SMA-13石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究_曹青霞.pdf

公路 年月第期 基金项目：甘肃省科技计划重点研发项目，项目编号 ；甘肃省中小企业创新基金项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究曹青霞，王云，（甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司兰州市 ；甘肃省公路养护技术创新中心兰州市 ）摘要：为研究纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量对 型石墨烯复合橡胶改性沥青（）混合料路用性能的影响规律，选取单轴贯入强度、流变次数、半圆弯曲试验断裂能及冻融劈裂强度比为性能评价指标，利用正交试验，通过极差分析法和方差分析方法，开展 混合料性能优化研究。结果表明：混合料配合比设计选择颗粒状木质纤维，纤维掺量为 ，油石比为 ，矿粉掺量时，其各项性能指标达到最优，通过甘肃某一级公路试验段验证，该性能优化设计能满足路用性能要求；对比 和 的断裂能对各因素的影响，发现低温开裂对于矿粉掺量更敏感，疲劳开裂对于油石比的变化更敏感。关键词：石墨烯复合橡胶改性沥青；正交试验；单轴贯入强度；半圆弯曲试验；流变次数试验；性能优化概述 沥青混合料具有优良的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性能、抗滑性能等，得到了广泛的应用。等选择沥青混合料的类型、温度、加载频率和轴重为影响因素，设置（）正交试验法，分别采用方差分析法和极差分析法，将各因素对沥青混合料抗车辙性能的影响进行了分析和排序。等开发了由粗、细级配设计、混合料体积设计组成的橡胶沥青混合料设计理论模型，采用正交试验设计方法，研究了空隙率（）、矿料空隙率（）和 曲线指数对混合料车辙性能的影响，并根据境内外的试验结果和经验，提出了 设计参数优化组合和性能要求。辛春福通过正交试验方法，以级配类型、油石比、纤维掺量为研究对象，选取流动性、动稳定度、抗剪强度及低温弯拉应变作为 沥青混合料性能评价指标，对其路用性能开展了配合比优化研究，得出较优的配合比设计方案。武立超采用 （）试验方案，以 、通过率及油石比为研究对象，以空隙率为评价指标，采用橡胶沥青 沥青混合料的配合比设计优化级配及油石比。沥青混合料是采用石墨烯复合橡胶改性沥青和传统沥青玛蹄脂碎石混合料级配拌制而形成的一种新型沥青混凝土材料，其纤维类型、纤维掺量、矿粉掺量及油石比均会对混合料配合比设计产生不同影响。本文以纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉 掺 量 为研 究 影 响因素，选取单轴贯入试验、试验、半圆弯曲试验、裂缝扩展性能试验（半圆弯曲法）、冻融劈裂强度试验进行 沥青混合料的路用性能综合评价，采用方差分析和极差分析的方法，得出较优的混合料性能优化方案。原材料及试验方案 原材料 为成品改性沥青，其基本性能指标见表。试验用种矿粉掺量对应的 型沥青混合料的级配见表。正交试验方案选择纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量作为 混合料配合比设计的影响因素。纤维类型选择的种纤维代号分别为、，其中为表 性能检测结果测试项目测试结果 针入度 针入度指数 黏度（）延度 软化点 弹性恢复 储存稳定性，离析 质量变化 残留针入度比 残留延度 组合纤维，是一种新型的高强度无机超细纤维复合材料，属于矿物纤维，技术指标见表，为絮状木质素纤维，技术指标见表，为德国 的粒状木质纤维，技术指标见表。纤维掺量查阅文献并结合当地 沥青混合料的配合比设计经验，常规 纤维掺量为 ，。由于 本身黏度较 改性沥青大，对于纤维的掺量相对较低，因此，选择个水平的纤维掺量分别为、。表种矿粉掺量对应 沥青混合料级配筛孔尺寸 通过百分率 表 组合纤维性能指标测试指标平均长度吸油率 值含水率堆积体积（）海泡石含量技术要求 测试结果 表絮状木质素纤维性能指标测试指标平均长度吸油率 值灰分含水率堆积体积（）技术要求 测试结果 表颗粒状木质素纤维性能指标测试指标纤维素含量沥青含量平均长度平均直径堆积体积（）技术要求 左右 左右 测试结果 油石比调研不同省份 改性沥青混合料的油石比，其在 之间。因此，选择 混合料的油石比变化水平为 、。矿粉掺量通过调研不同省份 改性沥青混合料的矿粉掺量，其在 之间。结合室内试验发现，混合料所用矿粉小于 改性沥青。因此，研究选择 混合料的矿粉变化水平为、。采用（）正交试验，以纤维类型、纤维掺量、油石比、矿粉掺量为研究影响因素，因素水平表见表。共设计组试验，每组试验分别进行单轴贯入试验、试验、低温半圆弯曲试验（）、裂缝扩展性能试验（半圆弯曲法）及冻融劈裂试验。表正交试验因素水平水平因素：纤维类型：纤维掺量：油石比：矿粉掺量 结果与讨论根据表设置的（）正交试验，进行单轴贯入试验、试 验、低 温 半 圆 弯 曲 试 验 公路 年第期 年第期曹青霞王云：石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究（）、裂缝扩展性能试验（半圆弯曲法）及冻融劈裂试验。评价 沥青混合料的高温性能、低温性能、常温抗疲劳开裂性能和抗水损害性能，试验结果见表。表正交试验表结果试验次数试验因素正交试验结果 抗剪强度 流变次数次 断裂能 断裂能 冻融劈裂强度比 极差分析法采用极差分析法对试验结果进行分析，极差反映因素水平变化对指标影响范围的大小，极差越大，说明在该因素下所选的水平数对指标的影响越大。因此，极差最大的一列的因素，就是对指标影响最大的因素，也就是最主要因素。单轴贯入强度根据 公路沥青路面设计规范（）进行单轴贯入试验，采用旋转压实法成型 圆柱体试件，压头为 圆 柱 体，贯 入 系 数 取 ，加 载 频 率 为 ，试验温度。该方法评价 沥青混合料的高温下的抗剪性能。单轴贯入强度主要影响因素分析见图。图单轴贯入强度的主要影响因素分析由图可知，在考虑的温度范围内，各因素对单轴贯入强度的影响程度为：油石比纤维掺量纤维类型矿粉掺量。纤维类型对 混合料单轴贯入强度的影响为：；纤维掺量对单轴贯入强度影响随掺量增加而增加；在给定范围油石比中，油石比增大，单轴贯入强度先增大后减小；矿粉掺量对其作用并不显著，掺量最优。因此，对于单轴贯入强度的最优水平为：，即因素（纤维类型）选择水平和水平，因素（纤维掺量）选择水平和水平，因素选择水平，因素选择水平和水平。试验 试验，是指定温度下，每加载 脉宽的半正弦轴向荷载，测量由此而导致的永久轴向应变，它是时间的函数，经数值微分后计算出流变次数。试验设置温度，加载方式为半正弦波，荷载频率，加载时间 ，荷载间歇时间 ，无围压，加载应力 。该方法用于评价沥青混合料的高温抗变形能力，流变次数的极差分析见图。图流变次数的主要影响因素分析由图可知，在考虑温度范围内，各因素对流变次数的影响程度为：纤维掺量纤维类型油石比矿粉掺量。纤维类型对于 混合料流变次数的影响为：；纤维掺量越高，流变次数越大；在给定油石比范围内，油石比增大，流变次数表现为先增大后急剧减少；矿粉掺量越大，流变次数越大。因此，对于流变次数的最优水平为：，。低温半圆弯曲试验（）参照 用半圆弯曲试验确定沥青混合料的断裂能，进行 混合料半圆弯曲试验，评价沥青混合料的低温抗裂性能。研究采用试验温度，试件尺寸（），中间切口尺寸 ，加载速率 。采用断裂能作为其评价指标，断裂能越大，沥青混合料的低温抗裂性能越高。低温断裂能主要影响因素分析见图。图 断裂能的主要影响因素分析由图可知，各因素对低温断裂能的影响程度为：矿粉掺量油石比纤维类型纤维掺量。纤维类型对 混合料在 断裂能的影响：；纤维掺量对 断裂能影响为先增大后减小，最优；在给定范围油石比中，油石比增大，断裂能增大；矿粉掺量对其影响为先增大后减小，最优。因此，对于沥青混合料低温抗裂性能的最优水平为：，。裂缝扩展性能试验（半圆弯曲法）沥青混合料裂缝扩展性能试验 用于评价沥青混合料的沥青混合料产生疲劳开裂后裂纹在行车荷载下进一步扩展的性能。研究采用试验温度为，试件尺寸（），中间切口尺寸 ，加载速率 ，直至荷载下 降 到 以 下。试 件 空 隙 率 为 。采用断裂能作为其评价指标，断裂能越大，沥青混合料的抗疲劳开裂性能越好。断裂能主要影响因素分析见图。由图可知，个因素对 断裂能的影响排图 断裂能的主要影响因素分析序为：油石比纤维掺量纤维类型矿粉掺量。纤维类型对 混合料 断裂能的影响为：；随纤维掺量增大，混合料 断裂能增加，纤维掺量从 增加至 时效果不明显，考虑材料成本，选择纤维掺量为 ；在给定范围油石比中，油石比增大，断裂能表现为先增大后减小，油石比最优；矿粉掺量对其影响不明显。因此，对于沥青混合料抗疲劳开裂性能的最优水平为：，。冻融劈裂试验根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）冻融劈裂试验，进行 混合料水稳定性能评价。冻融劈裂强度比主要影响因素分析见图。图冻融劈裂强度比的主要影响因素分析由图可知，个因素对冻融劈裂强度比的影响排序为：纤维类型油石比矿粉掺量纤维掺量。各因素对 混合料冻融劈裂强度的影响为：（）纤维类型 ；（）在考虑的纤维掺量范围内，冻融劈裂强度比随纤维掺量的增大而增大，其中纤维掺量从 ，增加 ，而纤维掺量从 ，增加 ，从经济和性能综合出发，选择最优纤维掺量为 ；（）油石比对 的影响为先增大后减小，最优油石比为 ；（）矿粉掺量对 的影响为随矿 公路 年第期 年第期曹青霞王云：石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究粉掺 量 的 增 大 而 减 小，其 中 纤 维 掺 量 从 变 为 ，降低 ，而纤维掺量从 变为 ，降低 ，这是由于矿粉掺量增大，沥青玛蹄脂过于干涩，导致混合料可压实性降低，空隙率增大，降低。因此，矿粉掺量选择和对 影响不大。因此，对于沥青混合料抗水损害性能的最优水平为：，。综合单轴贯入强度、断裂能、断裂能、试验结果，基于极差分析法，最终优选的 混合料最优水平为，即选择粒状木质纤维，纤维掺量为 ，油石比为 ，矿粉掺量。方差分析法直观分析法虽然直观、明了，但是不能清楚地反映试验结果的变化是由因素水平变化还是试验误差引起，不能估计试验误差的大小 。因此，进行试验结果的方差分析是很有必要。通过正交试验方差分析计算不同因素对 沥青混合料性能评价指标影响的显著性，方差分析结果值见图。各因素显著性评价结果见表。图沥青混合料显著性分析表基于方差分析的因素显著性评价指标显著性纤维类型纤维掺量油石比矿粉掺量剪切强度流变次数 断裂能 断裂能冻融劈裂强度比注：（）（，）；（）（，），（，），该因素高度显著，以表示；（）（，）（，），该因素显著，以表示；（）（，），该因素不显著。由图和表可知，在变量设定范围内，各因素对各评价指标之间的显著性分析为：（）对于单轴贯入强度，纤维掺量、油石比对其影响高度显著，而纤维类型影响显著，矿粉掺量不显著；（）对于流变次数，纤维掺量对其影响显著，纤维类型、油石比、矿粉掺量均不显著；（）对于低温半圆弯曲试验断裂能，矿粉掺量对其影响高度显著，油石比影响显著，纤维类型和纤维掺量影响不显著；（）对于裂缝扩展性能半圆弯曲试验的 试验断裂能，油石比对其影响显著，纤维类型、纤维掺量、矿粉掺量对其结果影响均不显著；（）对于冻融劈裂强度比，纤维类型对其结果影响显著，纤维掺量、油石比、矿粉掺量对其影响均不显著。工程应用为了验证室内性能优化 混合料的路用性能，选择甘肃省河西地区某一级公路进行试验段铺筑，铺筑 ，长度 ，现场取样混合料性能测试见表。同时，对路面性能进行了年多的跟踪检测，检测结果见表。表 混合料性能检测结果测试项目析漏飞散率残留稳定度 动稳定度（次）破坏应变测试结果 技术要求 由表可知，采用室内优化后的 混合料各项性能均能满足规范要求，且具有优异的高温稳定性和水稳定性。由表 可知，经过一个冻融循环后，劈裂强度和压实度变化不大，构造深度和平整度结果变化明显，究其原因主要是由于河西沙尘天气，部分沙尘堵塞了路面间隙，导致构造深度降低。通车年表 混合料试验段路面使用性能检测结果测试项目测试日期（年 月）劈裂强度 压实度 直尺最大间隙 构造深度 渗水系数（）后，各项指标保持良好。结语（）混合料配合比设计选择粒状木质纤维，纤维掺量为 ，油石比为 ，矿粉掺量时，其各项性能指标达到最优。（）对于高温性能研究，纤维掺量、油石比对单轴贯入强度影响高度显著，而纤维类型影响显著，矿粉掺量不显著；纤维掺量对 影响