橡膠瀝青混合料施工性能研究

譚繼宗，黃　剛，謝路璐

(1.廣西大學(xué)，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西　南寧　530007；3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

?

橡膠瀝青混合料施工性能研究

譚繼宗1，2，黃剛2，3，謝路璐2，3

(1.廣西大學(xué)，廣西南寧530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西南寧530007；3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

譚繼宗(1985—)，工程師，主要從事道路工程科研及檢測工作；

黃剛(1987—)，助理工程師，主要從事道路工程科研及檢測工作；

謝路璐(1984—)，助理工程師，主要從事道路工程試驗檢測工作。

西部交通建設(shè)科技項目“薄層橡膠瀝青在北部灣水泥路面中的應(yīng)用技術(shù)研究”(編號：2011 318 788 1280)

摘要：為了研究橡膠瀝青混合料的施工性能，文章對不同旋轉(zhuǎn)粘度的橡膠瀝青混合料的馬歇爾體積參數(shù)進(jìn)行了研究，并通過試驗?zāi)M分析高溫生產(chǎn)工藝對橡膠瀝青混合料老化性能的影響。試驗結(jié)果表明：不同粘度的橡膠瀝青對應(yīng)不同的拌和溫度，短時間的存儲有利于提高橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青；拌和溫度；老化模擬；施工性能

0引言

美國Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)中認(rèn)為普通瀝青混合料施工溫度可通過黏溫曲線進(jìn)行確定，認(rèn)為適合拌和及壓實的黏度區(qū)間分別為0.17±0.02 Pa·s及0.28±0.03 Pa·s，但認(rèn)為黏溫曲線并不適用于傳統(tǒng)橡膠瀝青混合料。橡膠瀝青膠漿均具有非牛頓流體特性，由于非牛頓流體黏度具有頻率依賴性及時間依賴性，因此采用黏溫曲線并不能有效確定其施工溫度，并且橡膠瀝青在瀝青混合料的拌和、攤鋪及碾壓整個施工過程中存在老化現(xiàn)象。瀝青材料的老化現(xiàn)象是影響瀝青路面使用質(zhì)量和壽命的最主要因素之一，因而充分考慮老化因素對橡膠瀝青混合料性能的影響顯得非常重要。

1原材料及橡膠瀝青混合料級配

1.1　基質(zhì)瀝青

加工橡膠瀝青所用的基質(zhì)瀝青為TIPCO-70#A級道路石油瀝青，該瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

表1　TIPCO-70#A級道路石油瀝青各項性能試驗結(jié)果表

1.2　橡膠粉

所用橡膠粉為廣西交通科學(xué)研究院所產(chǎn)的30~80目橡膠粉，胎源全部為900 mm以上的大貨車輪胎，經(jīng)常溫研磨工藝加工而成。其物理和化學(xué)技術(shù)指標(biāo)如表2~3所示。

1.3　熱料倉各檔礦料密度和篩分結(jié)果

橡膠瀝青混合料所用熱料共有4種規(guī)格，分別為0~3 mm、3~6 mm、6~10 mm和10~16 mm。各規(guī)格熱

料和礦粉密度測試結(jié)果見表4所示，篩分結(jié)果見表5所示。

表2　橡膠粉物理指標(biāo)檢測結(jié)果表

表3　橡膠粉化學(xué)指標(biāo)檢測結(jié)果表(%)

表4　粗集料的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果表

表5　礦料篩分試驗結(jié)果表

1.4　橡膠瀝青混合料級配設(shè)計

采用ARAC-13(G)橡膠瀝青混合料，設(shè)計方法采用馬歇爾試驗的體積設(shè)計方法進(jìn)行，最終確定最佳油石比為5.4%，最終推薦的生產(chǎn)配合比如表6和表7所示，所設(shè)計的ARAC-13(G)橡膠瀝青混合料的體積指標(biāo)如表8所示：

表6　生產(chǎn)配合比礦料比例和油石比數(shù)值表

表7　礦質(zhì)混合料合成級配表

表8　ARAC-13(G)的體積指標(biāo)表

2不同旋轉(zhuǎn)黏度的橡膠瀝青混合料拌和溫度確定

膠粉摻量分別取16%、21%、23.5%及24.5%，不同膠粉摻量條件下制備的橡膠瀝青混合料黏度如表9所示。為研究目前作為核心指標(biāo)的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度及粉膠比與橡膠瀝青混合料拌和溫度之間的關(guān)系，對采用表9中不同黏度結(jié)合料的橡膠瀝青混合料進(jìn)行擊實試驗，試驗過程中每組瀝青混合料均采用2組油石比，擊實次數(shù)為雙面75擊。不同溫度條件下橡膠瀝青混合料空隙率與拌和溫度關(guān)系如圖1~4所示。

表9　不同橡膠瀝青旋轉(zhuǎn)黏度數(shù)值表

圖1　A型橡膠瀝青混合料試件空隙率曲線圖

圖2　B型橡膠瀝青混合料試件空隙率曲線圖

圖3　C型橡膠瀝青混合料試件空隙率曲線圖

圖4　D型橡膠瀝青混合料試件空隙率曲線圖

由圖1~4可以看出，對于具有不同粉膠比及采用不同黏度結(jié)合料的橡膠瀝青混合料而言，其施工溫度與混合料試件空隙率之間的規(guī)律存在差異性，主要影響規(guī)律如下：

(1)黏度對橡膠瀝青混合料適宜拌和溫度區(qū)間的影響十分明顯，隨著結(jié)合料黏度的升高，拌和溫度對空隙率的影響愈發(fā)敏感。對于采用黏度為1 Pa·s的A型混合料而言，在170 ℃~200 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，拌和溫度對混合料空隙率影響程度較小；對于B型瀝青混合料，拌和溫度在180 ℃~205 ℃之間時，空隙率受拌和溫度影響較?。欢?dāng)黏度進(jìn)一步增加時，拌和溫度對混合料空隙率的影響更為明顯，對于C型及D型混合料其拌和溫度需分別大于185 ℃及190 ℃，拌和溫度對混合料空隙率的影響程度才得以降低。

(2)對于橡膠瀝青混合料而言，過低的施工溫度會導(dǎo)致壓實困難，而過高的溫度則有可能導(dǎo)致膠粉降解加速。最終認(rèn)為對于結(jié)合料180 ℃黏度區(qū)間為1~3 Pa·s的橡膠瀝青混合料，拌和溫度宜控制在170 ℃~185 ℃；對于結(jié)合料180 ℃黏度區(qū)間為3~5 Pa·s的瀝青混合料，拌和溫度宜控制在180 ℃~190 ℃；對于結(jié)合料黏度>5 Pa·s的瀝青混合料，拌和溫度宜>185 ℃；當(dāng)黏度過大導(dǎo)致拌和溫度需>190 ℃以上的瀝青混合料，宜對結(jié)合料采用降黏處理以防止拌和溫度過高而導(dǎo)致混合料性能衰減。

3短期老化對橡膠瀝青混合料性能的影響

3.1　橡膠瀝青混合料儲存試驗方案

由于普通的瀝青混合料出料溫度一般都控制在155 ℃~160 ℃左右，瀝青混合料拌和、運輸、攤鋪、碾壓直到開放交通的過程是一個溫度降低的過程，這個過程的長短隨著工藝、機(jī)械、運距、操作水平等因素的影響而不同，已有研究表明，采用135 ℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱加熱與這個過程相當(dāng)。而橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)溫度相對普通瀝青混合料要高20 ℃左右，采用同樣的溫度顯然不符合實際生產(chǎn)條件，所以可按下頁表10的設(shè)計方案模擬高溫對橡膠瀝青混合料老化的影響。

把拌和好的瀝青混合料盛入事先準(zhǔn)備好的搪瓷盤中，并按規(guī)范要求的松鋪量(21~22 kg/m2)進(jìn)行松鋪，然后將松鋪好的瀝青混合料放上標(biāo)簽，放入能進(jìn)行強(qiáng)制鼓風(fēng)的烘箱中進(jìn)行老化，老化溫度定為165 ℃±2 ℃，老化過程中每隔1 h應(yīng)對瀝青混合料進(jìn)行翻料一次，由于烘箱內(nèi)各層溫度可能不同，應(yīng)時常調(diào)擺放位置。

表10　橡膠瀝青混合料存儲試驗方案表

3.2　存儲時間對橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

橡膠瀝青混合料在室內(nèi)拌和完成后，按照試驗方案，在165 ℃強(qiáng)制通風(fēng)的條件下，分別老化0~10 h，間隔2 h按規(guī)范要求成型馬歇爾試件，然后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗。浸水馬歇爾試件空隙率在3.9%~4.3%，穩(wěn)定度在11~13 kN之間；凍融劈裂試件的空隙率在7.3%~7.8%，劈裂強(qiáng)度在0.5~0.8 MPa。試驗結(jié)果見表11~12。

表11　浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果數(shù)值表

表12　凍融劈裂試驗結(jié)果數(shù)值表

由表11~12可以看出，橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著存儲時間的延長，表現(xiàn)出一定的規(guī)律：

(1)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著存儲時間的延長，水穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

(2)在0~4 h的老化時間內(nèi)，橡膠瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比一直在上升，殘留穩(wěn)定度指標(biāo)從97%提高到106%，提高了10%左右；凍融劈裂強(qiáng)度比從81%提高到97.9%，提高了20%。這說明橡膠瀝青混合料在165 ℃的老化條件下，水穩(wěn)定性能不斷提高且效果較為明顯，主要的原因是橡膠粉與基質(zhì)瀝青的共混反應(yīng)在混合料的拌和、存儲及運輸這個過程中繼續(xù)發(fā)生，兩者共混程度的增大直接影響橡膠瀝青的性能，從而提高了混合料的水穩(wěn)定性能。

(3)隨著老化時間的延長，從4 h增加到10 h，殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比急劇降低，殘留穩(wěn)定度指標(biāo)從106%降低到86.9%，降低了約17.0%；而凍融劈裂強(qiáng)度比從97.9%降到75.2%，降低了23%。按照殘留穩(wěn)定度不低于85%及凍融劈裂強(qiáng)度比不低于80%的設(shè)計要求，殘留穩(wěn)定度指標(biāo)仍符合設(shè)計要求，而凍融劈裂強(qiáng)度比在老化8 h后低于設(shè)計指標(biāo)。

3.3　老化時間對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

按照老化試驗方案，對施工現(xiàn)場拌和的瀝青混合料及室內(nèi)新拌和的混合料進(jìn)行漢堡車轍試驗，研究混合料老化時間對高溫性能的影響，試驗方案如下，試驗結(jié)果見圖5。

方案A：從施工現(xiàn)場運料車中取回的混合料二次加熱后在165 ℃下養(yǎng)生0~10 h，間隔2 h成型車轍試件，在60 ℃空氣浴下進(jìn)行20 000次漢堡車轍試驗；

方案B：試驗室內(nèi)按設(shè)計的配合比拌好混合料后，在165 ℃下養(yǎng)生0~10 h，間隔2 h成型車轍試件，在60 ℃空氣浴下進(jìn)行20 000次漢堡車轍試驗；

方案C：試驗室內(nèi)按設(shè)計的配合比拌好混合料后，在165 ℃下養(yǎng)生0~10 h，間隔2 h成型車轍試件，在50 ℃下進(jìn)行20 000次浸水漢堡車轍試驗。

圖5　老化時間對混合料高溫穩(wěn)定性能的影響示意圖

圖5為不同老化時間的漢堡車轍的折線圖，由圖5可以看出，橡膠瀝青混合料的高溫性能隨老化時間的延長呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，通過分析得出以下幾點結(jié)論：

(1)同一老化水平作用下，方案A的車轍深度小于方案B和方案C，主要的原因是方案A的橡膠瀝青混合料進(jìn)行了二次加熱，而且加熱達(dá)到能夠碾壓的時間需要4~6 h，甚至更長的時間，二次加熱過程加劇了混合料的老化程度，混合料的抗車轍能力增大；

(2)同一老化水平作用下，50 ℃浸水漢堡試驗的車轍深度遠(yuǎn)大于60 ℃的空氣浴漢堡車轍深度，這說明了水和高溫的耦合作用對橡膠混合料的抗車轍能力影響很大，水在瀝青混合料中起到潤滑的作用，降低了瀝青與礦料的黏附性，使得混合料的抗剪能力變?nèi)?，抗車轍能力變小；

(3)0~6 h的短期老化，三個方案的混合料抗車轍能力都表現(xiàn)出隨著老化時間延長而增大的規(guī)律。在前面也提到，橡膠瀝青混合料在高溫存儲下，不僅存在著橡膠瀝青的老化過程，還存在著橡膠顆粒的溶脹反應(yīng)，這兩個因素的存在都能提高橡膠瀝青混合料的勁度模量，從而提高瀝青混合料的高溫性能；

(4)當(dāng)老化時間>6 h后，橡膠瀝青混合料的抗車轍能力減弱，與別的學(xué)者研究的不同種類改性瀝青的規(guī)律不同，可能是因為橡膠瀝青只有部分膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青共混，混合料在165 ℃的高溫存儲下，薄膜狀態(tài)的橡膠瀝青中的輕質(zhì)組分更容易揮發(fā)，瀝青膜變得更薄，使得集料之間的黏聚力減弱，抗剪能力下降，造成高溫穩(wěn)定性能下降。

4結(jié)語

(1)橡膠瀝青結(jié)合料具有典型的非牛頓流體特性，傳統(tǒng)的各類瀝青混合料施工溫度確定方法并不適用于橡膠瀝青混合料，通過建立拌和溫度、橡膠瀝青黏度及空隙率之間的關(guān)系確定了不同黏度橡膠瀝青制備的混合料的最佳拌和溫度。

(2)橡膠瀝青結(jié)合料性能的變化不僅表現(xiàn)在制備及存儲階段，同樣存在于橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)階段。短時間的存儲有利于提高橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性。

(3)瀝青混合料老化的主體是瀝青結(jié)合料，集料的組成、瀝青與集料的相互作用對瀝青混合料的老化也起著重要作用，而橡膠瀝青混合料由于膠粉的存在，其老化的因素變得更加復(fù)雜，溫度等環(huán)境因素在室內(nèi)很難模擬。采用165 ℃對橡膠瀝青混合料進(jìn)行短期老化的科學(xué)性及老化機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王旭東.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]JTJ052-2000，瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[3]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

Research on Construction Performance of Rubber Asphalt Mixtures

TAN Ji-zong1，2，HUANG Gang2，3，XIE Lu-lu2，3

(1.Guangxi University，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007； 3.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：In order to study the construction performance of rubber asphalt mixtures，this article studied the Marshall volume parameters of rubber asphalt mixtures with different rotational viscosity，and analyzed the effects of high temperature production process on the aging performance of rubber asphalt mixtures through experimental simulations.The experimental results showed that：the rubber asphalt of different viscosity cor-responds to different mixing temperature，and short-term storage will help improve the water stability and high temperature stability of rubber asphalt mixtures.

Keywords：Rubber asphalt； Mixing temperature； Aging simulation； Construction performance

收稿日期：2015-05-05

文章編號：1673-4874(2015)05-0001-04

中圖分類號：U416.218

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.001

基金項目

作者簡介