橡膠顆粒瀝青混合料的穩(wěn)定性能

翟科瑋，楊建峰，李文杰，梁 斌

(1.洛陽市農(nóng)村公路管理處，河南洛陽471002;2.河南科技大學規(guī)劃與建筑工程學院，河南洛陽471023)

0 引言

新型橡膠顆粒瀝青混凝土材料，是將廢舊的橡膠輪胎破碎成具有一定形狀和粒徑的顆粒，代替部分細集料。以集料的形式摻入瀝青混合料中修筑路面，是廢舊輪胎回收利用的主要途徑之一，也是近年來的熱點研究領域[1-3］。橡膠顆粒瀝青混凝土路面具有許多改良的路用性能，如延性好、抗裂性能強、吸收能量高等性能。由于橡膠顆粒的高彈性，橡膠顆粒瀝青混合料修筑的路面具有良好的降噪效果[4］。因為有高彈性橡膠顆粒的存在，橡膠顆粒瀝青路面表面冰層的受力狀態(tài)得到改變，在行駛車輛荷載的作用下能夠抑制路面結冰，為寒冷地區(qū)抑制路面結冰提供了新的方案[5-7］。目前，橡膠顆粒瀝青混合料的研究主要集中于間斷級配，其他類型級配為基礎的橡膠顆粒瀝青混合料的研究還很少[8］。

本文中橡膠顆粒瀝青混合料采用連續(xù)級配集料和改性瀝青，對混合料的成型工藝、馬歇爾穩(wěn)定度和高溫穩(wěn)定性進行了室內(nèi)試驗，室內(nèi)試驗的結果表明:廢舊橡膠顆粒瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和高溫穩(wěn)定性均得到提高，性能優(yōu)于普通連續(xù)密級配AC瀝青路面。

1 橡膠顆粒瀝青混合料原材料檢測與試驗級配

1.1 混合料原材料技術性能

根據(jù)公路試驗規(guī)程(JTG E42—2005)[9］要求，在進行配合比設計過程中，應選用表面干燥、潔凈無雜質(zhì)、粗糙的石灰?guī)r作為粗、細集料，以及潔凈干燥的石灰石礦粉。按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求[10］，檢測粗集料的各項技術指標，測試的各項物理力學指標見表1。在表1中，表觀相對密度γa為集料的表觀密度與同溫度水的密度比值;毛體積相對密度γb為毛體積密度與同溫度水的密度比值;粗集料中細長的針狀顆粒與扁平的片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)為Qe;按規(guī)定方法測得的石料抵抗壓碎的能力，以壓碎試驗后小于規(guī)定粒徑的石料的質(zhì)量分數(shù)Qa表示;顆粒粒徑小于0.075 mm的集料的質(zhì)量分數(shù)為Q0.075。

試驗所用細集料為石屑，其表觀相對密度γa為2.653，砂當量值SE為62.1;礦粉的表觀相對密度γa為2.802，塑性指數(shù)為3.202。橡膠顆粒采用常溫粉碎法生產(chǎn)，并選用粒徑為1～2 mm和2～4 mm的兩種規(guī)格。試驗用基質(zhì)瀝青為克拉瑪依A級道路石油瀝青，參數(shù)指標見表2，其中，針入度(25℃，100，5 s)是指標準試驗條件為溫度25℃，試驗用針及其附屬砝碼的總質(zhì)量為100 g，貫入時間5 s，以0.1 mm為單位標準針的貫入深度;延度(15℃)為規(guī)定形態(tài)的瀝青試樣，在15℃條件下以一定速度受拉伸至斷開時的長度，以cm表示。改性瀝青為SBS改性瀝青，參數(shù)指標見表3。表2、表3中各試驗項目及技術參數(shù)詳見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[11］。

表1 粗集料各參數(shù)指標

表2 基質(zhì)瀝青參數(shù)指標

表3 SBS改性瀝青參數(shù)指標

1.2 混合料級配組成設計

瀝青混合料級配主要有連續(xù)級配、間斷級配、開級配和半開級配等，不同的級配之間存在著力學性能差異。由于橡膠顆粒的密度比粗細集料小，在橡膠顆粒瀝青混合料時拌合過程中可能會發(fā)生離析，影響到混合料的均勻性，因此，應根據(jù)離析的程度選用合適的級配類型。在連續(xù)級配中，由于粗集料相對較少，在混合料拌合過程中集料的離析程度通常較低，因此，在路面設計規(guī)范中常常把連續(xù)級配作為首選。

本項目試驗結合成功的工程實例，選擇連續(xù)密實級配AC-13為基礎級配，不同檔次的粗集料和細集料混合而成的合成級配的篩孔通過率見表4，表4中數(shù)據(jù)為試驗所用合成級配通過不同篩孔粒徑的質(zhì)量分數(shù)。在該級配基礎上，橡膠顆粒摻入到瀝青混合料中，其占干集料的質(zhì)量分數(shù)為1% ～3%，同時測試混合料的各項力學性能。

表4 合成級配

2 橡膠顆粒瀝青混合料馬歇爾試驗研究

2.1 橡膠顆粒瀝青混合料成型工藝研究

瀝青混合料成型方法通常有馬歇爾擊實法、振動成型法、選擇壓實法和輪碾法等[12-14］。其中，馬歇爾擊實法操作相對簡單實用，本試驗采用馬歇爾擊實法制作試件，同時，采用馬歇爾試驗確定橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比。

由于橡膠顆粒瀝青混合料中橡膠顆粒的存在，降低了馬歇爾試件的密實度。有效提高試件密實度是試件成型的關鍵之一，試驗中采用一次成型試件和二次成型試件進行對比研究[15-16］?；旌狭系陌韬蠝囟葹?70℃，馬歇爾一次成型時，擊實溫度控制在150～160℃，兩面分別擊實75次;馬歇爾二次成型時，第1次擊實溫度為150～160℃，兩面分別擊實50次，第2次擊實溫度為80℃，兩面分別擊實25次。

根據(jù)設計的最佳油石比，本試驗中橡膠顆粒摻量占干集料的質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%和3%，橡膠顆粒粒徑為2～4 mm;油石比是指瀝青混凝土中瀝青與礦料的質(zhì)量之比，試驗中取油石比為5.3%，并按照規(guī)范要求進行混合料拌合。馬歇爾穩(wěn)定度為按規(guī)定條件采用馬歇爾試驗儀測定的瀝青混合料所能承受的最大荷載，單位kN;流值為馬歇爾試驗時相應于最大荷載時試件的豎向變形，單位mm。表5和表6分別給出了一次成型方法和二次成型方法的馬歇爾試驗結果，各項試驗指標詳見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[11］。

表5 一次成型馬歇爾試件體積參數(shù)及力學指標

表6 二次成型馬歇爾試件體積參數(shù)及力學指標

試驗結果表明:采用二次成型方法時，橡膠顆粒被嵌擠在粗集料之間，并由于瀝青的黏結束縛作用，使橡膠顆粒瀝青混合料被壓實。與一次成型時相比，二次成型混合料的回彈率已經(jīng)大為減小，馬歇爾試件的空隙率也相應減小。二次成型方法能有效改善混合料的密實度，同時使馬歇爾穩(wěn)定度有一定的提高，空隙率和回彈變形也減小，因此，橡膠顆粒瀝青混合料應選用二次成型作為成型方法。

2.2 不同橡膠顆粒瀝青混合料性能比較

橡膠顆粒的摻入使混合料產(chǎn)生溶脹作用，會改變?yōu)r青的部分性能，而SBS改性瀝青比基質(zhì)瀝青的黏結性強，因此，試驗中采用SBS改性瀝青，并選用粒徑為1～2 mm的橡膠顆粒。進行馬歇爾試驗時，試驗中取油石比為5.3%，拌合溫度為170℃，原材料的投放順序不變，選用二次擊實法成型馬歇爾試件。表7給出了馬歇爾試驗各項技術指標，各項試驗指標詳見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[11］。

表7 馬歇爾試驗體積參數(shù)及力學指標

試驗結果表明:當采用1～2 mm小粒徑橡膠顆粒時，馬歇爾穩(wěn)定度有一定的提高;同時，由于采用了SBS改性瀝青作為膠凝材料，增強了瀝青與礦料的黏結作用，對馬歇爾穩(wěn)定度的提高也起到了一定的促進作用。

3 橡膠顆粒瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗研究

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是用來評價在夏季高溫的條件下，瀝青路面在車輛荷載長期作用下產(chǎn)生的推移和車轍等病害[17］。有多種方法可以評價混合料的高溫穩(wěn)定性，本項目采用規(guī)范推薦的車轍試驗來評價橡膠顆粒瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

車轍試驗材料仍按照設計級配，選用1～2 mm的橡膠顆粒，橡膠顆粒的摻量分別為1%、2%、3%。試驗時車轍板的制作應符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052—2000)[11］的要求，按照規(guī)范T0703要求采用輪碾機制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板。

將車轍板放入車轍試驗機內(nèi)，溫度設定為60℃，保溫時間為6 h。將帶有試模的車轍板安放于支撐架中部，同時使橡膠輪的行走方向與車轍板成型時的方向一致。開啟啟動按鈕，開始進行試驗，計算機將記錄每一時刻車轍板的變形。當試驗時間達到1 h，或者未達到規(guī)定的時間但變形已經(jīng)超過25 mm時，試驗機將自動停止，此時可以讀取數(shù)據(jù)并計算動穩(wěn)定度。橡膠顆粒瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度計算如式(1)所示，車轍試驗結果見表8，其中，45 min車轍板沉陷深度為H45;60 min車轍板沉陷深度為H60;車轍輪碾壓次數(shù)為DS。

式中，d1為相對于時間t1的車轍板沉陷量，mm;d2為相對于時間t2的車轍板沉陷量，mm;C1為試驗機類型修正因數(shù)，當設備為曲柄連桿驅(qū)動試件時，其值取1;C2為試件因數(shù)，當在實驗室制備寬300 mm的試件時，其值為1.0;N為試驗橡膠輪往返碾壓的速度，一般取42 min-1。

表8 橡膠顆粒瀝青混合料車轍試驗數(shù)據(jù)表

試驗結果表明:橡膠顆粒瀝青混合料中由于橡膠顆粒的存在，在車轍試驗初期，在橡膠輪的作用下變形量稍大，復現(xiàn)性不好，試驗數(shù)據(jù)誤差大。車轍試驗后期，變形趨于平穩(wěn)，可采集數(shù)據(jù)來分析橡膠顆粒瀝青混合料的抗車轍能力。

動穩(wěn)定度是衡量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的重要指標，混合料的動穩(wěn)定性越高，其抗車轍的能力就越強，高溫穩(wěn)定性就越好。在橡膠顆粒瀝青混合料中，由于橡膠顆粒的存在，類似一個小預應力塊，提高了混合料抵抗外力的能力，從而使混合料的抗車轍能力得到較大的改善。參照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》關于瀝青混合料動穩(wěn)定度的技術要求，該橡膠顆粒瀝青混合料可用于夏涼區(qū)的高速公路和一級公路的面層。

4 結束語

研究表明:橡膠顆粒瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，馬歇爾穩(wěn)定度有所降低，流值稍微偏大。當采用二次成型工藝時，橡膠顆粒瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度有顯著的提高。橡膠顆粒粒徑過大會影響到其與瀝青的黏接，因此，需要選擇粒徑較小的橡膠顆粒。改性瀝青能提高瀝青和橡膠顆粒、集料之間的黏結力，使橡膠顆粒瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度得到提高。橡膠顆粒瀝青混合料的動穩(wěn)定度較普通瀝青混合料有所提高，隨著橡膠顆粒摻量的增加，動穩(wěn)定度隨之提高，改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)馬歇爾試驗和高溫穩(wěn)定性試驗的結果，廢舊輪胎橡膠顆粒代替部分細集料摻入連續(xù)級配瀝青混合料是可行的，本橡膠顆粒瀝青混合料可用于高速公路和一級公路的面層。

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