白義松

(黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

將廢舊輪胎制成膠粉,通過一定的生產(chǎn)工藝加入瀝青之中,可以制備成具有良好高低溫性能和較好耐久性的橡膠改性瀝青。將橡膠摻入瀝青的嘗試最早出現(xiàn)在1843年的英國,當(dāng)時(shí)的橡膠瀝青只能應(yīng)用于坑洞修補(bǔ)、接縫封堵和屋面防水等。20世紀(jì)40年代起,德國、英國、美國、瑞典、法國、日本、澳大利亞等國家先后對橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行了持續(xù)研究,相關(guān)研究成果均表明橡膠改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫、低溫性能和抗疲勞性能,且降噪功能明顯,橡膠改性瀝青開始逐步應(yīng)用于路面面層和路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力吸收層等[1]。自20世紀(jì)90年代起,橡膠改性瀝青開始在連續(xù)級配、間斷級配瀝青混凝土中廣泛使用。工程應(yīng)用表明,橡膠改性瀝青混合料能夠降低瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修成本,尤其是能夠有效降低公路瀝青路面的全壽命周期成本,并且在路用性能上表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性,具有更強(qiáng)的承載重交通的能力,應(yīng)用前景廣闊[2-3]。橡膠改性瀝青混合料的路用性能與膠粉細(xì)度、膠粉摻量、混合料集料級配、油石比等密切相關(guān),現(xiàn)結(jié)合黑龍江省伊綏高速公路北安段瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修需求,通過試驗(yàn)作具體分析。

1 試驗(yàn)選用的橡膠改性瀝青混合料級配

為提高原有瀝青路面的使用壽命,改善舊路面的服務(wù)水平,擬加鋪厚度為2.5 cm的SMA-10橡膠瀝青混合料罩面層。橡膠改性瀝青混合料采用90#重交通道路瀝青、廢舊輪胎制備的膠粉、玄武巖集料(0～3 mm石屑、3～5 mm碎石、5～10 mm碎石)及石灰?guī)r礦粉。

基于斷級配SMA-10骨架嵌擠結(jié)構(gòu),按細(xì)集料含量由少至多的順序選用4種混合料級配(1#、2#、3#、4#)。各篩孔通過率如表1所示。

表1 橡膠改性瀝青混合料試驗(yàn)級配

2 橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

2.1 膠粉細(xì)度對橡膠改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

采用30、40、60、80目膠粉,基于3#級配及由試驗(yàn)確定的最佳油石比,分別制備橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同膠粉細(xì)度瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知,在相同的目標(biāo)空隙率下,橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨膠粉細(xì)度的增加而提高,遠(yuǎn)大于規(guī)范中要求的3 000次/mm。其原因在于隨著膠粉粒徑的減小,橡膠改性瀝青的黏度增大,使橡膠改性瀝青混合料的黏聚力增加,提高了混合料抵抗變形的能力[2-4]。此外,膠粉溶脹后使改性瀝青的彈性增強(qiáng),能夠有效減少重復(fù)荷載產(chǎn)生的累計(jì)變形。

2.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

膠粉摻量對橡膠改性瀝青黏度的影響十分顯著?；?#級配,采用60目膠粉,取膠粉摻量0%、20%、22%、24%、26%制備橡膠改性瀝青混合料。車轍試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同膠粉摻量瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

一般而言,瀝青的黏度、勁度越大,瀝青混合料抵抗高溫變形的能力就越強(qiáng)。從表3可知,采用基質(zhì)瀝青的混合料動(dòng)穩(wěn)定度只有1 718次/mm,加入膠粉后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了1～2倍以上,且膠粉的優(yōu)化摻量為24%。

2.3 級配對橡膠改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

采用1#級配(粗)～4#級配(細(xì)),基于60目橡膠粉、外摻摻量24%制備橡膠改性瀝青混合料。不同級配瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 各級配瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,細(xì)集料的增多將導(dǎo)致橡膠改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的下降,但開始時(shí)的降低幅度并不大,原因在于粗集料骨架結(jié)構(gòu)使細(xì)集料對混合料動(dòng)穩(wěn)定的影響減小。但當(dāng)細(xì)集料增加到一定程度時(shí),會(huì)導(dǎo)致粗集料骨架結(jié)構(gòu)的改變,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度迅速下降[5-6]。

2.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

油石比直接關(guān)系到橡膠改性瀝青混合料的抗高溫變形能力,它對混合料試件體積指標(biāo)的影響十分顯著。采用60目膠粉、24%摻量制備改性瀝青,選取3#級配進(jìn)行試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同油石比瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

可知當(dāng)油石比增加,橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增大。油石比由7.7%增加到9.2%,動(dòng)穩(wěn)定度提高幅度在97.8%～264.7%之間。說明油石比較小時(shí),橡膠改性瀝青不足以完全裹附集料,且空隙率較大,車轍試驗(yàn)過程中瀝青混合料產(chǎn)生的壓實(shí)變形較大、動(dòng)穩(wěn)定度較小。隨著油石比的增加,集料之間容易重新定位,碾壓成型的試件空隙率下降,壓實(shí)變形減小、動(dòng)穩(wěn)定度增大[6]。但油石比繼續(xù)提高時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度轉(zhuǎn)為降低,可見橡膠改性瀝青混合料的油石比存在一個(gè)較優(yōu)值。

3 橡膠改性瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性可以通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。以下依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 膠粉細(xì)度對橡膠改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的影響

采用細(xì)度為30、40、60、80目的膠粉,基于3#級配,以空隙率為4%制備橡膠改性瀝青混合料試件。低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同膠粉細(xì)度低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

可知在相同級配、空隙率不變的情況下,油石比隨膠粉目數(shù)的增加而增大。同時(shí)橡膠改性瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度下降,但低溫變形能力增強(qiáng)。

3.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的影響

采用60目膠粉、3#級配,以0%、20%、22%、24%、26%的膠粉摻量,以4%的空隙率制備橡膠改性瀝青混合料試件。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同膠粉摻量低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表7的試驗(yàn)結(jié)果,相對未摻膠粉的基質(zhì)瀝青混合料,橡膠改性瀝青混合料的低溫彎拉強(qiáng)度及彎拉應(yīng)變均明顯提高,勁度模量顯著減小。說明可以通過摻加膠粉來改善瀝青混合料的黏聚力,進(jìn)而提高混合料的彎拉強(qiáng)度并改善其低溫變形能力。同時(shí),膠粉的適宜摻量在20%～24%之間。

3.3 級配對橡膠改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的影響

采用由粗到細(xì)的1#～4#級配,以對應(yīng)的最佳油石比制備橡膠改性瀝青混合料。低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 各級配瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表8,集料級配對混合料低溫性能的影響較大,當(dāng)細(xì)集料增多,彎拉應(yīng)變增加,即混合料的低溫性能相應(yīng)提高。

3.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的影響

采用3#級配,以60目膠粉、24%摻量制備橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn),在不同油石比下測得彎拉勁度、彎拉應(yīng)變和勁度模量。試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同油石比低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,隨著油石比的增大,彎拉應(yīng)變逐漸增大,但彎拉強(qiáng)度與勁度模量呈“先升后降”規(guī)律。說明油石比的增加能夠改善橡膠改性瀝青混合料在低溫狀態(tài)下的柔性;當(dāng)油石比繼續(xù)提高,雖然彎拉變形能力增強(qiáng),但彎拉強(qiáng)度與勁度模量呈下降趨勢。因此,橡膠改性瀝青混合料的油石比存在一個(gè)適宜數(shù)值。

4 橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

4.1 膠粉細(xì)度對橡膠改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

基于3#級配,采用30、40、60、80目膠粉分別外摻24%,制作橡膠改性瀝青混合料試件。凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 不同膠粉細(xì)度瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知,隨膠粉目數(shù)的增加,橡膠改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)增大,即減小膠粉粒徑有利于改善混合料的水穩(wěn)定性。

4.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

基于3#級配,采用60目膠粉分別外摻0%、20%、22%、24%、26%制作橡膠改性瀝青混合料試件。凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 不同膠粉摻量瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,基質(zhì)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度較低,TSR值達(dá)不到規(guī)范要求的80%。加入膠粉后,凍融劈裂強(qiáng)度及TSR值明顯增大,說明膠粉能夠顯著改善橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,隨膠粉摻量的增加,凍融劈裂強(qiáng)度先增長后降低,故膠粉摻量有一個(gè)較優(yōu)值,本次試驗(yàn)為24%。

4.3 級配對橡膠改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

采用60目膠粉,外摻用量24%,以1#～4#級配制作橡膠改性瀝青混合料試件。試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

表12 各級配瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表12可知,增加細(xì)集料能夠改善橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性,4種級配的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)都在80%以上,均符合規(guī)范要求。

4.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

采用60目膠粉,外摻用量24%,基于3#級配制作橡膠改性瀝青混合料試件,測定不同油石比橡膠改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 不同油石比瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,隨著油石比的增大,凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)增大,表明橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高,但混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度值是先增大后減小。油石比為8.0%時(shí),TSR值未達(dá)到規(guī)范要求的80%,故橡膠改性瀝青混合料的油石比應(yīng)大于8.0%。

5 結(jié) 論

(1)較細(xì)的膠粉有助于改善橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性;膠粉摻量的增加使橡膠改性瀝青黏度增加,混合料動(dòng)穩(wěn)度增大?；诟邷胤€(wěn)定性,推薦膠粉的外摻摻量為24%～26%。

(2)膠粉目數(shù)增大(粒徑減小),則橡膠改性瀝青混合料的低溫性能提升,但膠粉粒徑減小到一定程度時(shí),低溫彎曲應(yīng)變的增長趨緩,建議采用60目膠粉;較低的油石比易導(dǎo)致混合料的黏結(jié)力減弱,較高的油石比將使混合料變軟,不利于提高低溫性能,油石比宜在8.5%～9.5%之間;適當(dāng)增加細(xì)集料能夠提高瀝青混合料的低溫性能。

(3)膠粉越細(xì)橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好,但膠粉摻量不宜過高,建議外摻摻量為24%;較高的油石比對改善水穩(wěn)定性較有利;增加細(xì)集料能夠改善橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。