橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗

黃衛(wèi)東,王 偉,黃 巖,李彥偉

橡膠瀝青混合料由于其突出的環(huán)保優(yōu)勢和足夠的高溫穩(wěn)定性, 已逐步在國內(nèi)道路工程中得到應用[1].與其他改性瀝青混合料相比,橡膠瀝青混合料膠粉摻量大,膠粉與基質(zhì)瀝青改性機理有所不同.以亞利桑那州橡膠瀝青規(guī)范為例, 同時具有以下特點[2]:①油石質(zhì)量比高,一般為7.0%～8.5%,對于一般瀝青混合料,如此高的用油量,其高溫穩(wěn)定性能難以保證;②級配中允許不摻加礦粉(小于0.075 mm的細料),而一般瀝青混合料中礦粉對于提升高溫穩(wěn)定性、防止析漏、填充空隙等作用顯著;③混合料的設計目標空隙率達到4.5%～6.5%,較一般瀝青混合料大1%～2%.常規(guī)瀝青混合料的研究表明,較大的空隙率可能導致高溫穩(wěn)定性下降、抗水損能力減弱.筆者針對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的擔憂,采用車轍試驗及浸水車轍試驗,對其高溫穩(wěn)定性進行大量的試驗研究,并據(jù)此對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素及影響程度進行了比較與研究.

1 試驗方法與方案

1.1 橡膠瀝青

對橡膠瀝青的改性采用濕法(w et process)工藝,即在185 ±5 ℃下, 用強力攪拌器以250 r ·min-1轉(zhuǎn)速將瀝青與橡膠粉混合攪拌90 min,橡膠粉的摻量為橡膠瀝青質(zhì)量的19%.基質(zhì)瀝青采用加德士70#,埃索70#,中海70#,河北宏潤70#,東海金山70#,盤錦90#、加德士90#等7 種型號.橡膠粉選用4 種膠粉,產(chǎn)地分別為上海、河北、四川、南京,其中,上海與河北的膠粉為大貨車子午胎膠粉,四川與南京的膠粉為非大貨車膠粉.膠粉細度以20 目為主,南京膠粉還包括60 和80 目兩種細度.橡膠改性瀝青常規(guī)指標的實測結(jié)果見表1 所示.

表1 用于試驗研究的橡膠瀝青常規(guī)指標Tab.1 Conventional requirement of asphalt rubber

1.2 集料與級配

集料包括江蘇茅迪玄武巖和江蘇溧陽石灰?guī)r兩種,篩分成13.20 ～9.50,9.50 ～4.75,4.75 ～2.36,2.36 ～0.075 等4 檔.對壓碎值、磨耗值、針片狀含量等指標的測試表明,所用集料的各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求.

由于我國現(xiàn)行瀝青路面設計、施工規(guī)范中尚無橡膠瀝青混合料專用級配的技術(shù)要求,因此,在級配選擇上參考了國外的經(jīng)驗.橡膠瀝青的粘度較大,在集料表面所形成的油膜較厚,因此,國外在膠粉摻量較大的情況下,級配選擇上比較傾向于細料較少的間斷級配,而且往往選擇具有較大空隙率的半開級配,其中又以美國亞利桑那州推薦的間斷級配為代表[2-3].筆者參考亞利桑那州的間斷級配范圍,選擇了粗、中、細三種級配;為了對比分析,還增加了目前常用的連續(xù)級配(AC-13)和間斷級配(SMA-13)兩種形式.在試件成型中,4.75 mm 以上的粗集料選擇玄武巖,4.75 mm 以下選擇石灰?guī)r.選用的各種級配如表2 所示.

表2 試驗中選用的各種級配(質(zhì)量分數(shù))Tab.2 Aggregate gradations in the test(quality percenrage) %

1.3 車轍試驗

根據(jù)車轍試驗要求, 需在試驗室中成型300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板試件(壓實40次).考慮到道路攤鋪時混合料存在短期老化的實際情況,在試件成型時先將新拌橡膠瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤,放入165±5 ℃的烘箱中,短期老化2 h±5 min 后再成型.

各種級配橡膠瀝青混合料最佳油石質(zhì)量比采用馬歇爾法確定.拌和溫度為170 ～175 ℃,雙面75 次擊實,擊實溫度為155 ～160 ℃.用計算法求得混合料的最大理論密度,試件的毛體積密度采用水中重法測定.5 種級配混合料的目標空隙率與最佳油石質(zhì)量比如表3 所示.

表3 混合料的油石質(zhì)量比與空隙率Tab.3 Asphalt-stone ratios and air voids of mixtures

為了在混合料高溫穩(wěn)定性評價中考慮水的影響,在試驗研究中補充了浸水車轍試驗.即根據(jù)各自的最佳油石質(zhì)量比成型車轍試件,常溫下靜置48 h后,在車轍試驗機的恒溫(60 ℃)水槽中浸水2 h,然后再進行浸水車轍試驗.

1.4 試驗方案

可能影響橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素包括基質(zhì)瀝青的品質(zhì)、膠粉(包括膠粉來源、目數(shù)、摻量)、級配形式、油石質(zhì)量比、空隙率等.由于影響因素多,如果分析多因素的綜合影響,一方面室內(nèi)試驗的工作量很大,另一方面由于各因素之間可能存在耦合影響,導致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差.因此,采用單因素對比分析方法,即在分析某一影響因素時,在試驗方案中將其他影響因素盡可能地統(tǒng)一,從而分析該因素的變化對于動穩(wěn)定度的影響程度.為此,針對上述影響因素分別設計了8 個對比試驗方案.車轍動穩(wěn)定度原始數(shù)據(jù)參見附件及參考文獻[4] .

2 膠結(jié)料對于高溫穩(wěn)定性的影響

2.1 基質(zhì)瀝青的影響

針對7 種不同的基質(zhì)瀝青,試驗了27 組常規(guī)車轍.膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(上海與河北的20目膠粉),膠粉摻量為19%(質(zhì)量分數(shù),后同),混合料級配為AR-AC-13 粗(油石質(zhì)量比為8%,空隙率為5.4%).試驗結(jié)果見表4,對比情況見圖1.

圖1 基質(zhì)瀝青對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig.1 Dynamic stability comparison of different base asphalts

將7 種不同基質(zhì)瀝青混合料常規(guī)車轍試驗動穩(wěn)定度的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計,變異系數(shù)為15%,變異水平屬于動穩(wěn)定度試驗的偏高水平.試驗結(jié)果表明,中海(70#)和宏潤(70#)動穩(wěn)定度相差30%以上.說明不同基質(zhì)瀝青對橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有一定程度的影響.

表4 基質(zhì)瀝青對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.4 Influence of base asphalts on high-temperature performance

2.2 膠粉的影響

在大比例(質(zhì)量分數(shù)大于15%)摻入膠粉的情況下,膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫狀態(tài)下(180 ℃以上)通過物理反應(融脹),在顆粒表面將形成瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜, 融脹后橡膠粉體積達到膠結(jié)料的近40%[5],因此,膠粉性質(zhì)的變化將對混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響.為此,筆者設計了3 個對比試驗方案,分別用于比較膠粉來源、細度、摻量對于動穩(wěn)定度的影響.混合料級配為AR-AC-13 粗(油石質(zhì)量比8%,空隙率5.4%),膠粉摻量為19%(膠粉摻量分析方案除外),基質(zhì)瀝青為加德士70#.

在膠粉來源的影響分析中,針對4 個不同產(chǎn)地、2 種不同來源的膠粉所制備的混合料進行了18 組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表5 所示,對比情況見圖2.

表5 膠粉來源對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.5 Influence of crumb rubber sources on high-temperature performance

可以看出,一方面不同來源的膠粉(上海、河北的大貨車子午胎,以及南京、四川的非大貨車子午胎)對于混合料動穩(wěn)定度的影響非常顯著,4 個產(chǎn)地膠粉所制備混合料動穩(wěn)定度的變異系數(shù)達到了43%;另一方面,相同來源膠粉(上海與河北,南京與四川)之間,動穩(wěn)定度的變化非常小.由于大貨車膠粉富含天然橡膠,對瀝青性能的改善效果更加明顯,因此,在橡膠瀝青混合料設計中建議使用該類膠粉.

圖2 膠粉來源對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig.2 Relationship between dynamic stability and crumble rubber source

在膠粉細度的影響分析中,采用20,60,80 目等3 種細度的南京膠粉進行了9 組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表6.不同細度膠粉動穩(wěn)定度的變異系數(shù)僅9%.可以看出,在20 ～80 目的細度范圍內(nèi),膠粉細度的變化對于混合料高溫穩(wěn)定性的影響較小,但是,實際應用中存在由較細膠粉制備的橡膠瀝青隨存貯時間延長,177 ℃粘度下降較快的現(xiàn)象,需要注意.

表6 膠粉細度對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.6 Influence of crumb rubber size/gradations on high-temperature

限于備料不足等原因,在膠粉摻量影響的試驗研究中,僅針對17%和19%兩種摻量,采用20 目上海膠粉進行12 組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表7.

表7 膠粉摻量對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.7 Influence of crumb rubber content on high-temperature performance

可以看出,膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù))從17%增加到19%,混合料的動穩(wěn)定度增加了18%,影響還是比較顯著的.針對20 目貨車輪胎膠粉、70#道路石油瀝青情況,曹榮吉等進行了膠粉摻量對于橡膠瀝青粘度的影響的試驗研究,試驗結(jié)果如表8 所示[6].可以看出,膠粉摻量對于粘度的影響并不是線性的,隨著摻量從18%增加到20%,橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度快速增長.

筆者在橡膠瀝青高溫性能評價標準的試驗研究中發(fā)現(xiàn),橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度與橡膠瀝青的177 ℃粘度之間具有良好的線性相關(guān)性(見圖3).據(jù)此推斷,膠粉摻量的增加對于混合料動穩(wěn)定度的影響非常顯著.這主要是由于隨著膠粉摻量的增加,橡膠瀝青粘度增加,進而造成混合料動穩(wěn)定度的增加.

圖3 旋轉(zhuǎn)粘度與動穩(wěn)定度的試驗關(guān)系(177℃)Fig.3 Relationship between 177℃apparent viscosity and dynamic stability

表8 不同膠粉摻量情況下橡膠瀝青的粘度(177℃,20 r·min-1)Tab.8 177℃viscosities for different crumb rubber contents

3 級配、油石質(zhì)量比及空隙率對于高溫穩(wěn)定性的影響

3.1 級配的影響

在級配的影響分析中,膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(20 目),膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù))為19%.考慮到基質(zhì)瀝青對于混合料高溫穩(wěn)定性的影響很小,因此,在對比試驗中沒有對瀝青品牌進行限制(即選擇了7種品牌的基質(zhì)瀝青).混合料方面選擇了5 種級配(見表2),分別進行了馬歇爾試驗,根據(jù)各自的目標空隙率確定了最佳油石質(zhì)量比.45 組常規(guī)車轍試驗的結(jié)果見表9 所示,對比情況見圖4.

在最佳油石質(zhì)量比的情況下,5 種不同級配混合料常規(guī)動穩(wěn)定度測試結(jié)果的變異系數(shù)為7%.一方面說明在級配中礦粉的含量(粒徑小于0.075 mm 細料)對于橡膠瀝青混合料高溫性能的影響并不顯著,另一方面說明間斷級配與連續(xù)級配相比,高溫穩(wěn)定性并沒有明顯的優(yōu)勢,而且各種級配的橡膠瀝青混合料均可以滿足改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的一般要求.

表9 不同級配對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.9 Influence of gradation on high-temperature performance

為了進一步分析級配對于高溫穩(wěn)定性的影響,研究中進行了不同級配情況下混合料常規(guī)車轍試驗與浸水車轍試驗的對比分析.試驗中膠粉仍為大貨車子午胎膠粉,摻量為19%,基質(zhì)瀝青統(tǒng)一為加德士70#,選擇了AR-AC-13 粗、AR-AC-13 中、AC-13、SMA-13 共4 種級配,其中AR-AC-13 粗混合料降低了油石質(zhì)量比,以分析驗證哪種級配更加適用于橡膠瀝青.浸水車轍對比試驗共進行了24 組,結(jié)果見表10 所示,對比情況見圖5.

對比試驗中,AR-AC-13 粗級配的浸水車轍試驗動穩(wěn)定度的下降幅度很大(僅略好于AC-13),主要是由于其油石質(zhì)量比大大低于最佳油石質(zhì)量比(8%),造成混合料中瀝青含量的相對不足.其他采用最佳油石質(zhì)量比的不同級配混合料中,不含礦粉的“AR-AC-13”中級配的混合料浸水車轍試驗動穩(wěn)定度的下降幅度最小,原因可能與瀝青膜的厚度有關(guān)系.其他2 種級配由于礦粉的存在,增加了集料的比表面面積,從而減少了裹覆集料的瀝青膜厚度.

圖4 不同級配對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig.4 Dynamic stability comparison under different gradations

表10 不同級配混合料常規(guī)車轍與浸水車轍試驗的對比Tab.10 Conventional and immersion rutting test results of mixtures under different gradations

圖5 不同級配常規(guī)與浸水車轍試驗的對比Fig.5 Comparison of conventional and immersion rutting test results under different gradations

3.2 油石質(zhì)量比的影響

在油石質(zhì)量比的影響分析中,膠粉選擇上海20目(摻量(質(zhì)量分數(shù))為19%),級配形式為AR-AC-13 粗,基質(zhì)瀝青為加德士70#,油石質(zhì)量比選擇了包括最佳油石質(zhì)量比在內(nèi)的6 種,共進行了21 組常規(guī)車轍試驗,結(jié)果見表11,油石質(zhì)量比變化趨勢擬合曲線見圖6.

混合料的動穩(wěn)定度隨著油石質(zhì)量比的增加基本上表現(xiàn)為線性下降的趨勢,而且相關(guān)性很好.如果以動穩(wěn)定度大于280 0次·mm-1控制混合料的最大油石質(zhì)量比,則對于本試驗的材料和工藝條件,最大油石質(zhì)量比建議小于8.9%.從油石質(zhì)量比對于動穩(wěn)定度的影響趨勢擬合情況還可看出,如果為了增加動穩(wěn)定度而降低油石質(zhì)量比(假定因油石質(zhì)量比變化引起混合料其他性能的衰減仍處于可接受的范圍之內(nèi)),那么,當油石質(zhì)量比低于最佳油石質(zhì)量比時,因油石質(zhì)量比降低引起動穩(wěn)定度增長的斜率遠小于油石質(zhì)量比大于最佳油石質(zhì)量比的階段,兩個階段動穩(wěn)定度受油石質(zhì)量比變化的影響斜率比值為1 ∶6.5,因此,這種做法并不“經(jīng)濟”.

表11 油石質(zhì)量比對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.11 Influence of asphalt-stone ratio on high-temperature performance

圖6 油石質(zhì)量比變化趨勢擬合曲線Fig.6 Fitting curve for variation of asphalt-stone ratio

3.3 空隙率的影響

對于空隙率對于動穩(wěn)定度的影響,對比試驗采用了“A R-AC-13 粗”和“SMA-13”兩種級配形式.前者選擇上海20 目膠粉,后者選擇了河北20 目膠粉,基質(zhì)瀝青為加德士70#, 摻量(質(zhì)量分數(shù))為19%,共進行了15 組常規(guī)車轍試驗,結(jié)果見表12 和圖7 所示.可以看出,與其他改性瀝青混合料相似,動穩(wěn)定度隨著空隙率的增加而下降,而且下降幅度比較明顯, 并隨著級配形式的不同而存在一定的差異.

表12 空隙率對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.12 Influence of air void on high-temperature performance

圖7 空隙率對于動穩(wěn)定度的影響Fig.7 Influence of air void on dynamic stability

4 小結(jié)

(1)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定受到基質(zhì)瀝青品質(zhì)差異影響,試驗結(jié)果表明,最大差異達到了30%;受膠粉性質(zhì)的影響則非常顯著,且以膠粉來源和膠粉摻量這兩個因素的影響為主.對于橡膠瀝青混合料,建議采用大貨車子午胎膠粉進行改性,并應合理控制膠粉的摻量.

(2)浸水車轍對比試驗結(jié)果表明,礦粉比例低且細料較少的間斷級配形式,其橡膠瀝青混合料浸水車轍試驗結(jié)果更好, 表明其有更好的抗水損害能力.

(3)與其他改性瀝青混合料相似,橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性受油石質(zhì)量比與空隙率變化的影響較顯著,因此,應嚴格控制混合料的空隙率;對于本試驗的材料和工藝條件, 建議油石質(zhì)量比小于8.9%.

由于試驗數(shù)量的限制,研究成果尚待進一步試驗和現(xiàn)場實際的驗證與修正.作為試驗,研究成果對橡膠瀝青混合料的實際應用僅作為技術(shù)參考.

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