据交通运输部统计,截止到2020年末,全国公路总里程已经达到519.81万km。目前,公路主要采用的沥青路面,在车辆碾压、冻融、暴晒等作用下,造成不同形式的损害,研究更优质环保的公路建设和公路养护方式成为亟待解决的问题。

石墨烯作为一种优异的纳米材料,可以极大提高沥青的高温性能、低温性能和导电性能等。诸多学者研究了石墨烯改性沥青,蒋文韬等^[1]对石墨烯-SBS改性沥青进行了温度扫描、多重应力蠕变恢复和弯曲梁流变仪实验,指出石墨烯的掺入提高了SBS改性沥青弹性及稳定性。望远福等^[2]研究出较优的PVP修饰石墨烯配合比,提高了SBS改性沥青在高温作用下变形能力和抗水损害能力。谢忠安等^[3] 利用荧光显微镜发现石墨烯可以与SBS小分子相互缠结,使结构更加稳定,从而改善沥青性能。刘志航等^[4]通过红外光谱仪扫描研究石墨烯-SBS改性沥青老化前后变化,指出石墨烯掺量越高,石墨烯-SBS改性沥青抗老化性能越好。谭忆秋等^[5]研究发现碳纤维/石墨烯导电沥青混合料有较明显的非线性导电性为。黄维蓉^[6]等指出墨烯-碳纤维沥青混凝土的导电性能、抗变形能力以及水稳定性相比传统沥青混凝土都得到提升。王世成等^[7]通过不同石墨烯掺量的复合改性沥青的抗油蚀试实验研究,获得石墨烯显著提高了沥青抗油蚀性能。王树杰^[8]对比分析石墨烯复合橡胶改性沥青与SBS改性沥青的运动黏度、针入度和延度等指标,指出石墨烯复合橡胶改性沥青性能更优异。 笔者通过单轴压缩实验,研究竖向应变和石墨烯掺量对石墨烯-SBS改性沥青混合料电阻率的影响,为导电沥青混凝土路面自监测和智能路面设计提供理论依据。

沥青为辽河石化90号基质沥青; SBS改性剂为燕山石化SBS线性改性剂; 石墨烯,电导率为10⁵ S/m、片层平均层数1～3层、堆积密度0.016 g/mL、含水量0.86%、片层直径约5.29 μm。

在基质沥青中加入5%SBS改性剂混合均匀,分别添加0、0.4%、0.5%、0.6%的石墨烯在170 ℃条件下剪切,得到混合均匀的石墨烯-SBS改性沥青。导电沥青一般用于中面层,矿料采用中粒式AC-16级配类型,油石比4.8%,试件尺寸为直径100 mm,高100 mm的圆柱体。根据《公路沥青路面施工技术规范》(f40—2004)确定实验用沥青混合料级配设计,如表1所示,其中,列筛孔直径为φ,质量百分率为w。

表1 沥青混合料混合料矿料级配范围
Table 1 Table of grading range of asphalt concrete mixture

采用外贴式二电极法^[9]测量试件电阻,外贴式二电极法是将电极贴在试件上下表面,用万用表连接两个电极,然后对电阻值进行读取。石墨烯改性沥青混合料的外表面是粗糙的,并且存在孔隙。为了减小实验测试的电阻与试件真实电阻之间的误差,在测试电阻时,使用石墨布电极与外电线胶粘,制备电极,试件上下表面涂导电胶填充孔隙后贴铜导线和石墨布^[10],固化后连接万用表测试试件两端电阻。试件安装完毕后,放在WE-1000B型数显万能材料实验机中以0.012 5 mm/s的速率进行单轴压缩实验,在加载过程中,每秒记录万用表中电阻数据,并密切关注试件形态变化。之后,利用已经产生裂缝的试件,将其分别放置在额定功率为800 W的微波炉中加热2 min,放置在室温条件下静置24 h以上,再进行单轴压缩实验并记录电阻数据。

根据《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JTG E20—2011),对不同石墨烯掺量的沥青进行沥青针入度实验如图1所示,沥青软化点实验(环球法)。沥青变化过程如图2所示。实验结果如表2所示。其中,25 ℃、0.1 mm的针入度为P。

从表2可知,延度随石墨烯掺量的增加而降低,针入度及软化点随石墨烯掺量的增加出现不同程度的提高,针入度在石墨烯掺量为0.5%时,提高了2.47%,软化点提高了19.72%,石墨烯显著提高了沥青的高温性能。

图1 沥青针入度实验
Fig.1 Asphalt penetration degree test

图2 沥青变化过程
Fig.2 Asphalt change process

表2 石墨烯-SBS改性沥青物理指标
Table 2 Physical indicators of graphene-SBS modified asphalt

为了更直观地了解石墨烯导电沥青混合料单轴压缩对电阻率的影响,如图3所示。

由图3可见,在掺入石墨烯且试件表面及内部无裂缝的情况下,平均电阻率为4.395 Ω·m,具有良好的导电性。实验结果分为三个阶段:第一阶段,随着荷载增加,竖向位移增大,试件被压密,电阻率略有下降; 第二阶段,裂缝开展阶段,荷载进一步增加,竖向位移继续增大,试件出现微裂缝,电阻率出现波动; 第三阶段,裂缝增大到一定程度,电阻率快速上升阶段,试件开裂破坏,竖向位移迅速增大,电阻率也迅速上升,而且增速变快。电阻率的波动是由于在压缩试件过程中,随着竖向位移的增大,沥青混合料内部产生微小的裂缝; 最后试件破坏时,伴随着裂缝迅速开展,电阻率急剧上升。为推进沥青路面智能化发展,利用导电沥青自愈合性能,实现路面裂缝早发现早修复,又进行了沥青混合料自愈合后电阻变化实验。

图3 电阻率随竖向应变变化曲线
Fig.3 Resistivity curve with vertical strain

微裂缝沥青混合料自愈合后石墨烯-SBS改性沥青混合料单轴压缩对电阻率影响趋势如图4所示。不同石墨烯掺量试件电阻率对比曲线如图5所示。

图4 愈合后电阻率随竖向应变变化曲线
Fig.4 Resistivity change curve with vertical strain after healing

从图4可以看出,自愈合后导电沥青随竖向位移的增大电阻率变化趋势没有变化,仍可分为三个阶段。从图5可以看出,愈合后试件电阻率略有上升,石墨烯掺量越高,改性沥青流动性越好,愈合前后电阻率变化越相近。

图5 不同石墨烯掺量试件电阻率对比曲线
Fig.5 Resistivity contrast curve of differentgraphenecontent specimens

导电沥青在自愈合后电阻率仍随竖向位移即裂缝开展的增大而增大,故在实际工程中,可以在监测到电阻率变化之后,直接对导电沥青进行加热,加速导电沥青混合料自愈合速度,并且对后续监测无明显影响。大裂缝试件电阻率在加载过程中电阻率一直较大,超出万用表量程,故在裂缝已经较大的情况下,并不能以电阻率来判断路面损坏程度。

自愈合前后电阻率随竖向位移即裂缝开展变化,可以得出对于不同程度损伤即不同宽度的裂缝,石墨烯-SBS改性沥青混合料的自愈合效率明显不同,并随着损伤即裂缝宽度的增大而减弱,但随着竖向位移即裂缝开展,电阻率明显增大。

(1)实验表明,石墨烯改性沥青混合料自愈合后,电阻率变化情况与产生裂缝前规律相同,压密阶段、波动阶段以及破坏阶段。仅电阻率整体偏大,压密阶段平均电阻率由3.56 Ω·m增加到3.64 Ω·m,波动阶段由3.91 Ω·m增加到3.95 Ω·m,破坏阶段由11.21 Ω·m增加到11.57 Ω·m。

(2)导电沥青自愈合对前期微裂缝修复有很好的效果,可以通过监测电阻变化,尽早发现裂纹并修复,在检测裂缝过程中,电阻率开始波动时对裂缝进行处理,可以防止裂缝进一步扩展。