橡膠粉摻量對(duì)高模量瀝青及其混合料性能的影響

周　斌， 肖世品

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安　710600；　2.衢州市柯城公路管理局， 浙江 衢州　324000)

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橡膠粉摻量對(duì)高模量瀝青及其混合料性能的影響

周斌1， 肖世品2

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安710600；2.衢州市柯城公路管理局， 浙江 衢州324000)

[摘要]為改善高模量瀝青混合料的綜合路用性能和抗疲勞耐久性，通過BBR試驗(yàn)、MMLS3加速加載試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、小梁彎曲疲勞試驗(yàn)分析了4%～12%橡膠粉摻量對(duì)高模量瀝青及其混合料技術(shù)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:橡膠粉摻加超過8%后，高模量瀝青的低溫分級(jí)由-12 ℃降低到-18 ℃；橡膠粉的加入可改善高模量瀝青混合料的高溫耐久性和低溫抗裂性，且摻8%～10%橡膠粉后，高模量瀝青混合料疲勞性能顯著提高，本文推薦PRM高模量瀝青混合料適宜的橡膠粉摻量為8%～10%。

[關(guān)鍵詞]路面工程； 高模量瀝青混合料； 橡膠粉； 路用性能

高模量瀝青混合料(High Modulus Asphalt Concrete，簡稱HMAC)是指模量高于改性瀝青混合料的特種瀝青混合料，其通過采用低標(biāo)號(hào)瀝青或在混合料拌和過程中摻加高模量劑以達(dá)到提高瀝青混合料模量的作用[1-4]，主要用來解決路面強(qiáng)度不足，瀝青混合料高溫性能不良造成的車轍等變形類病害，高模量瀝青混合料具有：強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性優(yōu)良，韌性好等技術(shù)優(yōu)勢[5-7]。大量室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐均表明，高模量瀝青混合料在低溫和荷載作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫、疲勞破壞，而現(xiàn)有研究多側(cè)重于高模量瀝青混合料的適用性以及高低溫性能研究[8，9]，并沒有針對(duì)高模量瀝青混合料低溫和疲勞性能存在的技術(shù)缺陷通過復(fù)合改性方案改善高模量瀝青混合料的綜合路用性能[10,11]，也沒有基于室內(nèi)試驗(yàn)或試驗(yàn)路鋪筑研究高模量瀝青混合料的長期使用性能。本文針對(duì)高模量瀝青混合料的技術(shù)缺陷，提出采用橡膠粉與高模量劑復(fù)配方案來改善高模量瀝青混合料的綜合路用性能，以期提供一種改善高模量瀝青混合料技術(shù)性能的研究方法，為改善橡膠粉改性高模量瀝青混合料應(yīng)用于路面工程提供技術(shù)支撐。

1橡膠粉與高模量劑復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)研究

1.1原材料及配比

試驗(yàn)選用SK70#A級(jí)道路石油瀝青；常用來制作橡膠粉的輪胎品種主要包括子午胎(乘用車輪胎)和斜交胎，應(yīng)用于瀝青混凝土混合料中的橡膠顆粒粒徑一般是1～3 mm,若橡膠顆粒粒徑過大，由于橡膠顆粒具有較強(qiáng)的彈性，且與瀝青及其他粒徑的集料粘附性差，在車輛荷載的不斷碾壓過程中，容易造成橡膠顆粒的松散和脫落，進(jìn)而出現(xiàn)路面的耐久性差。本文研究所用的橡膠粉為長大華礎(chǔ)大貨車子午輪胎膠粉40目，其粒徑為1～3 mm，表觀密度1.17 g/m3，摻量為4%、6%、8%、12%、14%；高模量劑采用由法國路面材料實(shí)業(yè)公司(PRIDUSTRIE)研發(fā)并生產(chǎn)的PRM添加劑，其適用于大交通量道路、重載交通道路、極端氣溫路段、長大縱坡路段、慢速交通路段等，是目前我國高模量劑市場份額占有最大的一種添加劑，試驗(yàn)時(shí)PRM摻量為0.6%。

橡膠粉與高模量劑復(fù)合改性瀝青制備工藝如下：加熱基質(zhì)瀝青到150 ℃左右，加入橡膠粉；攪拌溶脹30 min；加熱瀝青至170 ℃～180 ℃，啟動(dòng)剪切機(jī)，以3000～4000 r/min剪切速率剪切30 min；加入硫磺RPM，繼續(xù)攪拌3010 min，保證橡膠粉、PRM能完全分散于瀝青中進(jìn)行反應(yīng)；制成改性瀝青之后，對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2BBR試驗(yàn)

按照SHRP規(guī)范要求對(duì)PAV后的瀝青膠結(jié)料進(jìn)行BBR試驗(yàn)[12，13]，對(duì)于所測試的5種橡膠粉摻量，BBR試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 BBR試驗(yàn)結(jié)果Table1 BBRtestresults膠粉摻量/%-12℃-18℃勁度模量/MPam勁度模量/MPam02870.3654790.21642210.3743890.27661930.3953420.28981710.4042960.304101430.4232683.1412890.4482360.320

由BBR試驗(yàn)結(jié)果可知: 在-12 ℃時(shí)所有試件均滿足m≥0.3，勁度模量≤300 MPa，而在-18 ℃，僅摻加高模量劑的瀝青試件不滿足規(guī)范要求，不僅勁度模量≥300 MPa且m≤0.3，故高模量劑改性瀝青的低溫分級(jí)是-12 ℃。在-18 ℃和-24 ℃時(shí)，與高模量劑改性瀝青相比，橡膠粉與高模量劑復(fù)合改性瀝青不僅勁度模量更小，同時(shí)勁度變化率m值及變形量更大，因其勁度模量更小，瀝青相對(duì)更有柔性，且勁度模量變化率m值較大，說明該瀝青中的溫度應(yīng)力能更容易更快地釋放，表明低溫條件下橡膠粉的加入可改善高模量瀝青的低溫抗裂性能，橡膠粉的摻加可使改性瀝青的低溫分級(jí)降低到-18 ℃。

2混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1確定礦料級(jí)配

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)推薦的瀝青混凝土混合料的級(jí)配范圍并參考實(shí)體工程中選用的AC-16試驗(yàn)級(jí)配，選用的級(jí)配曲線走向由下往上穿越級(jí)配中值的S型曲線。試驗(yàn)級(jí)配見表2。

表2 AC—16瀝青混合料的合成級(jí)配Table2 ThesynthesisgradationofAC—16asphaltmixture篩孔尺寸/mm通過率/%規(guī)范級(jí)配上限下限中值合成級(jí)配1910010010010016901009597.313.276928484.89.560807069.74.7534624848.82.3620483433.61.18133624.525.50.692617.516.20.371812.510.90.155149.58.20.0754865

2.2確定最佳瀝青用量

按照馬歇爾法試驗(yàn)流程確定橡膠粉改性高模量瀝青混合料的最佳油石比。橡膠粉摻量為0%、4%、6%、8%、10%、12%，PRM摻量為0.6%。試驗(yàn)中改性劑的摻加方式采用“干法”工藝，先將預(yù)定質(zhì)量橡膠粉、PMR改性劑和集料一起干拌90 s，使其在礦料中分散均勻，然后再加入基質(zhì)瀝青，拌合90 s，最后加入礦粉，拌合90 s，總拌合時(shí)間為4.5 min。參照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，以O(shè)AC1與OAC2的取平均值確定最佳瀝青用量OAC，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同橡膠粉摻量馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table3 Marshalltestresultsofdifferentrubberpowercontent橡膠粉摻量/%OAC/%VMA/%VFAVV/%MS/kNFL/mm04.213.569.53.8211.552.8444.813.7671.64.0612.123.5565.214.1372.34.3212.553.6085.514.2973.54.5313.223.79105.714.4374.74.6613.673.99126.114.5775.94.8514.243.55

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠粉摻量為0%、4%、6%、8%、10%、12%的改性瀝青最佳油石比分別為4.2%、4.8%、5.2%、5.5%、5.7%、6.1%，最佳油石比隨橡膠粉摻量的增大而增加，橡膠粉改性高模量瀝青混合料的空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值普遍大于高模量瀝青混合料，也隨著橡膠粉摻量的提高而增大，這主要與橡膠粉顆粒壓實(shí)后彈性收縮有關(guān)。

3橡膠粉與高模量劑復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究

3.1高溫穩(wěn)定性

通常采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高模量瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度(DS)普遍超過了6000次/mm，并不能很好地區(qū)分橡膠粉與高模量劑改性瀝青混合料的高溫抗永久變形能力。基于此，本文采用南非生產(chǎn)的MMLS3小型加速加載設(shè)備研究了橡膠粉與高模量劑復(fù)合改性瀝青混合料在高溫條件下的長期使用性能。參考已有研究成果[14]，加速加載試驗(yàn)條件如下：

① 試驗(yàn)試件： 加速加載試驗(yàn)前，各試驗(yàn)級(jí)配在最佳油石比條件下成型直徑152.4 mm，高度95.3 mm的大型馬歇爾試件，取馬歇爾試件中間8 cm部分按加速加載試模尺寸切割標(biāo)準(zhǔn)試件。

② 試驗(yàn)溫度： 60 ℃。

③ 加速加載試驗(yàn)軸載： 0.7 MPa。

④ 加載速率： 6000次/h。

⑤ 加載次數(shù)：如圖1所示，按照車轍形成的三階段，本文取蠕變穩(wěn)定階段與剪切失穩(wěn)階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的加載次數(shù)作為試件破壞次數(shù)。

圖1　車轍形成的三階段示意圖Figure 1　The Schematic diagram of rut formation three stages

按照預(yù)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，進(jìn)而可得到不同加載次數(shù)下各試件車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律Figure 2　Rut depth changing with the load times

由圖2試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

① 在加載次數(shù)不是很大的階段(<10萬次)，車轍深度變化較快，混合料處于壓密階段，車轍變化主要源于壓密變形，隨著橡膠粉摻量的增加，混合料壓密變形增大，這主要是由于摻橡膠粉后復(fù)合改性瀝青混合料空隙率增大所致；進(jìn)入蠕變穩(wěn)定階段，隨著加載次數(shù)增加，混合料試件車轍深度均不斷增加，但是車轍增長幅度沒有初始?jí)好茈A段大，此時(shí)車轍的發(fā)展速率已趨于穩(wěn)定。

② 比較蠕變穩(wěn)定階段車轍變化率(車轍變化率是指，加載每萬次的車轍深度變化，單位為mm·萬次-1)大小依次是： 0.013448、0.012336、0.011164、0.01075、0.00995、0.00989 mm·萬次-1，表明橡膠粉的摻加可以顯著改善高模量瀝青混合料的高溫抗永久變形能力，分析其原因主要是,干法改性工藝橡膠瀝青中的橡膠粉顆粒并沒有完全裂解，在高溫(60 ℃)下仍有一定的彈性，變形恢復(fù)能力相對(duì)較強(qiáng)，從力學(xué)的角度來講，受壓變形的橡膠瀝青混合料板試件由于內(nèi)部產(chǎn)生了一定的反彈應(yīng)力而變成一個(gè)能量較小的預(yù)應(yīng)力試樣，這時(shí)的橡膠瀝青混合料在外力的作用下有較強(qiáng)的抗變形能力。

③ 橡膠粉摻量為 0%、4%、6%、8%、10%、12%共5種高模量瀝青混合料，由蠕變穩(wěn)定階段進(jìn)入剪切失穩(wěn)階段的臨界加載次數(shù)依次為110、120、145、155、160萬次，故增加橡膠粉摻量可提升高模量瀝青混合料的抗疲勞變形能力。

3.2低溫抗裂性

采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡膠粉改性高模量瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度和變形能力。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求成型車轍板，切割為30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗(yàn)前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫6 h，試驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，以破壞應(yīng)變指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，2%橡膠粉摻量，復(fù)合改性瀝青的抗拉強(qiáng)度比普通高模量瀝青混合料略高，隨著橡膠粉摻量增加，抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均逐漸增大。10%、12%橡膠粉摻量條件下，復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度比普通高模量瀝青混合料大14.7%、16.6%，最大彎拉應(yīng)變分別增大了25.1%、25.5%，彎曲勁度模量分別減小了8.3%、7.07%。此外，橡膠粉摻量大于8%可以使高模量瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變滿足規(guī)范大于2600 με的要求，但橡膠粉摻量超過10%后高模量瀝青混合料的低溫性能增大趨勢趨于平穩(wěn)。摻加橡膠粉高模量瀝青混合料低溫性能提高的主要原因是：一方面，橡膠粉的加入使得瀝青的黏度增大、溫度敏感性變低，從而使橡膠瀝青混合料的低溫變形能力得到提高；另一方面，橡膠瀝青混合料的橡膠瀝青膜要比基質(zhì)瀝青厚，而且橡膠瀝青的松弛性能較好，使得橡膠瀝青混合料具有很好的柔韌性，因此摻加橡膠瀝青混合料的低溫抗裂性能要比普通高模量瀝青混合料的好。

表4 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table4 Lowtemperaturebendingbeamstrengthtestresults橡膠粉摻量/%抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa011.132305.644827.293411.562567.034503.259611.642615.424450.528812.072704.74462.6021012.772885.874425.0091212.982893.474485.963

3.3疲勞耐久性

本部分試驗(yàn)采用中點(diǎn)加載簡支梁彎曲試驗(yàn)法，加載模式為控制應(yīng)力方式，控制應(yīng)力的疲勞試驗(yàn)就是在重復(fù)加載過程中，保持應(yīng)力不變，以試件的疲勞斷裂作為疲勞破壞的準(zhǔn)則，達(dá)到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命。這種加載方式的疲勞壽命如公式： lgNf=lgK-nlgσ0，其中Nf為達(dá)到破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù)，就是疲勞壽命，σ0為初始的彎拉應(yīng)力(MPa)，K和n為試驗(yàn)回歸系數(shù)[15]，按應(yīng)力控制方式回歸出疲勞方程就可得到回歸參數(shù)K和n。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求成型車轍板，切割為40 mm×40 mm×250 mm的棱柱體梁型試件，試驗(yàn)前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在15 ℃下保溫6 h。為確定疲勞試驗(yàn)中瀝青混合料的疲勞應(yīng)力水平，需先進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，加載速率為50 mm/min，溫度為15 ℃。彎曲疲勞試驗(yàn)選用0.2、0.3、0.4、0.5共4個(gè)應(yīng)力比，在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上采用中點(diǎn)加載方式進(jìn)行，支點(diǎn)間距200 mm，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載頻率10 Hz，加載波形為連續(xù)式正弦波，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　不同橡膠粉摻量高模量瀝青混合料雙對(duì)數(shù)疲勞方程擬合圖Figure 3　Different rubber powder content high modulus asphalt fatigue equation fitting double logarithmic diagram

對(duì)于橡膠粉摻量為0%、4%、6%、8%、10%、12%的高模量瀝青混合料，隨著橡膠粉摻量的增加，k值增大，n值先減小，橡膠粉摻量超過10%后n值增大。k增大說明隨著橡膠粉摻量增加[16]，瀝青混合料抗疲勞性能均提高。分析其原因：橡膠粉摻量增加，復(fù)合改性高模量瀝青的最佳油石比增大，混合料的橡膠瀝青膜要比普通高模量瀝青混合料厚，而且橡膠瀝青的松弛性能較好，使得橡膠瀝青混合料具有很好的柔韌性，當(dāng)瀝青混合料受到外界重復(fù)荷載時(shí)，在礦料與瀝青膠漿之間就存在著一個(gè)應(yīng)力緩沖層，瀝青膠漿產(chǎn)生較大的彈性變形在瀝青混合料能起到了卸荷作用；在一定范圍內(nèi)，隨著橡膠粉摻量的增加，疲勞性能會(huì)有所增加，但是當(dāng)橡膠粉摻量超過了10%后，疲勞性能會(huì)有所下降，主要原因是，混合料的勁度對(duì)其疲勞性能影響很大，橡膠粉摻量增大，高模量瀝青混合料的勁度增加，試件在承受一定壓力的條件下所產(chǎn)生的應(yīng)變就小，橡膠粉雖然起著緩沖荷載作用，但過多的橡膠粉導(dǎo)致這部分瀝青的粘彈性增大的同時(shí)，脆性也增大，當(dāng)荷載變化時(shí)，其受到的影響要比新瀝青大，內(nèi)部的微裂縫也相應(yīng)的會(huì)多一些。故當(dāng)橡膠粉摻量增加時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)n值也相應(yīng)先增大后減小的趨勢。

4結(jié)論

BBR試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠粉的添加有助于改善高模量瀝青的低溫性能，橡膠粉的加入可改善高模量瀝青的低溫抗裂性能，10%橡膠粉的摻加可以使改性瀝青的低溫分級(jí)由-12 ℃降低到-18 ℃；隨著橡膠粉摻量的增加，高模量瀝青混合料的馬歇爾體積指標(biāo)空隙率增大，瀝青飽和度增大，穩(wěn)定度增大、流值減小，馬歇爾試件各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；采用MMLS3可較好評(píng)價(jià)不同橡膠粉摻量條件下高模量瀝青混合料的長期使用性能，增大橡膠粉摻量，高模量瀝青混合料的高溫抗永久變形能力增強(qiáng)，高溫條件下的長期使用性能顯著提高；橡膠粉的摻加可改善高模量瀝青混合料的低溫抗裂性和疲勞耐久性，綜合考慮橡膠粉摻量對(duì)高模量瀝青流變性能及其混合料路用性能的影響，本文推薦高模量瀝青混合料的適宜橡膠粉摻量為8%～10%。

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The Influence of Rubber Powder Content on the Characteristic of High Modulus Asphalt and its Mixture

ZHOU Bin1, XIAO Shipin2

(1.Xi′an Vocational and Technical Institute, Xi′an, Shanxi 710600, China;2.Quzhou Kecheng Highway Administration, Quzhou, Zhejiang 324000, China)

[Abstract]In order to improve the road performance and fatigue durability of high modulus asphalt mixture, various tests including BBR、 MMLS3 accelerated loading test、 low-temperature bending test and fatigue test were carried out for the high modulus asphalt mixture under 4%～12% rubber powder content. The results showed that: the rubber powder mixed with more than 8%, the low temperature grade from -12 ℃ to -18 ℃； The addition of rubber powder can improve the durability of high modulus asphalt mixture of high temperature and low temperature crack resistance, And after mixing rubber powder 8%～10%, the fatigue performance of high modulus asphalt mixture improved significantly, this article recommends 8%～10% rubber powder content As the best dosage for high modulus asphalt.

[Key words]road engineering； high modulus asphalt mixture； rubber powder； road performance

[中圖分類號(hào)]U 416.217

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0246-05

[作者簡介]周斌(1981-)，寧夏固原人，碩士研究生，研究方向：道路與鐵道工程。

[收稿日期]2014-10-28