石墨等体积替代矿粉对沥青混合料性能影响研究

王 军 庄大新 朱 湘

(1.江苏广靖锡澄高速公路有限责任公司， 江苏 无锡 214191； 2.东南大学交通学院， 南京 210096)



石墨等体积替代矿粉对沥青混合料性能影响研究

王 军1庄大新2朱 湘2

(1.江苏广靖锡澄高速公路有限责任公司， 江苏 无锡 214191； 2.东南大学交通学院， 南京 210096)

以AC-20为例，在不明显改变其级配的情况下，开展动稳定度、冻融劈裂以及低温弯曲试验，分析石墨等体积替代部分矿粉后，沥青混合料的高、低温性能及水稳性的变化。试验结果表明，石墨等体积代替后可改善沥青混合料的高温性能，降低低温和水稳性能，建议其替代量为20%～55%。

沥青混合料； 石墨； 高温稳定性； 水稳性

目前，国内部分研究表明通过向沥青混合料添加导热能力强的材料后就具有较好的导热性能， 可通过其导热系数的变化改变或者预知沥青路面温度场的变化，还可以收集地下热量来达到除雪化冰的效果[1]。石墨由一种六角形结构层重叠而成，导热系数很大，有较强的导热性能，但是石墨还有润滑作用，因此沥青混合料中添加石墨会对混合料的强度和耐久性造成一定的影响[5]。因此必须对掺入石墨的量进行分析，使沥青混合料在具有良好的导热能力的同时，还能够同时具有良好的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击能力等。由于直接掺入材料可能会造成沥青混合料级配的显著变化，因此本次研究在尽量不影响沥青混合料级配的基础上，以一定比例的石墨等体积替代矿粉来研究沥青混合料的性能。通过对5种不同体积分数的石墨等体积替代矿粉混合料的动稳定度、劈裂强度以及低温弯拉应变开展研究，探讨不同体积分数对沥青混合料的高温稳定性、水稳性能和低温性能的影响规律[6]。

1 试验原料及方法

1.1 试验原材料及性能指标

研究试验用的沥青为江苏宝利沥青股份有限公司生产的70#道路石油沥青，其主要的技术指标[7]如表1所示。

集料为江苏宜兴公司生产的石灰岩石料：1#规格为13.2～26.5 mm；2#规格为4.75～13.2 mm；3#规格为2.36～4.75 mm；4#规格为0～2.36 mm。主要的技术性能指标[8]见表2。

表2 集料的主要技术指标

矿粉为江苏盐城厂家生产的石灰岩矿粉，其主要的技术性能指标见表3。

表3 矿粉的主要技术性能指标

石墨为青岛天盛达石墨有限公司生产的鳞片状石墨，其主要技术性能指标如表4所示。

表4 石墨的主要技术性能指标

1.2 试验方法

沥青混合料级配采用AC-20，如表5所示。用石墨等体积分别以0，25%，40%，55%，70%替代矿粉。对沥青混合料分别进行高温车辙试验、水稳定性试验以及低温性能试验，分析用不同体积分数的石墨等体积替代部分矿粉后沥青混合料性能的变化。

表5 混合料合成级配

试验方法：

(1) 高温车辙试验试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。成型方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0703 — 2011沥青混合料试件制作方法规定进行[7]，试件共需要5组，每组3个试件。

试件制作完成，冷却12 h后。将试模与试件一起放置在温度(60±1)℃ 的恒温室中，时间≥5 h，但≤24 h；同时控制试件温度稳定在(60±0.5)℃，随即置于自动车辙试验仪的试验平台上，试件的中央位置和方向需放置正确；然后将车辙试验机启动，使试验轮在车辙板表面往返行走，时间约为1 h，或者当试件最大变形量达到25 mm时停止试验。记录所需要的数据。

沥青混合料车辙试验的动稳定度按照下式计算：

(1)

式中：DS— 沥青混合料的动稳定度，次mm；

d1— 对应时间t1的变形量，mm；

d2— 对应时间t2的变形量,mm；

C1— 本次试验的仪器系数，取为1 ；

C2— 本次试验试件系数，取为1；

N— 频率，通常为42次min。t1和t2分别取试验开始后第45min、第60min。

(2)冻融劈裂试验试件尺寸为101.6mm×(63.5±1.3)mm，采用马歇尔电动击实仪成型，方法按照试验规程T0702 — 2000进行。试件双面击实各50次。制备5组，每组8个马歇尔试件。

试件制备好脱模后，首先测量各试件高度。将每组马歇尔试件再分成2个小组，其中一组4个试件(未冻融)保存室温下备用；另一组4个试件(冻融)首先在真空条件下保水15min后，于常压下在水中放置0.5h，取出试件放入约有10mL水的塑料袋中，扎紧袋口，然后在恒温冰箱内-18 ℃环境下保存16h，最后从恒温冰箱中取出，撤去塑料袋立即放入恒温60 ℃水槽中继续保温24h。将2组8个马歇尔试件全部浸入恒温25 ℃水槽中，保温不小于2h，同时在水槽内试件与试件的距离不小于10mm。以上完成后在室温25 ℃下，取出试件立即放在试验机上。启动试验设备，记录所需结果。重复完成所有试验。

冻融劈裂抗拉强度比值按照以下公式计算：

RT1=0.006 287Pt1h1

(2)

RT2=0.006 287Pt2h2

(3)

(4)

式中：Rt1— 未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa；

Rt2— 经过冻融循环的第二组试件的劈裂强度，MPa；

Pt1— 第一组试件的荷载最大值，N；

Pt2— 第二组试件的荷载最大值，N；

h1— 第一组试件的高度，mm；

h2— 第二组试件的高度，mm；

TSR— 冻融劈裂试验劈裂强度比，%；

(3)低温小梁弯曲试验试件尺寸为(250±2)mm×(30±2)mm×(35±2)mm，该试件是由车辙板试件切制而成，车辙板按照试验规程制作，一块车辙板可切割成8个小梁试件。制备5组，每组8个小梁试件。

分别测量每个小梁试件的跨中断面的宽度以及高度后，将小梁试件放置在-10 ℃的恒温冰箱中3h以上，保证小梁试件的内部温度达到要求的试验温度，保温时试件之间的距离不小于10mm。取出小梁试件，立即将其放在试验机上进行试验，使小梁试件以规定的速率在跨中位置承受集中荷载，记录所需结果。要求从保温到试验完成不超过45s。

其最大弯拉应变用以下公式计算：

(5)

式中：εB— 小梁试件破坏时最大弯拉应变，常用με表示，1με=10-6；

h— 小梁试件跨中断面高度，mm；

d— 小梁试件破坏时跨中挠度，mm；

L— 小梁试件的跨径，mm。

以上所需试件的空隙率控制在4.4%左右。

2 试验结果及分析

2.1 车辙试验

车辙试验每组取平均值为最后的结果。结果如表6所示。

表6 不同替代比例下的动稳定度 次mm

表6 不同替代比例下的动稳定度 次mm

替代比例025%40%55%70%动稳定度8961075116115302675

由表6数据可知随着石墨等体积替代矿粉百分数的增大动稳定度也逐渐变大。当石墨等体积替代矿粉百分数由25%增加至70%时，其动稳定度相应由1 075次mm增大至2 675次mm。满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG_F40 — 2004中AC-20动稳定度的次数不小于800次mm的要求[9]，说明用石墨等体积替代矿粉后对沥青混合料的高温稳定性能具有一定的改善作用。这是因为石墨吸收了一定的自由沥青，使沥青结合料与矿料之间的黏结力得到了改善。

2.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是用来验证沥青混合料是否具有良好的抗水害能力，即水稳定性，其试验结果如图1所示。

图1 劈裂强度比值随石墨等体积替代百分数变化曲线

由图1可知随着石墨等体积替代矿粉百分数的增加，劈裂强度比值逐渐下降。当石墨掺量由25%增加至55%时，劈裂强度比由85.4%降至72.3%。公路沥青路面施工技术规范中要求普通沥青混合料的劈裂抗拉强度比大于70%，沥青混合料才具有良好的抗水损害能力。当石墨等体积替代矿粉百分数为70%时，劈裂强度比为70.9%。因此石墨等体积替代部分矿粉应在一定范围内，不宜过多。因为石墨具有一定的润滑性，会降低沥青的黏聚力，使得劈裂强度比值下降。

2.3 低温弯曲小梁试验

公路沥青路面施工技术规范中用低温弯拉应变值评价沥青混合料的低温性能，其弯拉应变变化规律如图2所示。

从图2可以看出随着石墨等体积替代矿粉百分数的增大，沥青混合料的抗裂性能逐渐变差。当石墨等体积替代矿粉百分数由25%增加至70%时，弯拉应变值由2 497 με减小至1 692 με。这表明由于石墨的加入使沥青混合料的强度变低，沥青混合料变脆，使得混合料的低温抗裂性能有所降低。《公路沥青路面施工技术规范》JTG_F40 — 2004中要求AC-20弯拉应变值大于等于2 000 με[9]。当石墨等体积替代矿粉百分数为55%时，其弯拉应变值为2 034 με。说明用石墨等体积替代矿粉后沥青混合料的低温稳定性能随着其百分数的增大而逐渐降低，基本能够满足路面性能的要求，但不能过量替代。

图2 弯拉应变随石墨等体积替代矿粉百分数的变化

3 结 语

用一定量的石墨等体积替代矿粉后，可改善沥青混合料的高温性能、降低其水稳定及低温性能。综合考虑建议石墨等体积替代矿粉的用量为20%～55%。具体应用可根据区域气候、施工条件等实际情况，进行适量调整。

[1] 李兴海.沥青混合料的热物理特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：121-145.

[2] 李波.导热沥青混凝土及其性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2008：25-80.

[3] 黄慧.沥青及沥青混合料热物特性及测试方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2011：111-134.

[4] 邹玲,沥青混合料热物性参数研究[D].西安:长安大学,2011：27-55.

[5] 德尔蒙特(美).碳纤维和石墨纤维复合材料技术[M].北京:科学出版社，1987：22-59.

[6] 刘小明,吴少鹏,李宁.石墨对沥青混合料的性能影响研究[J].武汉理工大学学报,2010,(3)：545-549.

[7] 中华人民共和国行业标准委员会.JTG E-20 — 2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社.2011.

[8] 中华人民共和国行业标准委员会.JTG E42 — 2005 公路工程集料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2005.

[9] 中华人民共和国交通部.JTG_F40 — 2004 公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

Effect of Same Volume Substitution of Mineral Powder by Graphite on Asphalt Mixture Performance

WANGJun1ZHUANGDaxin2ZHUXiang2

(1. Jiangsu Guangjing Xicheng Expressway Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214191, China;2. Traffic Institute of Southeast China University, Nanjing 210096, China)

Take AC-20 as an example, dynamic stability, freeze-thaw splitting as well as low temperature bending tests were conducted in the case of no obvious change of its gradation to check the high and low temperature performance and water stability of asphalt mixture performance changes, when graphite replaced the same volume part of the mineral powder. Test results indicated that replacing same volume mineral powder with graphite could improve the high-temperature performance of asphalt mixture but reduce low temperature performance and water stability, so the suggested substitution proportion should be 20%～55%.

asphalt mixture; graphite; high-temperature stability; water-stability

2015-01-10

国家自然科学基金项目“改性沥青混凝土路面再生利用技术研究”(50878054)

王军(1976 — )，男，工程师，研究方向为路面结构计算及分析。

U414

A

1673-1980(2015)05-0111-04