石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青性能研究

2023-09-22郑跃庆张互助赵锦轩

四川水泥 2023年9期

郑跃庆张互助王凯赵锦轩

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春 130000）

0 引言

为解决沥青路面裂缝、车辙、松散剥落等病害，通常对沥青进行改性。当前的沥青改性材料类型主要包括聚合物类、橡胶类、纳米类和纤维类等。

玄武岩纤维是近些年来出现的新型绿色环保高性能纤维材料，将其加入沥青及沥青混合料可大幅提高沥青路面的使用性能，尤其是在提高其低温抗裂性能方面表现优异[1-3]。Dong Wang 等[4]研究结果表明，玄武岩纤维的加入可以提高沥青粘结剂的抗拉强度；张小元等[5]研究结果表明，掺入纤维可以提高胶浆的高低温性能。

石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，因其具有极高的导电、导热性能及优异的力学性能，已成功应用于沥青及沥青混合料改性领域[6-9]。黄瑾瑜等[10]研究结果表明，石墨烯的加入有效改善了沥青的高温性能，但削弱了沥青的低温抗拉能力；Meizhao Han 等[11]研究结果表明，石墨烯的加入提高了沥青的黏弹性、抗高温车辙性能；贾晓东等[12]研究结果表明加入石墨烯提高了沥青的高温抗车辙性能，但抗低温性能有所降低。

上述研究表明，将石墨烯与玄武岩纤维一起对沥青进行复合改性，将能够协同发挥纳米材料和玄武岩纤维的各自优势，达到改善沥青综合性能的目的。本文通过制备玄武岩纤维改性沥青和5 组不同掺量的石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青，并对其进行常规性能和流变性能试验研究，探讨石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青的改性效果，对于提高道路使用质量及延长道路使用寿命具有重要意义。

1 原材料性能及改性沥青制备

1.1 原材料

（1）沥青。选用克拉玛依70#重交通道路石油沥青，其技术指标如表1所示。

表1 基质沥青基本技术指标

（2）石墨烯。选用青岛岩海碳材料有限公司生产的石墨烯粉末，其技术指标如表2所示。

表2 石墨烯基本技术指标

（3）玄武岩纤维。选用吉林省玖鑫玄武岩产业有限公司生产的玄武岩纤维，其技术指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维基本技术指标

1.2 制备方法

将基质沥青加热至流动状态并保持温度在170℃，缓慢分批加入0.6%的玄武岩纤维和0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的石墨烯并用玻璃棒搅拌均匀，使其与沥青初步混合；再利用高速剪切机先以2000r/min 的剪切速度低速剪切15min，后以5000r/min 的剪切速度高速剪切1h。

1.3 试验方法

制备0.6%掺量的玄武岩纤维改性沥青和0.6%掺量玄武岩纤维+0.2%~1.0%石墨烯掺量的石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青，其中石墨烯掺量每组间隔0.2%，共6 组不同掺量改性沥青试样。通过针入度试验、软化点试验、延度试验和温度扫描试验测定6 种改性沥青的常规性能和流变性能。

2 试验结果分析

2.1 常规指标试验

石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青的常规性能试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规定方法进行测试，试验结果见图1所示。

图1 不同掺量复合改性沥青常规指标试验结果

由图1 可以看出，石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青的针入度随着石墨烯掺量的增加呈现减小趋势，在石墨烯掺量为0.4%时，下降趋势放缓；软化点则随着石墨烯掺量的增加呈现增加趋势，在石墨烯掺量为0.2%时，上升幅度略大于其他掺量；延度则和针入度变化趋势一致，均随着石墨烯掺量的增加呈现减小趋势。表明加入石墨烯提高了改性沥青的稠度，还起到了一定程度的硬化效果，改善了玄武岩纤维的高温性能。但石墨烯作为纳米材料有着较大比表面积，阻碍了沥青分子间的自由流动，在低温条件下由于应力集中而更容易发生断裂现象，即石墨烯的加入削弱了改性沥青的抗低温性能。

2.2 温度扫描试验

本研究采用温度扫描试验评价玄武岩纤维改性沥青和石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青的高温性能，试验温度为46℃、52℃、58℃、64℃、70℃和76℃，不同掺量石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青在不同温度下的复数剪切模量、车辙因子和相位角见图2所示。

图2 不同石墨烯掺量复合改性沥青物理性能变化图

复数剪切模量表示沥青在剪切变形下抵抗所受变形总阻力的能力，其值越大表明抗剪切能力越好；车辙因子用来评估抵抗高温塑性变形的能力，相位角则表示沥青的黏弹比例。由图2 可知，不同石墨烯掺量改性沥青的复数剪切模量和车辙因子均随着温度升高呈现下降趋势，在石墨烯掺量为0.8%时，复数剪切模量和车辙因子相比其他掺量改性沥青最高，表明石墨烯增强了沥青的抗变形能力，在掺量为0.8%时，增强效果最好。不同掺量改性沥青的相位角随着温度上升呈现上升趋势，表明温度越高，高温抗变形能力越弱，在石墨烯掺量为0.8%时，相位角最小，抗变形能力最好。