一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法与流程

本发明涉及再生路面材料研发，具体公开了一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法。

背景技术：

1、

2、传统的沥青路面大修方法，是先将出现病害的路面结构翻挖外运，再铺筑新材料。实践表明，传统养护方法施工周期长、工程造价高、对交通影响大；同时每年会产生超500万吨路面废料，堆积占地、污染环境，且铺筑新路需开采新集料和沥青，消耗资源。因此，传统养护方法不利于环境和资源保护，不符合我国可持续发展和建设节约型社会的战略。

3、为解决传统道路养护的缺点，以低碳养护科学管理为理念，低投入、低消耗、高效率、高质量、节能降耗的道路养护新路子——泡沫沥青冷再生技术已在国内外开展研究和应用。泡沫沥青冷再生技术是将旧路面材料经铣刨、回收、破碎和筛分，再与适量新集料、水、水泥、泡沫沥青等一同拌和，重新形成能够满足设计要求的冷再生混合料，经摊铺、压实，形成具有一定承载能力的路面面层或基层的再生方法。

4、目前，泡沫沥青冷再生技术多应用在中轻交通等级道路基层，但随着该技术发展，冷再生层应用范围逐渐由道路基层向下面层变化，对冷再生混合料的抗剪切和抗水损性能要求提高。此外，随着全球气候变暖，交通量持续增加，重载车辆增多，在外界不利因素作用下，泡沫沥青冷再生路面易因混合料高温抗剪切和抗水损性能不足发生车辙和水损等病害。

5、泡沫沥青冷再生混合料强度主要由集料嵌挤力和胶结料(“点焊”式沥青胶浆和水泥胶浆)粘聚力组成，根据工程实践和研究表明，再生料破坏路径主要沿胶结料破坏，因此为提高泡沫沥青冷再生混合料性能，改善胶结料性能是关键手段。

6、石墨烯是一种新型的碳基纳米材料，具有出色的反应特性、大比表面积和丰富的表面极性含氧基团，近年来逐渐在各领域应用。在改善沥青方面，石墨烯能够与沥青发生物理化学反应，形成致密的层状结构，可有效防止沥青中轻组分的挥发，防止部分氧气和水分的侵入；同时石墨烯可提高沥青表面自由能，提高沥青与集料粘附性，提高混合料的密实性和水稳定性。在改善水泥胶浆方面，石墨烯因其自身特性可直接影响水泥水化过程，细化水化产物，使片层状水化产物生长有序，结构致密，可有效阻止裂缝和孔洞的发生，从而提高水泥胶浆强度。

7、根据现有研究表明，石墨烯因其独特构造，可同时改善沥青胶浆和水泥胶浆性能，理论上是一种改善泡沫沥青冷再生混合料胶浆性能的优质改性剂。但目前国内外的相关研究和应用尚未开展，利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法工艺尚属空白。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法

2、本发明的技术方案如下：

3、一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，包括以下步骤：

4、1)一部分粉末状石墨烯加入沥青后发泡；

5、2)另一部分粉状石墨烯加入混合料拌合水中；

6、3)将通过步骤1)和步骤2)处理后混合料拌合，成型。

7、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，步骤1)中石墨烯粉末的添加量通过沥青发泡性能指标初步确定；步骤2)中石墨烯粉末的添加量和步骤1)中石墨烯粉末的最终添加量是通过干湿劈裂强度比itsr、60℃动稳定度d、以及综合指标pie＝itsr×ds分级确定。

8、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，所述沥青发泡性能指标为膨胀率≥10倍和半衰期≥8s。

9、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，所述itsr≥80％，ds≥4000次/mm。

10、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，所述石墨烯为氧化石墨烯粉末。

11、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，所述步骤1)包括以下工艺：将待发泡沥青加热至150℃～160℃后，将石墨烯粉末加入沥青中，使用高速剪切搅拌机搅拌15-60min，转速1000-5000r/min；利用发泡机对掺入石墨烯的沥青进行发泡得到石墨烯泡沫沥青。

12、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，以质量分数计算，步骤1)中所述石墨烯粉末的添加量占泡沫沥青用量的0.5％～2％。

13、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，所述步骤2)包括以下工艺：将石墨烯粉末加入混合料拌合水中，使用搅拌棒搅拌均匀；或使用搅拌机搅拌3-10min，转速100-300r/min。

14、进一步的，上述一种利用石墨烯来改善泡沫沥青冷再生混合料性能的方法，以质量分数计算，步骤2)中石墨烯粉末的添加量占水泥用量的0.03％～0.08％。

15、进一步的，本发明还公开了一种确定石墨烯改善泡沫沥青冷再生混合料生产工艺的设计方法，其特征在于，在参照《公路沥青路面再生技术规范》(jtg t5521-2019)完成泡沫沥青冷再生混合料初步配合比的基础上，拟定石墨烯掺量1(掺入泡沫沥青中)和石墨烯掺量2(掺入混合料拌合水中)，根据沥青发泡性能试验结果、混合料干湿劈裂试验结果和车辙试验(60℃)结果，排除不满足要求的石墨烯掺量组，再根据综合评价指标pi e确定最佳掺量组，从而确定石墨烯改善泡沫沥青冷再生混合料的生产工艺。

16、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

17、本发明提出“石墨烯泡沫沥青发泡性能(膨胀率和半衰期)、泡沫沥青冷再生混合料干湿劈裂强度比(i tsr，％)和60℃动稳定度(ds，次/mm)、综合评价指标pi e”一整套石墨烯最佳掺量分级综合确定方法。

18、(1)考虑到泡沫沥青胶浆是以“电焊式”在混合料中起粘结和填充作用，沥青发泡特性较为重要，不同掺量的石墨烯泡沫沥青发泡性能应满足相关要求(膨胀率≥10倍和半衰期≥8s)。

19、(2)为改善混合料高温抗剪切和抗水损性能，在确定石墨烯最佳用量上，选取泡沫沥青冷再生混合料的干湿劈裂强度比(i tsr，％)和60℃动稳定度(ds，次/mm)为检验分项指标，应满足i tsr≥80％，ds≥4000次/mm。

20、(3)提出综合评价指标pi e＝i tsr×ds，以pi e最大值对应的石墨烯掺量为最佳掺量组，若除了石墨烯掺量外还有多个因变量，可设置正交试验。

21、本发明提出的石墨烯最佳添加量的确定方法，并非是仅突出用“正交实验”，更是要突出，本发明提出的“石墨烯泡沫沥青发泡性能(膨胀率和半衰期)，干湿劈裂强度比(itsr，％)、60℃动稳定度(ds，次/mm)和综合评价指标pie”这一整套石墨烯最佳掺量的分级综合确定方法。其中本发明提出的综合评价指标pie，是专门针对混合料水稳定性和高温稳定性的综合评价指标。

22、1、相比于一般改性剂，石墨烯可同时改善泡沫沥青胶浆和水泥胶浆性能，效率更高。

23、2、本专利提出的石墨烯分批掺入的方式，可同时改善泡沫沥青和水泥胶浆性能，对混合料性能提高的效果更明显。

24、3、用粉末状石墨烯作为改性剂，添加工艺简单、对施工环境和机械设备无特殊要求。

25、4、为综合评价泡沫沥青冷再生混合料高温抗剪切和抗水损性能，本专利提出的综合评价指标，可定量评价石墨烯改善作用，改善后的混合料质量可控。

26、5、可有效解决泡沫沥青冷再生混合料因胶结料性能不佳导致再生路面发生病害的问题，延长再生路面寿命和适用范围，具有良好的经济及社会效益。