■姚孔军

（福建新路达交通建设监理有限公司，南平 353000）

我国是汽车轮胎的生产和消费大国，随之而来的是汽车废旧轮胎数量的迅速增加，它们不仅占用土地资源， 而且轮胎高分子材料自然降解困难，其中还含有一些有毒有害的重金属成分，容易引起环境污染和健康问题[1]。 现阶段废弃轮胎的处置途径主要有填埋、燃烧和再利用，前两种方法无疑会造成自然环境的污染和破坏[2]。 因此，如何有效地回收利用废旧轮胎，实现“黑色垃圾”变废为宝，具有重要的实际意义和研究价值。

研究发现，将废旧轮胎处理成一定粒径的橡胶颗粒，按照一定比例掺入沥青中，可有效提高沥青的技术性能，具有较好的经济环境效益[3-7]。 然而，目前橡胶改性沥青还存在一些问题，如容易离析、储存稳定性较差等[8]。 已有研究表明，石墨烯具有较大的比表面积和层状结构， 可增加改性剂与沥青的相容性，促进形成稳定的内部网络结构，从而保证改性沥青质量稳定[2]。 可见，掺加石墨烯有望改善橡胶改性沥青的储存稳定性，实现良好的工程应用效果。

本研究制备了石墨烯—橡胶复合改性沥青，对其基本技术指标进行测试，然后将其应用于混合料中，通过车辙试验、小梁三点弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评价了复合改性沥青混合料的路用性能。

1 原材料和方法

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

采用70 号基质沥青，技术指标见表1。

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 改性剂

采用40 目橡胶粉，橡胶粉技术指标为：筛余物1.6%，灰分0.3%，橡胶烃含量56%，铁含量0.012%；石墨烯技术指标为堆积密度0.01 g·ml-1，纯度为98 wt%，层数1～10，比表面积620 m2·g-1。

1.1.3 集料

集料的技术指标见表2。

表2 集料技术指标

1.2 改性沥青制备

将70 号基质沥青加热至熔融， 使用干净的玻璃棒搅拌5 min，令其处于良好的流动状态；依次加入0.05wt.%的石墨烯和20wt.%的橡胶粉，同时使用玻璃棒搅拌20 min，使石墨烯和橡胶粉初步混合在基质沥青中；进而使用高速剪切机对初步混合后的沥青样品进行连续高速剪切， 转速设置为5 000 r/min，时间设置为60 min，温度控制在175℃～180℃；再进行30 min 低速搅拌，令橡胶粉充分溶胀发育，最后得到石墨烯—橡胶复合改性沥青。

同时，制备不含石墨烯的橡胶改性沥青作为对照组。 为简化表述，本文中基质沥青、橡胶改性沥青、 石墨烯—橡胶复合改性沥青分别使用B、RB、GRB 表示。

1.3 配合比设计

采用AC-13 型密级配，级配曲线见图1。 根据马歇尔设计方法，确定最佳油石比为5.0%。

图1 AC-13 型级配曲线

1.4 性能测试方法

对沥青样品分别进行针入度试验、 软化点试验、延度试验和离析试验，分析橡胶粉和石墨烯对沥青基本指标和储存稳定性的影响。 对板块状沥青混合料试件进行60°C 车辙试验， 采用动稳定度评价混合料高温性能，具体操作方法参见我国现行规范T0719-2011《沥青混合料车辙试验》。 将板块状沥青混合料试件切割成小梁试件，进行小梁三点弯曲试验，评价混合料低温抗开裂性能，试验温度设置为-10°C， 详细操作过程参见我国现行规范T0715-2011《沥青混合料弯曲试验》。对沥青混合料马歇尔试件进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，采用浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比，评价混合料抗水损害性能，具体方法参见我国现行规范T0709-2011《沥青混合料马歇尔稳定度试验》和T0729-2000《沥青混合料冻融劈裂试验》。

2 结果与讨论

2.1 沥青技术指标

3 种沥青样品技术指标测试结果见表3。 掺加橡胶粉后，沥青针入度降低，延度、软化点和软化点差值增大。 橡胶粉使得沥青的稠度和柔韧性增加，高温抗变形能力和低温延展性增强，但是储存稳定性变差。 进行复合改性后，针入度继续降低，软化点进一步升高，延度有所降低，但是仍高于基质沥青，而软化点差值则下降到接近基质沥青的水平。 可见， 石墨烯增强了沥青高温性能和储存稳定性，但对低温性能不利。 这是因为在复合改性过程中，石墨烯与溶胀后的橡胶粉相互纠缠，增强了改性沥青内部网络结构强度，提高了橡胶粉与沥青的相容性，故其抗变形能力和储存性能提高。 然而，石墨烯会吸附沥青中轻质组分，使得其低温延展性有所下降。

表3 3 种沥青样品技术指标

2.2 高温抗车辙性能

高温抗车辙性能试验的测试结果见图2。 普通（B 型）沥青混合料、橡胶改性（RB 型）沥青混合料和石墨烯—橡胶复合改性（GRB 型）沥青混合料的车辙深度分别为3.65 mm、1.85 mm 和1.32 mm，动稳定度分别为2 659 次/mm、4 202 次/mm 和4 916 次/mm。相比前2 种沥青混合料，GRB 型沥青混合料的动稳定度分别提高了84.9%和17.0%， 有效改善了沥青混合料的高温抗车辙性能。 这是因为石墨烯的层状结构与橡胶改性沥青形成良好的交联作用，降低了沥青的流动能力，从而提高了其高温稳定性。

图2 高温抗车辙性能试验结果

2.3 低温抗开裂性能

小梁三点弯曲试验结果见图3。 RB 型和GRB型沥青混合料破坏应变均大于B 型沥青混合料，说明改性沥青混合料低温性能更好。 相比RB 型沥青混合料，GRB 型沥青混合料的抗弯拉强度和劲度模量有所增长， 但是破坏应变却出现了一定程度下降，不过仍高于2 500 με，满足我国现行规范的最低要求。 这是因为石墨烯增强了橡胶改性沥青的网络结构，提高了沥青混合料的力学强度，但是会抑制沥青分子的变形能力，导致其低温抗开裂性能下降。

图3 小梁三点弯曲试验结果

2.4 抗水损害性能

马歇尔稳定度测试结果见图4。RB 型沥青混合料和GRB 型沥青混合料的稳定度均高于B 型沥青混合料。 其中，GRB 型沥青混合料的稳定度增长幅度达到14.3%，说明石墨烯和橡胶粉改性剂的加入使得沥青混合料力学性能得到明显提升。

图4 马歇尔稳定度测试结果

浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比计算结果见图5、图6。 B 型、RB 型和GRB 型沥青混合料的浸水残留稳定度分别为87.5%、89.4%、93.1%， 可见掺入改性剂有效提高了沥青混合料的抗水损害性能，尤其是石墨烯—橡胶复合改性沥青混合料的提升效果最为显著。而且，冻融劈裂试验结果也表现出相似的规律。 这是因为石墨烯在橡胶粉和沥青之间起到桥接作用， 增强了沥青自身的粘聚力及与集料的粘附力，从而改善了沥青混合料对水损害的抵抗能力。

图5 浸水残留稳定度计算结果

图6 冻融劈裂强度比计算结果

3 结论

（1）橡胶粉可提高沥青高温抗变形能力和低温延展性，但是存在离析问题。 通过石墨烯—橡胶复合改性方法可进一步提高沥青的高温性能，同时改善沥青的储存性能，对低温性能有一定程度不利影响，但仍优于普通沥青。 （2）相比普通沥青混合料和橡胶改性沥青混合料，石墨烯—橡胶复合改性沥青混合料动稳定度分别提高了84.9%和17.0%， 高温抗车辙性能优异。 （3）石墨烯—橡胶复合改性沥青混合料低温抗开裂性能优于普通沥青混合料，但弱于橡胶改性沥青混合料。 （4）石墨烯在橡胶粉和沥青之间起到桥接作用，增强了沥青自身的粘聚力及与集料的粘附力，提高了沥青混合料对水损害的抵抗能力。