抗裂性的指标中，石墨烯沥青胶浆的挠度和最大弯拉应变较低，说明其刚度跟高，在粉胶比为0.8、1.0、1.2脆性提升分别为8.84%、10.68%、18.92%，随着粉胶比的提升而逐渐增大。

参考文献：

[I] TAYFUR S，OZEN H ，AKSOY A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers [J]. Construction M Building M aterials，2007, 2 K P } 328-337. ：

[2]刘克非，邓林飞，郑佳宇，等.不同沥青结合料水损害的纳米尺度研 究[J].材料研究学报，2016, 30(10):773-780.

[3]孙明娟,孟良,侯士峰.石墨烯在能源与环境领域中的应用[J]. 新材料产业, 2013(9):42-44.

[4]刘鹏.导电沥青混凝土石墨烯电极的制备与应用[D].哈尔滨工业大学，2018.

[5]杜建政. 石墨烯-SBS改性沥青的性能[J]. 太原, 交通世界• 建养机械,2015.

[6]黄刚.高温条件下抑烟改性沥青开发及混合料性能研究[D].重庆，重庆交通大学，2013.