路桥铺装用石墨烯复合改性环氧沥青及其混合料的性能研究
石墨烯复合改性环氧沥青是一种以环氧树脂、环氧固化剂、沥青为主体的复合改性沥青。它具有不透水性强、抗水损性好、高温抗车辙、低温抗开裂等路用性能,可广泛用于道桥面的铺装。然而,随着环境条件的变化和使用要求的提高,对铺装环氧沥青性能的要求也在不断增加。为了改善其性能,笔者尝试将石墨烯加入环氧沥青中,以期获得性能更为优异的道桥铺装用石墨烯复合改性环氧沥青及其混合料。
以石墨烯掺量分别为环氧树脂质量的0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%制备5组石墨烯复合改性环氧树脂。油石比采用6.7%,将石墨烯复合改性环氧沥青、集料及矿粉混入自动混合料搅拌机,在170 ℃下搅拌3 min制备石墨烯复合改性环氧沥青混合料。
一、石墨烯复合改性环氧沥青的性能
参考JTG/T 3364—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》中环氧结合料的技术标准(表1),测试石墨烯复合改性环氧沥青在23 ℃的拉伸强度、断裂伸长率及25 ℃的吸水率,结果如表2。
表1 环氧沥青结合料技术要求
表2 石墨烯复合改性环氧沥青的主要性能
从表1、表2可以看出,石墨烯掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时制得的石墨烯复合改性环氧沥青吸水率都能满足相关标准的要求;随着石墨烯掺量的增加,石墨烯复合改性环氧沥青的拉伸强度逐渐增大;随着石墨烯掺量的增加,石墨烯复合改性环氧沥青的断裂伸长率逐渐降低,当石墨烯掺量为0.4%时,石墨烯复合改性环氧沥青的断裂伸长率降至97%,略低于标准要求。因此石墨烯的掺量宜低于0.4%。
二、石墨烯复合改性环氧沥青混合料的性能
参考JTG E20—2011的试验方法,测试石墨烯复合改性环氧沥青混合料的高温稳定性、低温抗开裂性、马歇尔稳定度及疲劳性能,结果见表3。
由于环氧沥青热固性特点,石墨烯复合改性环氧沥青混合料形成最终强度后高温性能十分优异。未添加石墨烯的环氧沥青混合料60 ℃的动稳定度平均值为35 500次/mm,随着石墨烯掺量的增加,混合料60 ℃的动稳定度增大,石墨烯掺量为0.4%时混合料60 ℃的动稳定度提升了17%。由于石墨烯自身结构稳定、力学性能优异,当其均匀分散在环氧沥青混合料中时,能有效提升混合料的高温性能,即混合料动稳定度更大、高温车辙变形更小。
环氧沥青混合料的低温性能采用-10 ℃低温小梁试验测试。未添加石墨烯的环氧沥青混合料-10 ℃低温弯曲劲度模量在6 100 MPa左右,当石墨烯掺量在0~0.3%时,随着石墨烯掺量的增加,混合料的-10 ℃低温弯曲劲度模量逐步增大,石墨烯对混合料的低温性能有提升作用;当石墨烯掺量为0.4%时,混合料的-10 ℃低温弯曲劲度模量开始减小,因此适宜的石墨烯掺量能提升混合料的低温性能,建议石墨烯掺量低于0.4%。
此外,无论是否添加石墨烯,环氧沥青混合料都具有优异的马歇尔稳定度;当石墨烯掺量低于0.4%时,随着石墨烯掺量的增加,混合料的马歇尔稳定度明显增大。
疲劳寿命采用四点弯曲疲劳试验测试,试验温度为15 ℃、频率10 HZ、应变为600。5组石墨烯复合改性环氧沥青混合料的疲劳试验结果都达到了100万次无破坏,即石墨烯复合改性环氧沥青混合料的疲劳性能优异。
掺加石墨烯制得道桥铺装用石墨烯复合改性环氧沥青及其混合料,对比石墨烯掺量对两者性能的影响,得出如下结论:
1)在环氧沥青体系中掺加石墨烯制得的石墨烯复合改性环氧沥青的吸水率均满足相关标准要求;随着石墨烯掺量的增加,石墨烯复合改性环氧沥青的拉伸强度逐渐增大、断裂伸长率逐渐减小。建议石墨烯的掺量低于0.4%。
2)研究了石墨烯掺量对石墨烯复合改性环氧沥青混合料路用性能的影响,结果表明石墨烯的掺加能有效提高混合料的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、马歇尔稳定度及疲劳性能。
3)综合考虑石墨烯的成本及对石墨烯复合改性环氧沥青、石墨烯复合改性环氧沥青混合料性能的影响,建议石墨烯的最佳掺量为0.3%。0.3%的石墨烯能显著提升石墨烯复合改性环氧沥青混合料的路用性能,有着良好的应用前景及市场,也为环氧沥青的改性提供了新的思路及方向。
综合考虑石墨烯掺量及环境要求,通过研究发现,石墨烯复合改性环氧沥青在路用性能上表现出显著的优势。在石墨烯掺量低于0.4%时,其具有良好的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、马歇尔稳定度和疲劳性能。基于成本和性能的考量,研究结果建议石墨烯的最佳掺量为0.3%。这一石墨烯掺量既能有效提升石墨烯复合改性环氧沥青混合料的路用性能,又具有良好的应用前景和市场潜力,为环氧沥青的改性提供了新的思路和方向。