復(fù)合改性排水式瀝青混合料性能研究

薛冰　張波　邵景干　李文凱　孔凌宇　王俊超

摘 要：【目的】為提升開(kāi)級(jí)配OGFC排水式瀝青路面的使用年限，減小對(duì)進(jìn)口高黏瀝青的依賴?！痉椒ā勘狙芯窟x用氧化石墨烯及竹纖維對(duì)瀝青開(kāi)展復(fù)合改性，并進(jìn)行瀝青膠漿性能及混合料路用性能研究，分析復(fù)合改性瀝青替代TPS高黏瀝青的可能性?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明，竹纖維的最佳摻量為0.3%；氧化石墨烯及竹纖維的摻入均能改善OGFC-13混合料的高溫抗車轍、低溫抗開(kāi)裂及抗水損害能力?！窘Y(jié)論】氧化石墨烯及竹纖維能夠改善瀝青膠漿及瀝青混合料的性能，具有替代TPS高黏瀝青的能力。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯；竹纖維；黏附性；OGFC瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)：U416.217? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）11-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.11.017

Study on Performance of Composite Modified Drainage Asphalt Mixture

XUE Bing ZHANG Bo SHAO JingganLI WenkaiKONG Lingyu WANG Junchao

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.， Zhengzhou 450046， China；

2.Henan Tonghe Expressway Maintenance Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China；

3.Research and Development Center of Green High Performance Material Application Technology

Transportation Industry， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] To enhance the service life of OGFC drainage asphalt pavement with open grading and reduce dependence on imported high viscosity asphalt. [Methods] In this study， graphite oxide and bamboo fiber are selected to carry out composite modification of asphalt， and the performance of asphalt mortar and pavement performance of mixture are studied to analyze the possibility of composite modified asphalt replacing TPS high viscosity asphalt. [Findings] The experimental results show that the optimal dosage of bamboo fiber is 0.3%; The addition of Graphene Oxide and bamboo fibers can improve the high-temperature resistance to rutting， low-temperature resistance to cracking， and water damage of OGFC-13 mixture. [Conclusions] GO and bamboo fiber can improve the performance of asphalt mortar and asphalt mixture， and have the ability to replace TPS high viscosity asphalt.

Keywords： graphene oxide; bamboo fiber; adhesion; OGFC asphalt mixture; road performance

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化不斷加快，城市早期的布局已日顯不合理，尤其是多雨季節(jié)城市排水困難，嚴(yán)重影響市民生活質(zhì)量。“海綿城市”理念的提出，排水式瀝青路面也得到了廣泛推廣，其中開(kāi)級(jí)配OGFC路面結(jié)構(gòu)類型具有較大的設(shè)計(jì)孔隙率，一般為18%～25%，能夠吸收大量胎噪，也能夠加快路表積水快速排出［1］。與普通AC型密級(jí)配相比，開(kāi)級(jí)配OGFC大孔隙結(jié)構(gòu)屬性更容易受到水壓、空氣、光照等綜合作用的影響而出現(xiàn)瀝青過(guò)早老化而降低瀝青路面使用年限的現(xiàn)象［2］。氧化石墨烯（GO）是一種納米材料，擁有三維層狀結(jié)構(gòu)、比表面積大及與瀝青相容性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效改善瀝青抗老化的能力。竹纖維作為一種植物纖維，是由毛竹通過(guò)一定的工藝加工成的絮狀物，具有價(jià)格低廉、力學(xué)性能好及與瀝青混合料相容等優(yōu)點(diǎn)［3］。選用開(kāi)級(jí)配OGFC排水式瀝青混合料進(jìn)行研究，將氧化石墨烯（GO）及竹纖維摻入混合料中來(lái)改善OGFC排水式瀝青混合料性能的不足，為納米材料及竹纖維在OGFC瀝青路面中的應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

1 瀝青研究

瀝青品質(zhì)的好壞直接影響瀝青路面的使用年限。本研究分別選用70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、SBS I-C聚合物改性瀝青及TPS高黏瀝青3種瀝青展開(kāi)研究，其主要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2 GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿性能

2.1 GO-竹纖維復(fù)合改性瀝青膠漿制備

選用高速剪切機(jī)來(lái)制備復(fù)合改性瀝青膠漿：①將基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青分別在160 ℃、170 ℃熔融；②將GO加入熔融好的瀝青中，在300 r/min的轉(zhuǎn)速下用高速剪切機(jī)剪切10 min；③再將竹纖維摻入，在300 r/min的轉(zhuǎn)速下用高速剪切機(jī)剪切15 min制備成復(fù)合改性瀝青膠漿。基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青中GO摻入量分別為0.05%、0.2%（占瀝青質(zhì)量），竹纖維摻入量為1%（占瀝青質(zhì)量）。

2.2 60 ℃動(dòng)力黏度

黏度指標(biāo)是反映瀝青與礦料之間黏結(jié)性能的重要指標(biāo)，也能評(píng)價(jià)瀝青抗高溫塑性變形的能力。對(duì)復(fù)合改性瀝青、TPS高黏瀝青開(kāi)展60 ℃動(dòng)力黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，GO及竹纖維的摻入都能改善瀝青黏度，增加瀝青與礦料之間的黏附能力，提高瀝青混合料的抗飛散及高溫性能；同時(shí)復(fù)合改性瀝青具有成為高黏瀝青的潛能。

2.3 布氏黏度

布氏黏度反映瀝青的黏滯屬性，是瀝青混合料抗塑性變形的重要指標(biāo)。對(duì)復(fù)合改性瀝青、TPS高黏瀝青開(kāi)展135 ℃及175 ℃布氏黏度試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可以看出，GO及竹纖維的摻入都能改善瀝青的布氏黏度，GO及竹纖維能夠有效改善瀝青的高溫稠度，增強(qiáng)瀝青路面的高溫抗車轍能力。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 礦料級(jí)配

選取OGFC-13開(kāi)級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行研究，粗集料分別是10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm的碎石，細(xì)集料是0～3 mm的機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)制得，OGFC-13級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 最佳竹纖維摻量的確定

竹纖維具有較強(qiáng)的吸油能力，本研究在OGFC-13初始配合比最佳油石比為5.01%基礎(chǔ)上增加0.2%來(lái)研究竹纖維的最佳摻量。以SBS+GO改性瀝青展開(kāi)竹纖維摻量研究，竹纖維摻入量分別為0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（占混合料質(zhì)量）時(shí)，OGFC-13混合料相關(guān)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，隨著纖維摻量的加大，空隙率、析漏飛散損失結(jié)果均逐漸變小，但摻量大于0.3%后，變小趨勢(shì)變緩，穩(wěn)定度先增大后減小。因此，確定纖維最佳摻量為0.3%。

4 路用性能

4.1 高溫穩(wěn)定性

近年來(lái)隨著氣溫的升高，尤其夏季炎熱天氣，中午室外溫度往往會(huì)超過(guò)40 ℃，路表溫度甚至?xí)^(guò)70 ℃，瀝青膠凝材料對(duì)高溫較為敏感，高溫環(huán)境下瀝青黏韌性降低，在車輛軸載尤其重軸載及渠化作用下，瀝青路面很容易產(chǎn)生較大的塑性變形而出現(xiàn)車轍。在2022年7月河南省部分地市出現(xiàn)42 ℃的極端高溫天氣，導(dǎo)致多條高速公路出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍病害。因此，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍能力性能試驗(yàn)顯得尤為重要［4］。本研究參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中車轍試驗(yàn)方法對(duì)不同復(fù)合改性的OGFC-13混合料開(kāi)展車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，GO、竹纖維兩種外加劑的摻入均能改善混合料的高溫性能，其中，70#+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維三種混合料試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于TPS混合料，說(shuō)明在高溫性能方面這三種復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高黏瀝青的能力。

4.2 低溫抗裂性

瀝青具有對(duì)溫度較為敏感的屬性，低溫環(huán)境下，瀝青變得硬而脆。在冬季嚴(yán)寒，尤其溫差較大的地區(qū)，在溫縮應(yīng)力的作用下，混合料內(nèi)部的允許抗拉應(yīng)力小于溫縮應(yīng)力時(shí)，瀝青路面就會(huì)開(kāi)裂，而開(kāi)級(jí)配OGFC混合料的孔隙率較大，開(kāi)裂更易出現(xiàn)［5-6］。本研究參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中瀝青混合料低溫試驗(yàn)方法對(duì)不同復(fù)合改性的OGFC-13混合料開(kāi)展低溫抗開(kāi)裂能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，GO的摻入對(duì)混合料低溫性能的影響不大，甚至?xí)档突旌狭系牡蜏匦阅?，?.3%纖維的摻入，使混合料低溫性能得到不同程度的改善，而SBS+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維兩種混合料的低溫性能均優(yōu)于TPS混合料，說(shuō)明在低溫性能方面這兩種復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高黏瀝青的能力。

4.3 水穩(wěn)定性

開(kāi)級(jí)配OGFC排水式瀝青路面內(nèi)部具有較大的孔隙，且孔隙之間相互貫通，才能保證城市路表積水快速排出，但較大的孔隙使得結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的混合料長(zhǎng)期受到動(dòng)水壓、空氣等外界環(huán)境的綜合作用，瀝青會(huì)逐年老化，瀝青膠漿極易從孔隙中剝落［7-9］。本研究參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)方法對(duì)不同復(fù)合改性O(shè)GFC-13混合料開(kāi)展水穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，GO、竹纖維的摻入均能改善OGFC-13混合料的抗水損害能力，而70#+0.05%GO+0.3%竹纖維、SBS+0.2%GO、SBS+0.2%GO+0.3%竹纖維三種混合料整體水穩(wěn)定性能均優(yōu)于TPS混合料，說(shuō)明在水穩(wěn)定性能方面這三種復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高黏瀝青的能力。

5 結(jié)論

①GO及竹纖維對(duì)不同瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度、135 ℃、175 ℃布氏黏度均能達(dá)到改善作用，GO及竹纖維復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高黏瀝青的能力。

②GO及竹纖維的摻入均能綜合改善OGFC-13混合料的高低溫及水穩(wěn)定性能；GO的摻入會(huì)降低OGFC-13混合料低溫性能，但降低幅度較??；GO、竹纖維復(fù)合改性瀝青具有替代TPS高黏瀝青的能力。

參考文獻(xiàn)：

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