橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)關(guān)鍵影響因素研究

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(江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

1 前言及工程概況

橡膠瀝青技術(shù)可以有效改善瀝青混合料的路用性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命，延緩路面反射裂縫的形成，改善行車安全，降低交通噪音。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，人們對(duì)于膠粉的改性機(jī)理、橡膠瀝青結(jié)合料的制備與性能評(píng)價(jià)、混合料設(shè)計(jì)與路用性能等都缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。在工程應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)各種問(wèn)題，如施工難度大，難以壓實(shí)，高溫穩(wěn)定性不足，瀝青用量過(guò)多造成的建造成本過(guò)高等。

本文以某城市繞城高速公路為實(shí)際案例對(duì)廢胎膠粉改性瀝青應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究。公路全長(zhǎng)37.2km，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h。由于沿線居民區(qū)較多，為了節(jié)能降噪，上面層采用橡膠瀝青路面。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文對(duì)20 目和40 目橡膠瀝青進(jìn)行研究，分別對(duì)應(yīng)添加礦粉和不添加礦粉，以及是否控制膠粉干涉區(qū)間。試驗(yàn)涉及影響因素為:膠粉目數(shù)、礦粉含量、2.36～4.75 mm 比例。

2.1 橡膠瀝青混合料體積指標(biāo)分析

借鑒SMA 混合料配合比設(shè)計(jì)中瀝青用量的計(jì)算，初擬瀝青用量，空隙率取4%，借鑒并修正最佳油石比公式如下

式中:Qb為最佳油石質(zhì)量比;Qr為膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(與集料之比);Gr為膠粉有效密度;α 為考慮橡膠瀝青溶脹效應(yīng)的體積修正系數(shù);Gb為瀝青的密度;Gsb為集料的密度;C 為合成礦料的瀝青吸收系數(shù);W 為集料的吸水率。

2.2 試驗(yàn)材料和儀器

試驗(yàn)所用橡膠瀝青為20 目、40 目，基質(zhì)瀝青為道路A級(jí)70 號(hào)，膠粉種類為斜交胎，膠粉瀝青摻加比例為18∶82。制備工藝為180 ℃下，低速攪拌1 h。橡膠瀝青性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 橡膠瀝青指標(biāo)

本文借鑒美國(guó)成熟橡膠瀝青級(jí)配，采用高比例粗集料的級(jí)配特點(diǎn)，以形成骨架結(jié)構(gòu)。粗集料選取玄武巖。細(xì)集料采用機(jī)制石灰?guī)r。各種集料基本性能見(jiàn)表2 和3。礦粉為機(jī)制石灰?guī)r，視密度為2.702 g/cm3。橡膠瀝青混合料配合比見(jiàn)表4。

表2 粗集料指標(biāo)

表3 細(xì)集料指標(biāo)

表4 橡膠瀝青混合料配合比

20 目膠粉顆粒主要與2.36～4.75 mm 檔發(fā)生干涉作用，A、B 分別對(duì)應(yīng)高、低比例(5%，8%)。40 目膠粉顆粒主要與0.6～2.36 mm 檔發(fā)生干涉作用，D、E 分別對(duì)應(yīng)高、低(12%，7%)。C、F 兩種級(jí)配為礦粉含量為0 的斷級(jí)配。

室內(nèi)成型的橡膠瀝青混合料使用自動(dòng)拌和機(jī)拌合，拌合時(shí)間180 s+90 s，每組試件個(gè)數(shù)4～6 個(gè)。拌合溫度175 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 體積指標(biāo)分析

經(jīng)過(guò)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)，所對(duì)應(yīng)的體積指標(biāo)見(jiàn)表5。

從表中數(shù)據(jù)不難看出，40 目橡膠瀝青的壓實(shí)難度要低于20 目橡膠瀝青。

對(duì)于20 目橡膠瀝青混合料，2.36～4.75 mm 檔百分比含量對(duì)于體積參數(shù)和最佳油石比影響明細(xì)。圖1 說(shuō)明，在固定油石比6.8%條件下，橡膠瀝青混合料的空隙率隨該檔含量增加而增加，證明20 目橡膠瀝青與該檔集料的干涉作用明顯，應(yīng)該嚴(yán)格控制該檔含量。對(duì)于40 目橡膠瀝青，0.6～2.36 mm 檔百分比對(duì)體積參數(shù)和最佳油石比影響明顯。圖2 說(shuō)明，在保持油石比6.7%條件下，橡膠瀝青混合料的空隙率隨著該檔含量的增加而增加，證明應(yīng)該控制該檔含量。

表5 橡膠瀝青混合料體積指標(biāo)

圖1 2.36～4.75 檔集料比例對(duì)混合料空隙率的影響

圖2 0.6～2.36 mm 檔集料比例對(duì)混合料空隙率的影響

3.2 高溫性能試驗(yàn)

本文采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)試件的高溫穩(wěn)定性。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTE20－2011 進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度

可見(jiàn)對(duì)于同一級(jí)配類型，20 目橡膠瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度整體遜于40 目橡膠瀝青，這主要因?yàn)?(1)40 目膠粉細(xì)度高，與瀝青的融合更好，改性作用更佳;(2)40 目橡膠瀝青對(duì)集料的干涉作用更小，形成的瀝青膜與集料的粘結(jié)性更好。

不使用礦粉會(huì)導(dǎo)致混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，適當(dāng)?shù)募尤氲V粉有利于混合料的高溫穩(wěn)定性。這可能是以下原因:(1)礦粉的添加降低了混合料的空隙率，從而提高了混合料的高溫性能;(2)礦粉的添加有助于瀝青膠漿的形成，從而提高粘結(jié)性和強(qiáng)度。

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料的低溫性能，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTE20－2011 進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 低溫彎曲試驗(yàn)

可見(jiàn)橡膠瀝青混合料的低溫性能較好，不添加礦粉會(huì)導(dǎo)致橡膠瀝青混合料低溫性能的降低，其原因可能是礦粉缺失不利于瀝青膠漿的形成，從而降低低溫性能。膠粉目數(shù)對(duì)橡膠瀝青混合料低溫性能的影響不如瀝青含量的影響大。

3.4 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

本文采用凍融劈裂實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定行。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTE20－2011 進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 凍融劈裂

橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性能滿足路用要求。膠粉目數(shù)的提高有利于改善橡膠瀝青的水穩(wěn)定性能。其次，可以看出由于膠粉目數(shù)的提高，橡膠瀝青的低溫延度較大，這對(duì)混合料的水穩(wěn)定性也有益。同時(shí)，由于橡膠顆粒的彈性，橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性整體上要優(yōu)于普通瀝青混凝土。

4 結(jié) 論

(1)級(jí)配設(shè)計(jì)中，對(duì)不同膠粉目數(shù)的橡膠瀝青必須考慮其干涉區(qū)間，對(duì)干涉區(qū)間進(jìn)行高、中、低比例設(shè)計(jì)，除干涉區(qū)間外，對(duì)4.75 mm 檔通過(guò)率也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)限制。

(2)礦粉的添加對(duì)于橡膠瀝青混凝土有很大的益處，一方面可以降低混合料的空隙率，另一方面也有利于混合料提高強(qiáng)度和保持穩(wěn)定性。

(3)40 目膠粉橡膠瀝青混合料的高低溫性能整體上要優(yōu)于20 目膠粉橡膠瀝青混合料，同時(shí)施工難度也相對(duì)較低。

［1］張小英，徐傳杰，孔憲明.廢橡膠粉改性瀝青研究綜述［J］.石油瀝青，2004，18(4):9－13.

［2］曹桂昌.廢橡膠粉改性瀝青性能極其影響因素研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2008.

［3］黃文元.輪胎橡膠粉改性瀝青路用性能及應(yīng)用研究［D］.同濟(jì)大學(xué)博士論文，2004.

［4］陳翔.橡膠瀝青及其混合料性能研究［D］.長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2011.