0 引言
随着“双碳”目标的推进，石墨凭借在清洁能源技术迭代中的关键作用，需求量持续攀升
[1]。随着石墨资源的快速消耗，石墨矿石的开采量也逐年提高。石墨生产以浮选工艺为主
[2]，石墨尾矿是排放的尾矿矿浆经自然脱水后形成的工业固体废弃物。石墨尾矿的大量堆积会污染环境、侵占耕地，更对矿区周边流域生态构成严重威胁，已成为制约中国石墨行业可持续发展的关键障碍
[3]。交通基础设施建设的持续推进，使沥青材料需求量逐年攀升。而传统沥青胶浆性能提升高度依赖石灰岩、玄武岩等天然矿物填料，这类不可再生资源正面临储量锐减的枯竭危机，其开采、加工全链条还伴随大量碳排放，形成双重发展压力。因此，开发环境友好、资源可持续替代的新型矿物填料，已成为道路工程领域亟待破解的瓶颈问题。
固废的资源化利用是促进可持续基础设施建设的重要研究方向之一。学者积极探索将生活与工业固废应用于沥青胶浆的方法，重点研究混合料的物理特性。季节等
[4]研究了煤直接液化残渣-沥青胶浆的流变性。杨博等
[5]探讨了牡蛎壳粉替代矿粉的可行性。朱兴龙等
[6]评估了垃圾飞灰对沥青胶浆与混合料性能的作用。姜兵等
[7]系统探究了不同掺量石墨尾矿对混凝土结构表观密度、抗压强度、抗腐蚀性能及XRD衍射峰的影响。刘洪波等
[8]聚焦于配合比优化对石墨尾矿砂浆收缩特性的调控，为预测实际结构体积变形奠定基础。ZHANG等
[9]研究了掺入复合玄武岩纤维的石墨尾矿水泥砂浆的多项性能指标。杨克龙等
[10]分析了石墨尾矿砂掺量对沥青混合料水稳定性的影响，阐明了石墨尾矿在沥青路面中的应用潜力。这些研究为石墨尾矿的建材化应用提供了重要依据。
综上，石墨尾矿在建筑行业的应用和研究多集中于水泥基材料，对沥青材料添加石墨尾矿的研究较少，其流变机理尚不明确。针对此问题，采用不同掺量的石墨尾矿粉替代石灰石矿粉制备成沥青胶浆，通过针入度、软化点、延度、黏度、动态剪切流变试验、多重应力蠕变恢复试验，以及线性振幅扫描试验和弯曲梁流变试验等，探究石墨尾矿对沥青胶浆性常规性能和高低温流变性能的影响，确定石墨尾矿的最佳掺量。
1 试验原材料
试验采用70
#基质沥青，测试方法与技术要求参见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）
[11]（以下简称《规程》）。试验所用的石墨尾矿粉来自某石墨采石场，对照组矿粉选择石灰石矿粉，2种填料的技术指标见
表1，实物见
图1。
采用regulus8100扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）研究矿物填料的形貌。石墨尾矿粉和石灰石矿粉的微观形貌分别见
图2。由
图2（a）可见，石灰石矿粉主要由棱角分明的块状颗粒构成，颗粒尺寸均匀，且机械破碎特征明显，表现出密实堆叠趋势。石灰石矿粉表面较光滑，结构较致密，气孔较少。由
图2（b）可见，石墨尾矿粉边缘多呈不规则锯齿状，表面较为粗糙，可见附着其上的解离矿物颗粒，局部可见微小孔隙。此类形貌与石墨的天然层状晶体结构相关，其断裂过程中易沿解理面剥离，形成薄片状颗粒。
2 试验方案设计
2.1 沥青胶浆制备
（1）沥青胶浆配合比设计
制备多种沥青胶浆试样，其基本配合比为m(沥青)∶m(填料) =1∶1。填料由石灰石矿粉和石墨尾矿粉组成。石墨尾矿粉按预定比例等质量替代石灰石矿粉，掺量（即石墨尾矿粉在总填料中的质量分数）设定为0%、25%、50%、75%和100%，共5组。
（2）沥青胶浆制备方法
沥青胶浆的制备依据相关流程
[12-13]进行：①将70
#基质沥青置于(160±5) ℃的恒温烘箱中，持续加热直至沥青完全熔化流动；②按照替代比精确称量石灰石矿粉与石墨尾矿，在干燥环境中充分拌和均匀，将混合填料置于(150±3) ℃的烘箱中预热，时间不少于2 h；③将预热后的混合填料分3次加入熔融沥青中，并保持混合料体系温度为(150±3) ℃；④使用高速剪切机对混合物连续剪切，剪切转速为(1 000±50) r/min，时间为30 min，获得均质的沥青胶浆试样。
2.2 常规试验结果
根据《规程》对制备的沥青胶浆开展25 ℃针入度试验、软化点试验和15 ℃延度试验，每组试验重复3次，取平均值。沥青胶浆性能的软化点、延度、针入度随石墨尾矿掺量的变化规律，见
图3。
软化点是表征改性沥青温度敏感性的重要指标，软化点越高，相应改性沥青路面在高温环境中的抗变形能力越强
[14]。由
图3（a）可见，随着石墨尾矿替代率的提升，沥青胶浆的软化点呈现显著增长趋势，可能是由于石墨尾矿表面粗糙多孔（见
图2），大幅增加了填料-沥青的有效接触面积，阻碍了沥青分子链的自由迁移。这表明，石墨尾矿的掺入有效提升了材料的高温稳定性，且当掺量在25%～50%时，改性效果较为显著。
由
图3（b）可见，随着石墨尾矿掺量的增加，沥青胶浆延展性持续降低，且所有试样均呈现脆性断裂特征，低温抗裂性能下降。沥青胶浆的低温拉伸行为可通过应变能理论来解释：温度降低使沥青临界应变能减小，可恢复弹性能增加，拉伸会发生脆性断裂和回弹；加入石墨尾矿后，石墨尾矿的刚性导致沥青临界应变能进一步减小，拉伸时沥青胶浆内部密集分布的颗粒材料也改变了沥青本身的黏弹性。
沥青的针入度可用于评价沥青的软硬程度和稠度。由
图3（c）可见，石墨尾矿替代率从0%上升到25%时，沥青胶浆的针入度明显降低，出现显著的硬化效应。这可能是由于低掺量的石墨尾矿显著增强了与沥青的机械互锁作用，限制沥青分子链的可动性。石墨尾矿替代率为25%～50%时，沥青胶浆的针入度升高。这可能是填料级配优化或石墨润滑效应等因素，导致硬度出现短暂、小幅度缓解。尽管存在局部波动，整体数据显示石墨尾矿替代传统矿粉后，沥青胶浆的针入度呈下降趋势，沥青胶浆变硬。
《规程》规定，在软化点、延度及针入度试验中，同一操作者重复试验的变异系数限值
CV分别为：
CV≤1.2%、
CV≤10.0%和
CV≤1.2%。采用石墨尾矿替代石灰石矿粉制备的沥青胶浆试样，上述3项指标的变异系数均满足规范限值要求，详见
表2。
2.3 石墨尾矿沥青胶浆高温性能分析
（1）布氏旋转黏度试验结果
布氏旋转黏度是表征流体类材料发生流动变形难易程度的有效指标
[15]。试验依据《规程》要求开展测试，每组试验重复3次，取平均值，结果见
图4。
由
图4可见，石墨尾矿替代石灰石矿粉对沥青胶浆流变特性的影响显著，黏度变化呈非线性。当温度从135 ℃升至180 ℃时，所有试样的黏度均呈衰减趋势。石墨尾矿掺量为25%时，180 ℃时沥青胶浆黏度较135 ℃下降74.1%，这是因为温度升高后，分子热运动动能增加，沥青分子之间范德华力减弱，黏度下降。在135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃下，与石灰石沥青胶浆相比，掺量为25%的石墨尾矿沥青胶浆黏度分别提升了83.3%、55.0%、50.1%、67.5%。这是因为相对于石灰石矿粉，石墨尾矿粒径较小，比表面积较大，能有效增加与基体间的有效接触面积，从而显著提升分子间作用力。这一特性不仅增大了结构沥青膜厚度
[16]，还强化了对自由沥青的吸附与固定作用，进而显著增强矿料间的黏结力，最终使沥青胶浆的黏度获得有效提升，该结论与SEM实验中分析的结果相符合。石墨尾矿掺量为25%～50%时，沥青胶浆黏度明显下降，这是因为石墨尾矿表面粗糙度过高，颗粒间摩擦加剧，形成局部团聚。同时粗糙表面的高摩擦效应被石墨固有的片状润滑性部分抵消，使黏度下降。石墨尾矿掺量超过50%时，沥青胶浆黏度呈逐渐升高趋势。这是因为高掺量下，石墨尾矿颗粒粗糙表面引起的摩擦使黏度升高。
综上，不同掺量石墨尾矿沥青胶浆的黏度均高于石灰石矿粉沥青胶浆，表明加入石墨尾矿可提高沥青胶浆的抗剪切变形能力。当石墨尾矿掺量为25%时，对沥青胶浆的抗剪切变形能力提升效果最显著。
依据《规程》要求，布氏旋转黏度试验中，同一试样至少平行试验2次。当2次测定值的差值不大于平均值的 4% 时，取其平均值作为试验结果，对应的换算成变异系数限值不大于1.5%。采用石墨尾矿替代石灰石矿粉制备的沥青胶浆试样，其布氏旋转黏度的变异系数均满足《规程》规定的限值要求，具体见
表3。
（2）动态剪切流变试验结果
动态剪切流变试验采用TA公司的动态剪切流变仪，参照《规程》要求开展。试验温度设为46 ℃～82 ℃，温度扫描间隔为6 ℃。将沥青胶浆制备成直径为25 mm、厚度为1 mm板式试样。每组动态剪切流变试验进行3次平行试验，取平均值用于后续分析。
选取复数模量
G* 、相位角
和车辙因子
G*/sin
作为表征沥青胶浆高温流变特性的参数。
G* 表示沥青胶浆的抗变形性能；tan
表示损耗模量与存储模量的比，
越小表示弹性恢复性能越好。
G*/sin
是评估沥青胶浆抗车辙性的关键参数
[17]。石墨尾矿沥青胶浆的动态剪切流变试验结果见
图5。
由
图5可见，沥青胶浆表现出明显的温度依赖性，即随着温度升高，沥青胶浆的
G* 和
G* /sin
降低，
δ增大。此过程中，温度升高促进沥青分子链段的运动活化能降低，导致黏滞阻力减弱与抗变形能力下降，宏观上表现为
G* 减小和
增大，这也是沥青材料高温性能劣化的典型特征。试验表明，与石灰石沥青胶浆相比，石墨尾矿沥青胶浆的
G* 和
G* /sin
均较大。温度为46 ℃、石墨尾矿掺量为25%时，石墨尾矿沥青胶浆的
G* 和
G* /sin
达到最大值，与石灰石沥青胶浆相比，分别提高63.2%和63.4%。这可能是因为石墨尾矿通过物理交联与界面黏附作用增强了胶浆的抗剪切变形能力，其中尾矿内硅酸盐矿物形成的刚性骨架结构与分散的石墨片层协同实现了高效应力传递。在相同温度下，与石灰石沥青胶浆相比，石墨尾矿沥青胶浆的
G* /sin
值较大，说明石墨尾矿的加入能够改善沥青胶浆在高温下的抗变形能力，且石墨尾矿掺量为25%时，高温下对抗变形能力的提升最为显著。
依据《规程》要求，动态剪切流变试验中，同一试样至少平行试验2次，当2次测定值的差值不大于平均值的 6.4% 时，取其平均值作为试验结果，换算成变异系数限值为不大于2.3%。采用石墨尾矿替代石灰石矿粉制备的沥青胶浆试样，其动态剪切流变的变异系数均满足《规程》限值要求，具体数据见
表4。
（3）多重应力蠕变恢复试验结果
多重应力蠕变恢复试验用来评估沥青结合料在高温条件下的抗永久变形（车辙）能力和弹性恢复性能。变形恢复率和不可恢复蠕变柔量是分析车辆载荷作用下，沥青材料延迟弹性和平均不可恢复应变的重要参数
[18]。根据ASTM（美国材料与试验协会）D7405中MSCR试验
[19]要求进行多重应力蠕变恢复试验，每组试验重复3次，取平均值。沥青胶浆中石墨尾矿掺量与变形恢复率和不可恢复蠕变柔量的关系见
图6，其中，0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下，变形恢复率分别为
R0.1和
R3.2，不可恢复蠕变柔量分别为Jnr
0.1和Jnr
3.2。
由
图6可见，随着石墨尾矿掺量的增加，
R0.1和
R3.2均呈先升高后降低的变化规律，但石墨尾矿沥青胶浆的变形恢复率均超过石灰石沥青胶浆。相比于石灰石沥青胶浆，掺量为25%的石墨尾矿沥青胶浆，
R0.1增加了19.6%，
R3.2增加了45.6%，这说明石墨尾矿可以提高沥青胶浆的弹性。原因可能是石墨尾矿颗粒边缘呈锯齿状且表面粗糙多孔，这种结构特性显著增大了颗粒与沥青基质的有效接触面积和接触界面的复杂性，粗糙界面形成更强的物理嵌锁作用，使沥青分子链能更深入地“锚定”在缝隙和凸起中，进而赋予沥青胶浆更强的抵抗塑性变形的能力。石墨尾矿沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量均低于石灰石沥青胶浆。从宏观性能上看，石墨尾矿的加入可以减少沥青胶浆的柔性变形，提高沥青路面的抗车辙性能，且在掺量为25%时提升效果最为显著。
依据《规程》，多重应力蠕变恢复试验中，同一试样需进行2次平行试验，试验测得的不可恢复蠕变柔量差值不得超过平均值的15%，变形恢复率不得超过平均值的8%，取平均值作为试验结果。采用石墨尾矿制备的沥青胶浆试样，不可恢复蠕变柔量的变异系数、变形恢复率的变异系数均满足《规程》的限值要求，见
表5。
2.4 沥青胶浆抗疲劳性能分析
线性振幅扫描试验可表征沥青在载荷反复作用下的累积损伤发展，确定沥青在不同应变水平下的疲劳特性。参照AASHTO TP 101—12
[20]中的要求，采用线性振幅扫描（LAS）试验评估沥青胶浆的疲劳性能。将LAS试验获得的试件剪切应力峰值定义为屈服应力，剪切应变峰值定义为屈服应变
[21]。试验中，应变由 0.1%提升至1%，再由1%线性增加到30%，试验频率固定为10 Hz，单个应变扫描时间为10 s，总计扫描时间为310 s，试验温度为25 ℃，每组试验重复3次，取平均值。LAS试验获得的应力-应变曲线见
图7。
由
图7可知，在石墨尾矿掺量为25%时，石墨尾矿沥青胶浆的屈服应力最大，相比于石灰石沥青胶浆增加了32.6%。这是因为石墨尾矿中的矿物颗粒作为刚性填料分散在沥青基体中，提高了沥青胶浆的整体刚度和模量。在相同应变水平下，刚度增大使材料承受的应力增大。石墨尾矿掺量为50%、75%、100%时，石墨尾矿沥青胶浆和石灰石沥青胶浆的屈服应力相似，这是因为填料过度密集，沥青胶浆过度硬化，脆性增大。随着石墨尾矿掺量的增加，沥青胶浆峰值应力对应的屈服应变增大，韧性增加。
2.5 沥青胶浆低温性能分析
低温开裂是沥青路面常见的病害类型之一。路面表层的裂缝会使水分更容易进入基层结构，在车辆载荷的作用下，将加速路面结构的破坏，降低路面的服役性能，缩短路面的使用寿命。对沥青胶浆进行低温弯曲流变试验，探究其低温性能。依据《规程》要求，采用弯曲梁流变试验研究沥青胶浆的低温特性。测试温度为-18 ℃～-6 ℃，间隔温度为6 ℃。将样品制备成尺寸为127 mm×12.7 mm×6.35 mm的梁式试件，在乙醇水浴中保持试验温度，然后进行测试，每组试验重复3次，取平均值。沥青胶浆的低温流变性能见
图8。采用石墨尾矿代替石灰石矿粉制备沥青胶浆时，蠕变劲度更高。在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃下，与石灰石沥青胶浆相比，石墨尾矿沥青胶浆的最高蠕变劲度分别提高了16.2%、20.7%、17.7%，说明石墨尾矿的掺入降低了沥青胶浆的低温性能。这是因为与石灰石矿粉相比，石墨尾矿粉的比表面积更大，极大地增加了它与沥青的接触界面，对沥青轻质组分的吸附能力增强。而且石墨尾矿中含有的石墨对有机物质的吸附能力很强，尤其是对芳香族化合物的亲和力更强。这种吸附能力导致沥青中的硬质组分相对比例升高，整体胶结物的黏度增大、刚度提高、低温变形能力显著下降，使沥青胶浆在低温下更脆，临界裂缝断裂温度升高。石墨尾矿表面呈化学中性（石灰石表面则为碱性），其难以与沥青中的酸性组分（如磺化多环芳烃）发生化学吸附作用，导致沥青-集料界面黏结强度降低，从而削弱混合料的抗裂性能。石墨尾矿沥青胶浆的蠕变速率均低于石灰石沥青胶浆，说明沥青胶浆在低温下分散应力能力和应力松弛性能有所降低。
依据《规程》，弯曲梁流变试验中，同一试样至少平行试验2次，当2次测得的蠕变劲度差值不大于平均值的7.2% ，蠕变速率的差值不大于2.9%时，取其平均值作为试验结果。采用石墨尾矿替代石灰石矿粉制备的沥青胶浆试样，其弯曲梁流变试验的变异系数均满足《规程》限值要求，见
表6。
通过微观形貌、常规性能及流变学表征证实，利用石墨尾矿替代传统石灰石矿粉是提升沥青胶浆高温性能与抗疲劳性能的有效途径。石墨尾矿的粗糙锯齿状表面及狭缝微孔结构，极大增强了与沥青基质的物理嵌锁与界面黏附强度。石墨尾矿掺量为25%时，其改性效果最优，沥青胶浆的高温稳定性、弹性恢复能力及抗疲劳能力均有提升，但低温性能衰减。当石墨尾矿掺量超过25%时，沥青胶浆的低温性能衰减更为显著。
3 结论
（1）相较于石灰石矿粉，石墨尾矿粉具有更小的粒径、更大的比表面积及更粗糙的表面，这些特性显著增强了其与沥青基质间的物理交互作用和黏附力。石墨尾矿粉含有丰富的狭缝微孔，呈现出较强的轻质组分（如脂肪族化合物）吸附性。该吸附行为一方面增加了重组分比例和沥青胶浆黏弹性网络的强度，从而显著改善了高温流变性能；但另一方面，过度吸附也导致了有效沥青胶体比例降低，削弱了材料的低温柔韧性，使得低温性能有所衰减。
（2）在石墨尾掺量达到25%时，沥青胶浆的综合高温性能与抗疲劳性能获得了突破性提升。具体表现为布氏黏度、动态剪切流变车辙因子、MSCR弹性恢复率以及线性振幅扫描屈服应力等关键指标均较石灰石沥青胶浆大幅提高。
（3）石墨尾矿的引入显著削弱了沥青胶浆的低温性能，表现为蠕变劲度的系统性增大与蠕变速率的同步衰减，使材料的低温应力松弛能力和抗开裂韧性减弱。未来研究需聚焦于缓解石墨尾矿沥青胶浆的低温脆性（如添加增塑剂或界面改性），以平衡综合路用性能，拓宽其在寒区的应用潜能。
京公网安备11010202008535号
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