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摘 要：沥青路面在使用过程中经常会存在车辙、裂缝和水害等多种病害，直接影响着沥青路面的使用质量和寿命，为了进一步提升沥青路面使用性能，可采用石墨烯和玄武岩纤维来改性混合料，可以解决单独采用石墨烯或玄武岩纤维存在的缺点，确保沥青路面施工质量，减少沥青路面病害和延长路面使用寿命。本文先对如何进行试验材料制备进行论述，并对高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性三个方面进行性能试验，表明有用石墨烯-玄武岩纤维沥青混合料具有很好的综合性能，可以验证混合料的适用性和可行性。

关键词：石墨烯；玄武岩纤维；沥青混合料；性能试验

引言

沥青路面采用沥青作为黏结集料，具有施工周期短、表面平整、行车舒适等优点，但随着车流量变大、轴载增大和气候因素等影响，路面在服役期易出现沉陷、开裂等病害，直接影响着道路质量及使用寿命，这就对沥青路面耐疲劳、抗车辙等性能提出了更高要求，沥青混合料改性可以提升路用性能。石墨烯为二级蜂窝状晶格结构，可以提升沥青混合料抗车辙性能、抗疲劳性能，但无法满足沥青路面低温抗裂性能，无法应用于冻区沥青路面，玄武岩纤维添加到沥青混合料对提升低温抗裂性能具有很好的作用，对提升沥青道路质量、延长使用寿命具有重要意义，需要对石墨烯-玄武岩纤维沥青混合料性能进行试验研究，确保发挥出更好的作用。

1试验材料制备

选择A级道路石油沥青，60℃动力黏度为321.5pa·s，闪点314.5℃，老化后残留延度为17，残留针入度比为72.8；石墨烯纯度为99.86%，粒度为20.11，比表面积36g/cm3；玄武岩纤维长度为6mm，线密度为133.0tex，断裂强度为0.6N/tex；粗、细集料由天然岩石破碎而成，极限抗压强度为200～300MPa。根据合成级配求得沥青、集料、石墨烯和玄武岩纤维质量，油石比5.08%，空隙率为3%～6%，矿料间隙率≥14%，饱合度65%～75%，流值在2mm～4mm，将石墨烯与矿粉置于容中进行充分拌合，将配料置于170℃烘箱持续保持6h，沥青置于140℃烘箱4h，避免沥青在高温条件下出现老化，加热完成后集料、玄武岩纤维置到160℃拌合设备，拌合30s，确保玄武岩纤维可以均匀分布，再将沥青置于90s，置于石墨烯和矿粉中拌合90s。温度保持稳定后将沥青混合料置于马歇尔击实仪，两侧均击实75次，击实温度≥140℃，试件制成后测量高度符合设计要求，置到室内保持24h，采用脱模机进行脱模处理，对基质沥青试件AC、石墨烯改性沥青试件GAM、玄武岩纤维改性沥青试件BFAM、最佳掺量石墨烯-玄武岩纤维改性混合试件GBFAM、石墨烯-玄武岩纤维混合料GBFAM1试件进行对比分析。

2高温稳定性

2.1评价方法

高温稳定性为在夏季高温情况下，路面能够抵抗车轮反复施加载荷而不出现永久变形的特性，车辙对路面的破坏力较大，路面形成车辙后会使沥青路面厚度变小，破坏路面结构强度而使集料骨架稳定性不够，沥青混合料内部会产生变化。采用车辙试验来对试件结构变形响应进行检测，规定方法制成车辙板试件，在规定温度条件下以标准频率于固定位置进行反复行走，检测试验形成的车辙深度。

2.2试验方法

采用动稳定度对石墨烯-玄武岩纤维沥青混合料高温稳定性进行评价，温度控制在60℃，轮压0.7MPa，制作车辙板试件3块，置于室温条件下48h，再置于60℃保温箱6h，试验方向与轮碾方向保持一致，动稳定度计算公式为：

上式中，DS为动稳定度，t1为试验时间，设定为45min，t2为实验时间，设定为60min，d1为45min时间的变形量，单位为mm，d2为60min时间的变形量，单位为mm，C1为试验机系数（1.0），N为往返碾压速度（42次/min）。

2.3试验结果分析

从动稳定度和60min累计变形的试验结果来看，GBFAM试件动稳定度为7300次/min，GAM试件次之，但与GBFAM1试件相差较小，但均高于BFAM试件，AC试件为最低。表明采用石墨烯-玄武岩纤维复合改性沥青混合料具有更好的高温稳定性，60min累计变形比其他试件小，这是因石墨烯为纳米材料具有更大的比表面积和更好的导热性，玄武岩纤维可提升试件韧度，可以共同发挥作用来提升沥青混合料高温性能，具体的数据统计见图1所示。

3低温抗裂性

3.1评价方法

采用低温弯曲试验用于对沥青混合料低温抗裂性能进行评价，只评价强度不能准确体现出材料性能，材料破坏是由能量损耗导致的，损耗能量多则表明具有更好的抗裂性能，弯曲应弯可以更准确地体现出材料低温抗裂性。

3.2试验方法

制备车辙板试件并切割为棱柱体小梁试件，跨径设置为200mm，将试件置到-10℃，加载速率设置为50mm/min，采用MTS试验机来检测不同沥青路面材料低温抗裂性能，记录小梁试件断裂后的拉应变值，抗弯拉强度及最大弯拉应变用于评价沥青混合材料低温抗裂性，公式为：

上式中，RB为抗弯拉强度，单位为MPa；εB为最大弯拉应变，单位为με；SB为弯曲劲度模量，单位为MPa；b为跨中断面试件宽度，单位为mm；h为跨中断面试高度，单位为mm；L为试件跨径，单位为mm；PB为最大荷载，N；d为跨中挠度，单位为mm。

3.3试验结果分析

BFAM试件具有最高的抗弯拉强度，为13.6MPa，具有最好的低温抗裂性能，GBFAM强度次之，随着石墨烯和率武岩纤维掺量增加而具有先增高后降低的发展趋势，采用最佳掺量沥青材料也具有较好的抗低温性能。GAM试件抗弯强最低，稍小于AC试件，反映出石墨烯添加对混合料抗低温性能具有负作用，BFAM试件弯拉应弯值最高，GBFAM稍低，石墨烯-玄武岩纤维加入使混合料形成空间网状结构，提升了混合料内中粘结强度，不再依赖沥青材料抵抗外力作用时的黏结强度，这是因玄武岩纤维对混合料起到桥接、加筋等作用，在低温条件具有抑制路面裂缝形成的作用，具体的数据统计见图2所示。

4水稳定性

4.1评价方法

浸水会导致沥青与集料间的黏结强度变小，路面的整体力学强度也会相应降低，浸水马歇乐试验是通过对比浸水前后混合料稳定度来反映水稳定性，冻融劈裂试验也称作冻融试验，可用于检测沥青路面混合料水稳定性，试验条件比马歇尔试验更为严格，冻融试验更接近路面实际情况，在路面性能检测中应用的更为广泛。

4.2浸水马歇尔试验

对标准试件双侧击实75次，试件划分为1组和2组，每组设置4个试件，1组放置于60℃水中持续保温30min，2组持续保温24上，到时间后采用马歇尔稳定度仪来对两组试件稳定度进行检测，再结合如下公式来对浸水残留稳定度进行计算：

上式中MS0为浸水残留稳定度，单位为%；MS1为浸水48h后的稳定度，单位为kN；MS为浸水30min后的稳定度，单位为kN。

4.3试验结果分析

对试件浸水48h以后，沥青混合料稳定度都存在着一定程度的减少，GBFAM试件下降最少，AC试件、BFAM试件下降较大，可以反映出石墨烯-玄武岩混合料有着很好的水稳定性。而从浸水残留稳定度来分析，GBFAM试件有着最好的性能，GBFAM试件次之，AC试件和GBFAM试件次之，这是因石墨烯和玄武岩纤维共同提升了沥青混合料的水稳定性，但玄武岩纤维起到的作用远低于石墨烯，玄武岩纤维为酸性材料，会对沥青混合料水稳定性产生影响。

4.4冻融劈裂试验

采用同样马歇尔试件，击实次数降低至50次，沥青混合料划分为1组和2组，每组4个试件，1组试件放置于25℃水槽中浸泡2h，再采用冻融劈裂试验，2组试件放置真空饱合水15min，再置于-18℃冷箱中16h，再置于60℃水槽中24h，最后放置于25℃水槽2h，取出后进行冻融劈裂试验，劈裂和冻融的抗拉强度计算公式为：

上式中RT1为1组试件没进行冻融循环具备的劈裂抗拉强度，单位为MPa；RT2为2组试件进行冻融循环具备的劈裂抗拉强度，单位为MPa；PT1为1组试件稳定度，单位为N；PT2为2组试件稳定度，单位为N；h1为1组试件高度，单位为mm；h2为2组试件高度，mm；TSR为冻融劈裂试验强度比，单位为%；没有进入到冻融循环1组试件劈裂抗拉强度均值，单位为MPa；为进入冻融循环2组试件劈裂抗拉强度均值，单位为MPa。

4.5冻融劈裂试验

没有进行冻融循环和冻融循环的沥青混合料进行对比，GBFAM具有最高的劈裂抗拉强度，可以体现出具有最好的水稳定性，其它类型沥青混合料试件劈裂抗拉强度相近，AC试件和BFAM试件劈裂抗拉强度最低，表明石墨烯和玄武岩纤维可作为提升水稳定性的添加剂，石墨烯比玄武岩纤维具有更好的效果。从冻融劈裂试验来看，GAM试件比AC试件具有更高的强度比，GBFAM具有最高的冻融劈裂强度比，表明石墨烯和玄武岩纤维共同作用起到作用，可以有效提升沥青混合料的水稳定性，玄武岩纤维比石墨烯提升效果稍低，仍具有较好的提升效果。从浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来看，水稳定性具有相同的试验结果，表明石墨烯和玄武岩共同作用有助于提升混合料水稳定性，石墨烯具有比玄武岩纤维更好的效果，而冻融劈裂试验强度比都低于浸水残留稳定度，是因冻融劈裂试验比马歇乐试验有着更高的要求，冻融劈裂试验结果与实际沥青路面的使用效果更为接近，需要采用冻融劈裂试验来对混合料水稳定性进行评价。

5结语

综上所述，制备基质沥青试件AC、石墨烯改性沥青试件GAM、玄武岩纤维改性沥青试件BFAM、最佳掺量石墨烯-玄武岩纤维改性混合试件GBFAM、石墨烯-玄武岩纤维混合料GBFAM1试件，采取车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，对每种类型沥青试件高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性进行评价，可以深入分析并探索石墨烯与玄武岩纤维对沥青路面性能带来的影响。从试验结果来看，沥青混合料添加石墨烯和玄武岩纤维有利于提升高温稳定性，GBFAM试件动稳定度为7300次/min，GAM试件次之，但与GBFAM1试件相差较小，但均高于BFAM试件，AC试件为最低，石墨烯比玄武岩纤维有着更好的提升效果；BFAM试件具有最高的抗弯拉强度，为13.6MPa，具有最好的低温抗裂性能，GBFAM强度次之，随着石墨烯和率武岩纤维掺量增加而具有先增高后降低的发展趋势，玄武岩纤维可提升沥青混合料低温抗裂性，添加石墨烯却起到负面作用，石墨烯与玄武岩纤维共同作用可以提升混合料低温抗裂性能；对试件浸水48h以后，沥青混合料稳定度都存在着一定程度的减少，GBFAM试件下降最少，AC试件、BFAM试件下降较大，可以反映出石墨烯-玄武岩混合料有着很好的水稳定性，石墨烯比玄武岩纤维有着更好的提升效果，但从马歇尔试验和冻融劈裂试验来看，两种添加料都具有相同的效果，从浸水残留稳定度来分析，GBFAM试件有着最好的性能，GBFAM试件次之，AC试件和GBFAM试件次之，这是因石墨烯和玄武岩纤维共同提升了沥青混合料的水稳定性，但玄武岩纤维起到的作用远低于石墨烯，玄武岩纤维为酸性材料，会对沥青混合料水稳定性产生影响，而从没有进行冻融循环和冻融循环的沥青混合料进行对比，GBFAM具有最高的劈裂抗拉强度，可以体现出具有最好的水稳定性，其它类型沥青混合料试件劈裂抗拉强度相近，AC试件和BFAM试件劈裂抗拉强度最低，表明石墨烯和玄武岩纤维可作为提升水稳定性的添加剂，石墨烯比玄武岩纤维具有更好的效果。

参考文献

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