石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13_级配优化设计与路用性能研究

石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13级配优化设计
与路用性能研究
赵飞龙1，蔡乾东2，左强1，宋军兴1
（1. 甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，甘肃兰州730050；2. 陕西东道特种路面科技有限公司，陕西西安
712000）
摘要：在保证SUP-13级配特征的基础上，参照SMA设计VCA mix⩽VCA DRC骨架判定标准，对不同级配SUP-13石墨烯复合橡胶改性沥青混合料的路用性能进行研究，试验结果表明：连续密级配SUP-13混合料中胶粉存在干涉影响，碾压后出现轻微光面、油膜较多现象，抗车辙及抗滑性能存在明显不足；半间断SUP-13-B、SUP-13-C动稳定度分别提高27.94%、32.17%，抗剪强度分别提高20.18%、28.44%，构造深度分别提高10.42%、14.58%，摩擦系数分别提高11.15%、12.74%，且低温抗裂性及水稳定性略有降低；半间断SUP-13-B的综合路用性能指标相对均衡，兼顾了半间断SUP-13与石墨烯复合橡胶改性沥青组合优势，符合河西走廊西端沥青路面功能需求。

关键词：道路工程；石墨烯复合橡胶改性沥青；SUP-13；半间断级配；路用性能
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）03-0159-06
Study on Gradations Optimized Design and Road Performance of Graphene
Composite Rubber Modified Asphalt Mixture SUP-13
ZHAO Feilong1, CAI Qiandong2, ZUO Qiang1, SONG Junxing1
(1. Gansu Road and Bridge Third Highway Engineering Co., Ltd., Lanzhou Gansu 730050, China; 2. Shaanxi
Dongdao Special Pavement Technology Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 712000, China)
Abstract:based on ensuring the gradation characteristics of SUP-13, and referring to the SMA designed VCA mix⩽VCA DRC skeleton judgment standard, we studied the road performance of different gradation SUP-13 graphene composite rubber modified asphalt mixtures. The test results show that the rubber powder in the continuous dense gradation SUP-13 mixture imposed interference effects, showing slight smooth surface and more oil film after rolling; the anti-rutting and anti-slip performance were significantly insufficient; the dynamic stability of semi gap-graded SUP-13-B and SUP-13-C increased by 27.94% and 32.17%, the shear strength increased by 20.18% and 28.44%, the structural depth increased by 10.42% and 14.58%, the friction coefficient increased by 11.15% and 12.74% respectively, and the low-temperature crack resistance and water stability slightly decreased; the comprehensive road performance indicators of semi gap-graded SUP-13-B are relatively balanced, taking the advantages of the combination of semi gap-graded SUP-13 and graphene composite rubber modified asphalt into consideration, and meeting the functional requirements of asphalt pavement at the western end of the Hexi Corridor.
Key words: road engineering; graphene rubber composite modified asphalt; SUP-13; semi gap-graded; road performance
收稿日期：2023-04-20
作者简介：赵飞龙（1988.10-），男，甘肃榆中人，工程师，从事公路工程建设与管理工作.（）
160交通节能与环保第19卷
0引言
近年来，我国胶粉复合改性沥青工程应用越来越广泛。

石墨烯复合橡胶改性沥青是胶粉复合改性技术的最新尝试，主要由废胎胶粉、SBS改性剂、石墨烯及功能助剂按一定比例与基质沥青混合加工制成[1-2]；石墨烯是二维蜂窝状单晶纯碳材料（<10层），将其添加到复合改性体系中，能够较好地发挥石墨烯高强度、高韧性、超导热、高比表面积及其与沥青相似结构特征。

现有研究表明，石墨烯复合橡胶改性沥青的路用性能显著，全面提高了传统胶粉复合改性沥青高温抗变形、低温抗裂、抗老化及抗疲劳性能[3-4]。

通常，胶粉大多采用40目～60目斜交胎胶粉，掺量为15%～18%，胶粉主要以物理分散状态存在，以微粒或丝状随机分布于沥青连续相中，胶粉主要起到物理交联填充作用，产生物理共混改性，而非化学结构改性[5]。

在复合改性体系中，胶粉颗粒吸收沥青的轻质油分发生溶胀，溶胀后体积膨胀是原有1.5～3倍[6]，矿料级配若不能给胶粉提供足够的溶胀空间，碾压中容易出现回弹、不易压实现象[7]。

为适应胶粉复合改性沥青这一特性，矿料级配设计通常要考虑胶粉的填充作用，一般都不同程度地减少细集料用量，因此，间断级配、开级配混合料应用最为广泛[8]。

众所周知，传统AC类连续型密级配的矿料间隙率小，无法满足胶粉“溶胀”所需空间[9]，胶粉溶胀过程势必对矿料级配产生相应的干涉作用[10]，从而影响沥青混合料压实效果及路用性能。

本研究依托G312线七墩至瓜州公路工程建设项目，首次全线采用石墨烯复合橡胶改性沥青Superpave-13（以下简称“SUP-13”）上面层。

该项目位于河西走廊西端瓜州境内，属大陆性干旱气候，日照时间长、蒸发量大，夏季炎热、冬季寒冷，大风大温差环境特征显著。

石墨烯复合橡胶改性沥青由“湿法”工厂化生产，采用二次高速剪切及研磨工艺，使胶粉在这种新型复合改性体系中的细度及分散性得到大幅改善；但不可否认的是，胶粉仍以微小颗粒分布在SUP-13沥青混合料中，同样需要适宜的填充及溶胀空间。

为避免石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13施工过程出现不易压实、碾压后出现“假”泛油、光面现象，有效发挥SUP-13结构与石墨烯复合橡胶改性沥青组合优势，开展SUP-13不同级配优化设计与路用性能研究，对提升河西戈壁荒漠地区沥青路面路用性能与服务品质具有重要现实意义。

1原材料
1.1 石墨烯复合橡胶改性沥青
石墨烯复合橡胶改性沥青试验结果见表1。

石墨
烯复合橡胶改性沥青属于高分子材料的共混改性，在胶粉（40目掺量15%～18%）交联网络、SBS改性剂（2.5%～3.0%）物理交联网络及石墨烯（0.02%～0.05%）界面增强、分散、插层等共混作用下，形成的新型立体复合网络结构，使沥青改性效果及技术指标得到全面提高。

表1 石墨烯复合橡胶改性沥青试验结果
Tab.1 Test results of graphene composite rubber modified
asphalt
项目单位
技术
要求
试验
结果
试验方法针入度（25℃，5s，100g）0.1mm 40～80 59 T 0604 延度5℃，5cm/min cm ⩾20 32 T 0605 软化点TR&B ℃⩾75 88 T 0606
运动粘度175℃Pa.s ⩽3 2.15 T 0625
25℃弹性恢复% ⩾85 95 T 0662
TFOT后
残留物
质量变化% ⩽±0.6 −0.28 T 0610
针入度25℃% ⩾65 78 T 0604
延度5℃cm ⩾20 28 T 0605 1.2 集料
粗集料、细集料（机制砂）由瓜州柳园交通石业生产，集料具有足够强度和耐磨性，干燥、表面粗糙、无杂质；细集料采用石灰岩碎石轧制的机制砂。

集料试验结果见表2、表3。

表2 粗集料试验结果
Tab.2 Coarse aggregate test results
项目单位
技术
要求
试验
结果
试验方法
石料压碎值，不大于% 22 11.6 T 0316
洛杉矶磨耗试验% 28 7.8 T 0317 针片状颗粒含量，不大于% 11 6.8 T 0312 水洗法⩽0.075颗粒含量，不大于% 0.7 0.4 T 0310 软石含量，不大于% 3 1 T 0320 粗集料与沥青的粘附性，不小于—4级5级
T 0616/ T
0663
表3 细集料试验结果
Tab.3 Fine aggregate test results
项目单位技术要求试验结果试验方法表观相对密度—⩾2.50 2.889 T 0328 坚固性（＞0.3mm）% ⩽12 5 T 0340 亚甲蓝值g/kg ⩽2.5 0.8 T 0349
砂当量% ⩾60 77 T 0334
第3期赵飞龙等，石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13级配优化设计与路用性能研究161
1.3 填料
填料宜采用石灰岩碎石磨细的矿粉，矿粉干燥、清洁、无结团，技术指标见表4。

2不同级配设计
2.1 国内级配
近年来，我国有关胶粉复合改性沥青行业规范及各省市地方标准体系已实现多元化发展模式，提出了不同类型矿料级配范围，代表性级配如表5。

通过调研可知，我国不同地区在材料配方、生产工艺及矿料级配上存在一定的差异，但都考虑到了沥青混合料中胶粉溶胀及干涉影响。

从矿料级配类型来看，主要分为传统连续密级配（或改进型）、间断级配、半间断级配及开级配，间断级配、半间断级配在工程应用较为普遍，而传统连续型密级配应用相对较少，开级配仍处于积极探索阶段。

表4 矿粉试验结果
Tab.4 Mineral powder aggregate test results 指标单位技术要求试验结果试验方法
表观相对密度—实测值 2.698 T 0352 含水量% ⩽1 0.1 T 0103烘干法
外观—无团粒结块无团粒结块目测
亲水系数—＜1 0.72 T 0353
塑性指数—＜4 3.5 T 0354
加热安定性—实测记录无颜色变化T 0355
表5 胶粉复合改性沥青混合料矿料级配范围对照表
Tab.5 Comparison table of mineral aggregate gradation range of rubber powder composite modified asphalt mixture
序号省市级配
类型
结构代号
通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%
16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
1 JTG F40[11]间断SMA-13 100 90～
100 50～75 20～34 15～26 14～24 12～20 10～16 9～15 8～12
2 河北间断ARHM-1
3 100 95～
100 62～71 25～35 20～28 15～23 12～19 10～15 8～12 6～10
3 住建部[12]连续TRHMA-AC-13 100 90～
100 65～85 38～68 24～50 15～38 10～28 7～20 5～15 4～8
4 陕西[13]连续AR-AC-13 100 95～
100 65～80 35～45 23～30 15～24 12～20 8～15 6～10 4～6
5 河南[14]间断ARAC-13 100 80～
100 62～75 25～39 18～30 14～22 8～18 6～14 5～11 5～8 6 美国德州[15]间断级配100 72～85 50～70 30～45 17～27 12～22 8～20 6～15 —5～9
SUP-13[16]
控制点上限100 90 58 10 控制点下限90 28 2 禁区39.1
31.6～
25.6
23.1～
19.1
15.5
允许波动范围±5 ±4 ±2
美国得克萨斯州橡胶沥青以搅拌生产方式为主，胶粉在混合料中的干涉作用较大，2.36～4.75mm间断，9.5mm以上粗集料使用比例较大，级配整体较粗；陕西AR-AC-13在AC-13的基础上，减少了2.36～4.75mm集料用量，增加了粗集料比例，使级配变粗且呈现“S”形。

河南ARAC-13级配较粗，减少了2.36mm 以下细集料用量，增加了9.5mm以上粗集料用量。

目前，国内胶粉复合改性沥青也有直接采用SMA级配，河北ARHM-13间断级配与SMA级配较为接近，借鉴了SMA级配优势，增加了细集料含量，2.36mm处于连续状态；减少了粗集料用量且4.75mm出现了间
断，矿粉较SMA减少一半以上，而且不用添加木质纤维。

严格意义上讲，ARHM-13属于类似SMA-13的“半间断级配”，通过级配优化使胶粉复合改性沥青混合料的油石比大幅降低，综合路用性能显著，在国内广泛认可与推广应用。

2.2 设计思路
通常，传统SUP-13级配呈现出“S”曲线特征，属于骨架密实型连续密级配。

SMA间断级配设计时，以合成矿料的粗集料骨架间隙率VCA mix⩽粗集料骨架松装间隙率VCA DRC，作为判断是否形成骨架状态
162交通节能与环保第19卷
的依据；对于胶粉复合改性沥青混合料，胶粉颗粒溶胀及其高弹特性势必不同程度地干涉矿料主骨架结构[17]。

综上分析，在满足SUP-13级配特征的基础上，借鉴SMA-13与ARHM-13级配优势，按照半间断级配设计思路，适当减少2.36～4.75mm用量，使其在2.36～4.75mm筛孔形成间断；增加粗集料用量，使9.5mm以上介于连续级配与间断级配之间，并采用VCA mix⩽VCA DRC进行骨架判定，使优化后的SUP-13合成矿料级配处于半间断骨架嵌挤状态。

按此设计思路，矿粉用量均为4%，经筛选确定的不同合成级配见图1。

图1 不同级配SUP-13合成矿料级配
Fig.1 Different Gradation of SUP-13 Synthetic Mineral
Aggregate
我们知道，SMA-13合成级配在2.36～4.75mm同时出现间断，而SUP-13若想让2.36～4.75mm同时实现间断非常困难，这主要受限于2.36mm控制点的通过率下限不小于28%，2.36mm筛孔无法出现间断。

因此，既要保障传统SUP-13级配特征，同时又要达到半间断的级配设计初衷，4.75mm筛孔通过率实现间断至关重要。

初拟的三种半间断级配中，SUP-13-A的4.75mm 通过率间断状态不是很明显，9.5mm以上粗集料较少，合成级配最细；半间断SUP-13-B、SUP-13-C级配曲线比较接近，二者均减少了2.36～4.75mm集料用量，2.36mm以下通过率处在ARHM-13中值附近，4.75mm筛孔通过率出现了间断状态，增加了9.5mm 以上粗集料用量，使其在SMA-13与ARHM-13之间，而SUP-13-C级配稍粗。

2.3 物理-力学指标
选定目标空隙率4%，试件成型温度160℃～165℃，采用旋转压实成型（N初始 = 8次，N设计 = 100次，N 最大 = 160次）和马歇尔击实（双面各75次）制作石墨烯复合橡胶改性沥青混合料试件，最终确定的不同级配最佳油石比、物理-力学指标试验结果见表6。

不同级配中，半间断SUP-13-C的空隙率、矿料间隙率最大，而连续密级配SUP-13最小。

表6 不同级配沥青混合料物理-力学指标
Tab.6 Physical and mechanical indicators of different gradation asphalt mixtures
类型油石
比/%
理论最大相
对密度
旋转成型马歇尔物理-力学指标
毛体积相对
密度
空隙率
/%
毛体积相
对密度
空隙率
/%
矿料间隙
率/%
饱和度
/%
稳定度
/kN
流值
/mm
连续密级配SUP-13 5.2 2.714 2.627 3.2 2.609 4.1 14.8 72.5 15.5 4.8 半间断SUP-13-A 5.1 2.715 2.626 3.3 2.602 4.2 14.9 71.4 17.3 5.1 半间断SUP-13-B 5.1 2.717 2.620 3.6 2.591 4.6 15.1 69.2 18.5 5.4 半间断SUP-13-C 5.1 2.717 2.617 3.7 2.590 4.7 15.4 69.5 17.8 5.3 技术要求——— 4 —3～5 ⩾14.0 65～75 ⩾12 2～5
2.4 半间断级配检验
我国SMA-13粗集料骨架分界筛孔为4.75mm，拟定的三种半间断SUP-13也以4.75mm作为分界筛孔，在干捣实状态下测定不同级配粗集料骨架松方毛体积相对密度γγs，计算不同级配粗集料骨架混合料的平均毛体积相对密度γγcA，不同级配的粗集料骨架状态判断结果见表7。

表7 不同级配SUP-13骨架状态检验
Tab.7 Inspection of skeleton status for different gradation of
SUP-13
级配
类型γγs 4.75mm通过率/%
γγcA VCA DRC/% VCA mix/% VCA mix⩽V CA DRC
半间断
SUP-13-A
1.651 41.2
2.889 42.85 44.75 否
半间断
SUP-13-B
1.682 36.5
2.889 41.78 41.52 是
半间断
SUP-13-C
1.684 34.6
2.889 41.71 40.18 是
第3期赵飞龙等，石墨烯复合橡胶改性沥青SUP-13级配优化设计与路用性能研究163
由表7可知，SUP-13-A合成矿料VCA min＞VCA DRC，不满足间断级配骨架判定标准；SUP-13-B、SUP-13-C合成矿料VCA min＜VCA DRC，符合间断级配骨架判定要求。

但是，与间断级配SMA相比，达到设计初衷的半间断级配VCA min与VCA DRC的数值相差甚小，SUP-13-B的VCA min比VCA DRC仅小0.26%，SUP-13-C的VCA min比VCA DRC小1.53%，说明在满足SUP-13级配要求下，半间断SUP-13矿料级配受其控制点、限制区的影响比较明显。

3路用性能
3.1 高温性能
高温性能采用动稳定度、抗剪强度指标进行评价。

动稳定度车辙试验条件60℃±0.5℃、0.7±0.05MPa。

相关研究表明，沥青混合料抗车辙性能与抗剪性能密切相关，抗剪强度是评价抗车辙性能的重要指标之一[18]。

采用单轴贯入试验方法，制作ΦΦ150mm × 120mm旋转试件，通过取芯机、切割机制备ΦΦ100mm × 100mm圆柱体，ΦΦ28.5mm钢制压头，试件在60℃±0.5℃条件下恒温5h，利用万能试验机测定不同级配的单轴贯入强度，抗剪强度为单轴贯入强度与剪应力系数（取值0.339）乘积。

不同级配的动稳定度、抗剪切强度试验结果见图2、图3。

图2 不同级配沥青混合料动稳定度试验结果Fig.2 Dynamic stability test results of different gradation
asphalt mixtures
图3 不同级配沥青混合料抗剪强度试验结果
Fig.3 Shear strength test results of different gradation asphalt
mixtures
由图2、图3可知，不同级配的动稳定度、抗剪强度变化趋势一致，依次排序为：半间断SUP-13-C＞半间断SUP-13-B＞连续密级配SUP-13。

与传统连续密级配SUP-13相比，半间断SUP-13-B、SUP-13-C的动稳定度分别提高了27.94%、32.17%，抗剪强度提高了20.18%、28.44%。

究其原因，由于连续密级配SUP-13级配偏细，粗集料的骨架嵌挤状态较差，细集料多及胶粉溶胀干涉作用大，直接影响到矿料骨架结构的承载能力。

半间断SUP-13粗集料形成了良好的骨架嵌挤状态，矿料主骨架的稳定性好，抗剪切变形能力强，因此抗车辙性能得到大幅改善。

3.2 低温性能
小梁低温弯曲试验的最大破坏应变越大，表明低温抗裂性能越好。

利用车辙板切割250mm ×30mm × 35mm小梁试件，试验温度−10℃，加载速率为50mm/min，不同级配沥青混合料的低温弯曲试验结果如图4所示。

与传统连续密级配SUP-13相比，半间断SUP-13-B、SUP-13-C的破坏应变分别降低了2.80%、4.04%，这与连续密级配SUP-13整体偏细，细集料多、油石比略大有关，低温抗裂性能略显优势。

图4 不同级配沥青混合料低温弯曲试验结果Fig.4 Low temperature bending test results of different
gradation asphalt mixtures
3.3 水稳定性
不同级配水稳定性试验结果如图5所示，依次排序为：连续密级配SUP-13＞半间断SUP-13-B＞半间断SUP-13-C；可以看出，矿料级配越细、水稳定性越好，这与连续密级配细集料及沥青胶浆多有直接关系。

164交通节能与环保第19卷
图5 不同级配沥青混合料水稳定性试验结果
Fig.5 Water stability test results of different gradation asphalt
mixtures
3.4 抗滑性能
不同级配石墨烯复合橡胶改性沥青路面的构造深度、摩擦系数检测结果如图6所示。

可以看出，连续密级配SUP-13的抗滑性最差，半间断SUP-13-B、SUP-13-C的构造深度分别提高10.42%、14.58%，摩擦系数分别提高11.15%、12.74%，半间断级配对沥青路面的抗滑性能改善明显。

图6 不同级配沥青混合料抗滑性试验结果
Fig.6 Slip resistance test results of different gradation asphalt
mixtures
现场试验路观测时，连续密级配SUP-13在胶轮压路机复压后，表面出现轻微光面、油膜较多及迁移现象；这与抗滑性检测结论相吻合，说明胶粉微粒在连续密级配混合料中出现了干涉作用，连续密级配不利于路面抗滑性能；反观半间断级配SUP-13的抗滑性能得到了有效的改善。

3.5 综合评估
综上分析，不同级配路用性能综合评估如图7所示。

可以看出，连续密级配SUP-13在高温抗变形、抗滑性能上存在明显不足；半间断SUP-13-C在高温性能、抗滑性能上优势明显；半间断SUP-13-B的综合路用性能处于二者之间，不仅兼顾了Superpave级配与石墨烯复合橡胶改性沥青的组合优势，而且综合路用性能指标相对均衡，该级配符合河西走廊西端戈壁荒漠地区沥青路面的实际功能需求。

图7 不同级配沥青混合料综合路用性能对比Fig.7 Comparison of comprehensive road performance of
different gradation asphalt Mixtures
4结论
（1）基于SUP-13级配特征与VCA mix⩽VCA DRC 骨架判定标准，SUP-13的2.36mm筛孔受控制点的限制无法出现间断，4.75mm筛孔实现间断至关重要，9.5mm以上通过率宜介于SMA-13与ARHM-13之间，半间断SUP-13-B、SUP-13-C达到了半间断级配设计初衷。

（2）不同级配SUP-13石墨烯复合橡胶改性沥青混合料路用性能对比可知，传统连续密级配SUP-13在高温抗变形、抗滑性能上存在明显不足，胶粉微粒溶胀出现了干涉作用，导致胶轮压路机复压后表面出现轻微光面、油膜较多及迁移现象；半间断级配SUP-13在高温性能、抗滑性能上优势明显；总体上看，半间断SUP-13-B的综合路用性能指标相对均衡，较好地兼顾了半间断级配SUP-13与石墨烯复合橡胶改性沥青的组合优势。

（3）石墨烯复合橡胶改性沥青采用二次高速剪切及研磨工艺技术，虽然能够使胶粉的细度及分散性得到大幅改善，但胶粉微粒的填充及溶胀作用仍不可忽视；半间断级配优化设计思路为其在骨架嵌挤密级配中应用提供了参考，今后有待于进一步开展胶粉微粒对矿料级配骨架干涉影响研究。

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（下转第175页）
第3期姜雪亮，南方地区改性乳化沥青粘层油技术指标研究175
明显减小，建议将软化点指标调整为大于或等于55℃。

（2）改性乳化沥青5℃延度与低温拉拔强度呈正相关，当延度在30cm左右，低温拉拔强度有较为明显提高，建议将5℃延度指标调整为大于或等于30cm。

（3）改性乳化沥青25℃弹性恢复率与车辙原板、轮碾板的25℃拉拔强度呈强正相关，轮碾板使拉拔强度下降，且弹性恢复率大于或等于50%时下降幅度较小，建议新增设计指标，弹性恢复率大于或等于50%。

（4）改性乳化沥青60℃动力粘度与25℃、60℃时剪切强度呈强正相关，剪切强度随环境温度升高而降低，动力粘度大于或等于500Pa⋅s时，剪切强度下降幅度较小，建议新增设计指标，60℃动力粘度大于或等于500Pa⋅s。

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