橡膠熱再生混合料低溫性能與細(xì)觀特征研究*

汪海年，張 琛，方 俊，李曉燕，尤占平,3

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；3.密歇根理工大學(xué) 土木工程與環(huán)境學(xué)院，美國(guó) 霍頓 49931)

低溫條件下的瀝青路面破壞往往伴隨著凍融過(guò)程，從而加速了瀝青路面的裂縫產(chǎn)生.橡膠熱再生瀝青混合料就是將橡膠瀝青與熱再生技術(shù)相結(jié)合，從而在一定程度上增強(qiáng)瀝青混合料的低溫柔韌性，減少凍融現(xiàn)象，并具有環(huán)保作用.黃沖[1]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)膠粉熱再生瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，膠粉對(duì)于熱再生瀝青混合料的低溫性能具有促進(jìn)作用.郭朝陽(yáng)[2]在常溫及低溫條件下研究了廢膠粉在瀝青中的改性機(jī)理，其結(jié)果表明,改性瀝青中未溶解的膠粉顆粒可提高其低溫抗裂性能并增強(qiáng)瀝青的彈性恢復(fù)性能.Widyatmoko[3]采用力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)RAP摻量分別為10%， 30%及50%時(shí)6種類型再生瀝青混合料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估.新瀝青的針入度為60～80，并未摻加再生劑.研究結(jié)果表明：再生瀝青混合料與傳統(tǒng)新拌瀝青混合料具有相當(dāng)?shù)穆酚眯阅?Jeong[4]采用動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)(DSR)與色譜凝膠分析(GPC)方法對(duì)7種拌合反應(yīng)時(shí)間、3種拌合溫度、4種膠粉摻量的橡膠粉與瀝青間的相互反應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究表明，反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青的性能影響最為顯著，膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青的流變參數(shù)G*與sinδ有著顯著影響.由此可見(jiàn)，在再生混合料中使用橡膠瀝青，已經(jīng)得到日益廣泛地研究與應(yīng)用.然而，對(duì)于經(jīng)凍融過(guò)程的橡膠熱再生瀝青混合料低溫性能的研究則鮮有報(bào)道.

瀝青混合料自身材料特性及其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)其宏觀力學(xué)行為起著關(guān)鍵作用，同時(shí)對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能也有著非常重要的影響[5].縱觀現(xiàn)行的眾多瀝青混合料低溫性能評(píng)價(jià)方法，仍多限于表象法的室內(nèi)試驗(yàn)，同時(shí)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與其宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系也較少涉及，且缺乏瀝青混合料材料性能的細(xì)觀特征描述，從而導(dǎo)致了統(tǒng)計(jì)指標(biāo)(諸如瀝青用量、空隙率等)相同而各試件力學(xué)性能有較大差異的情況[6].

鑒于此，本研究對(duì)凍融前后的小梁試件分別進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，研究不同膠粉摻量(6.4%，9.2%和14.1%)、不同膠粉細(xì)度(20目，40目和80目)和不同RAP摻量(25%，35%和50%)條件下的橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能.基于工業(yè)CT無(wú)損掃描技術(shù)，對(duì)凍融前后的試件分別進(jìn)行掃描，并根據(jù)處理后的掃描圖像來(lái)定量描述凍融前后試件體積指標(biāo)的變化，從而更好地解釋了橡膠熱再生瀝青混合料的低溫抗裂機(jī)理，促進(jìn)了橡膠熱再生瀝青材料配合比設(shè)計(jì)方法從模糊經(jīng)驗(yàn)到理論實(shí)際的轉(zhuǎn)化.

1 原材料的技術(shù)性能

1.1 RAP料

本研究所采用的RAP料來(lái)自于陜西某高速公路試驗(yàn)段的銑刨舊料，其中銑刨深度為4 cm左右，且盡量保證所取舊料為路面的上面層[7].采用離心抽提法得到的舊瀝青技術(shù)性質(zhì)如表1所示.

表1 舊瀝青的技術(shù)性質(zhì)

根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的篩分試驗(yàn)確定RAP料的級(jí)配如表2所示.

表2 RAP料的級(jí)配

1.2 集料與基質(zhì)瀝青

本研究中的粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r，其技術(shù)性質(zhì)如表3所示.

表3 集料的技術(shù)性質(zhì)

本研究結(jié)合RAP料的老化程度以及陜西地區(qū)氣候特點(diǎn)、交通組成、混合料類型以及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇SK90#瀝青作為基質(zhì)瀝青.相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和要求見(jiàn)表4.

表4 SK90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求

1.3 橡膠瀝青

本研究采用濕法工藝制備橡膠瀝青，以SK90#基質(zhì)瀝青作為調(diào)和瀝青，改性溫度定在180～200 ℃之間，改性時(shí)間為60 min.不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能如表5所示.

由此可知，膠粉的加入使基質(zhì)瀝青的高低溫性能和彈性恢復(fù)性能都有了不同程度的改善[8].

2 低溫性能研究

2.1 試驗(yàn)方法

本文以橡膠瀝青作為熱再生瀝青混合料的調(diào)和瀝青，采用AC-16級(jí)配，以最大彎拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)，采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)研究不同膠粉摻量(6.4%，9.2%和14.1%)、不同膠粉細(xì)度(20目，40目和80目)和不同RAP摻量(25%，35%和50%)條件下經(jīng)凍融過(guò)程的橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能，并確定最佳的RAP摻量、膠粉摻量和膠粉細(xì)度.在試驗(yàn)過(guò)程中，需要制備兩組平行試件，其中一組為經(jīng)過(guò)16 h、18 ℃控溫的凍融試件，另一組為未凍融的試件.將凍融試件在常溫水中保溫12 h后與未凍融試件分別進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[9].

表5 不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能

2.2 不同膠粉摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對(duì)比

本文選取膠粉摻量分別為6.4%，9.2%和14.1%的橡膠熱再生瀝青混合料來(lái)研究不同膠粉摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，RAP摻量為25%，膠粉細(xì)度為80目.此外，本試驗(yàn)還增加了一組RAP摻量為25%的基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料以作對(duì)比.如圖1所示，橫坐標(biāo)膠粉摻量為0則代表RAP摻量為25%的基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料.下降比率則表示凍融后的最大彎拉應(yīng)變相對(duì)于凍融前的下降程度(下同).由圖1可知，膠粉摻量為14.1%的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最大，為32.7%；而膠粉摻量為9.2%的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最小，為10.5%；相對(duì)于基質(zhì)瀝青熱再生混合料來(lái)說(shuō)，膠粉摻量為9.2%的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好的抗低溫性能.因此，考慮到實(shí)際路面受低溫影響時(shí)往往伴隨凍融的現(xiàn)象，結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，膠粉摻量并不一定是越大越好.其原因是瀝青中的膠粉達(dá)到飽和后，多余的橡膠粒會(huì)聚集成團(tuán)狀，且膠粉團(tuán)的內(nèi)部基本沒(méi)有粘結(jié)力，膠粉團(tuán)的自身溶脹能力也隨著溫度的降低而降低，導(dǎo)致橡膠瀝青的延性受阻，從而會(huì)對(duì)橡膠瀝青的低溫性能造成不利影響[10-11].這個(gè)現(xiàn)象也說(shuō)明了橡膠瀝青在某些條件下會(huì)存在一個(gè)最佳膠粉摻量的問(wèn)題，如本研究中所得出的橡膠熱再生瀝青混合料的最佳膠粉摻量為9.2%.

膠粉摻量/%

2.3 不同膠粉細(xì)度的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對(duì)比

本文選取膠粉細(xì)度分別為20目，40目和80目的橡膠熱再生瀝青混合料來(lái)研究不同膠粉細(xì)度的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，RAP摻量為25%，膠粉摻量為9.2%.同樣，本試驗(yàn)增加了一組RAP摻量為25%的基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料以作對(duì)比.結(jié)果如圖2所示，橫坐標(biāo)膠粉細(xì)度為0則代表RAP摻量為25%的基質(zhì)瀝青熱再生混合料.由圖2可知，摻40目膠粉的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最大，為18.7%；而摻80目膠粉的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最小，為10.4%；相對(duì)于基質(zhì)瀝青熱再生混合料來(lái)說(shuō)，摻80目膠粉的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好的抗低溫性能.

膠粉細(xì)度/目

2.4 不同RAP摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對(duì)比

本文選取RAP摻量分別為25%,35%和50%的橡膠熱再生瀝青混合料來(lái)研究不同RAP摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，膠粉細(xì)度為80目，膠粉摻量為9.2%.此外，本試驗(yàn)以同樣RAP摻量的基質(zhì)瀝青熱再生混合料和橡膠熱再生瀝青混合料作對(duì)比試驗(yàn).結(jié)果如圖3和圖4所示.

RAP摻量/%

RAP摻量/%

在圖3中，橫坐標(biāo)RAP摻量為0%代表的是無(wú)RAP料的(采用新集料)基質(zhì)瀝青混合料.由圖3可知，隨著RAP摻量的增大，基質(zhì)瀝青熱再生混合料凍融后的抗低溫性能下降幅度逐漸增大.在圖4中，橫坐標(biāo)RAP摻量為0%代表的是無(wú)RAP料的(采用新集料)橡膠瀝青混合料.由圖4可知，當(dāng)RAP摻量為35%時(shí)，橡膠熱再生瀝青混合料凍融后的抗低溫性能下降比率最大.

為了作一個(gè)定量的對(duì)比，將不同RAP摻量的基質(zhì)瀝青熱再生混合料和橡膠熱再生瀝青混合料凍融后的抗低溫性能下降比率進(jìn)行匯總，如圖5所示.

由圖5可知，橡膠瀝青熱再生混合料相對(duì)基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料有更優(yōu)越的抗低溫性能.尤其考慮到路面經(jīng)受低溫影響時(shí)往往伴隨著凍融的現(xiàn)象，橡膠瀝青熱再生混合料經(jīng)凍融后的低溫性能下降較小，且相對(duì)基質(zhì)瀝青熱再生混合料來(lái)說(shuō)具有更好的耐久性及抗低溫性能[11].

RAP摻量/%

3 細(xì)觀特征研究

基于工業(yè)CT無(wú)損掃描技術(shù)，對(duì)凍融前后的試件分別進(jìn)行掃描，并以閉口空隙為控制指標(biāo)來(lái)定量描述凍融前后試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，從而更好地表征橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能[12].

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)以上的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳RAP摻量為25%，膠粉細(xì)度80目，膠粉摻量為9.2%，并在室內(nèi)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，相關(guān)材料技術(shù)指標(biāo)同上.采用YXLON Compact-225型工業(yè)CT對(duì)成型后的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行掃描，其中：掃描電壓為200 kV，掃描電流為0.6 mA，投影數(shù)為1 080，積分時(shí)間為700 ms，掃描時(shí)間為16 min.

3.2 結(jié)果分析

為了更方便地研究?jī)鋈谇昂笤嚰淖兓?，本研究取凍融前后的同一截面掃描圖進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.

空隙體積范圍/mm2

空隙體積范圍/mm2

對(duì)比凍融前后的截面圖，可發(fā)現(xiàn)凍融后的空隙率明顯變大．為了做一個(gè)定量分析，本文采用該工業(yè)CT的專用圖像分析軟件VG Studio MAX(以下簡(jiǎn)稱VG)對(duì)其閉口空隙率進(jìn)行計(jì)算.由于VG軟件包含CT掃描的所有原始數(shù)據(jù)，故其對(duì)閉口空隙率的計(jì)算并不影響其最終結(jié)果.以每25 mm3為一個(gè)體積區(qū)間，對(duì)VG軟件的空隙率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得凍融前后試件空隙體積范圍分布如圖7所示.

(a)凍融前

(b)凍融后

由圖7可知，凍融前的試件空隙主要分布在0～75 mm3范圍內(nèi)，采用VG軟件計(jì)算其閉口空隙率為2.9%；凍融后的試件空隙體積也主要分布在0～75 mm3范圍內(nèi)，但是相對(duì)于凍融前的空隙分布，在0～25 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量減少了13.8%，而在25～50 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量則增加了62.9%. 再對(duì)凍融后的試件進(jìn)行閉口空隙率計(jì)算，得其空隙率為3.49%，比凍融前增大了20.3%.

4 結(jié) 論

1) 相對(duì)于基質(zhì)瀝青熱再生混合料來(lái)說(shuō)，膠粉摻量為9.2%，膠粉細(xì)度為80目，RAP摻量為25%的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好地抗低溫性能.尤其考慮到路面經(jīng)受低溫影響時(shí)往往伴隨著凍融的現(xiàn)象，橡膠熱再生瀝青混合料經(jīng)過(guò)凍融后的低溫性能下降較小，相對(duì)基質(zhì)瀝青熱再生混合料有更好地耐久性與低溫抗裂性能.

2) 基于工業(yè)CT無(wú)損掃描技術(shù)，分別對(duì)橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的試件進(jìn)行了掃描，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凍融后試件的閉口空隙率增大了20.3%，且在0～25 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量減少了13.8%，在25～50 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量則增加了62.9%.

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