橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性及改善措施研究

孟會林

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心， 石家莊　050091)

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橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性及改善措施研究

孟會林

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心， 石家莊050091)

摘要：通過多養(yǎng)護循環(huán)及混合料短期老化后的凍融劈裂和肯塔堡飛散試驗，對摻入2.5%橡膠顆粒瀝青混合料(70號瀝青)的耐久性進行研究，提出添加鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)來提高橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的技術(shù)措施，并將70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料與SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的性能指標進行對比。結(jié)果表明：橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的耐久性，ASA能有效提高橡膠顆粒瀝青混合料抗飛散損失的長期穩(wěn)定性；采用粘度較大的SBS改性瀝青對提高橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的有效性有待驗證；短期老化試驗評價橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的合理性有必要進一步討論。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋁酸酯偶聯(lián)劑；橡膠顆粒；瀝青混合料；耐久性

橡膠顆粒瀝青混合料技術(shù)被認為是一種可有效解決瀝青路面積雪結(jié)冰問題的方法[1-2]。橡膠顆粒的加入一方面改變了混合料內(nèi)部各組成材料間的接觸狀態(tài)；另一方面，橡膠顆粒與瀝青、礦料之間的粘附性也存在不足，導致橡膠顆粒瀝青混合料路用性能下降，易出現(xiàn)松散、剝落等早期破壞，影響耐久性[3-4]。因此，在保證橡膠顆粒瀝青混合料除冰雪性能的前提下，通過改善橡膠顆粒與瀝青及礦料間的界面接觸狀態(tài)來提高其耐久性具有重要意義。

國內(nèi)外對橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的研究較少，張洪偉[1]采用修正的短期老化凍融劈裂強度比來表征橡膠顆粒瀝青混合料的抗老化性能，通過加速磨耗后的擺值及磨耗深度來評價橡膠顆粒瀝青混合料的磨耗耐久性。黨松洋[5]通過凍融循環(huán)條件下試件的空隙率及劈裂強度來研究橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性。日本學者[6]通過不同曝露時間后混合料的動穩(wěn)定度來評價橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性。王佳蓉等[7]通過摻加高粘改性劑TPS來改善橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性，并采用標準浸水馬歇爾、凍融劈裂及浸水飛散試驗對橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性進行評價。

本文在總結(jié)、分析已有研究的基礎(chǔ)上，采用多養(yǎng)護循環(huán)及混合料短期老化后的凍融劈裂試驗及肯塔堡飛散試驗分別評價70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的抗水損害及抗松散、剝落耐久性，介紹如何通過在混合料中添加鋁酸酯偶聯(lián)劑來改善橡膠顆粒與瀝青及礦料之間的粘結(jié)效果，提高其抗松散能力，并將70號瀝青與SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的性能指標進行對比。

1原材料與配合比設(shè)計

1.1原材料

1.1.1集料

試驗所用粗集料為玄武巖，細集料為石灰?guī)r機制砂，填料為礦粉，各檔礦料技術(shù)指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

1.1.2瀝青

試驗所用的70號基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青其技術(shù)指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

1.1.3橡膠顆粒

橡膠顆粒作為橡膠顆粒瀝青混合料的重要組成部分，其粒徑組成和技術(shù)規(guī)格對混合料的性能有顯著影響。本次試驗所用橡膠顆粒由廢舊輪胎在常溫條件下經(jīng)機械高速剪切加工而成，粒徑0～5 mm，其中4.75、2.36及0.6 mm篩孔質(zhì)量通過率分別為96.4%、48.3%及24.8%，密度為1.07～1.15 g/cm3。

1.1.4鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)

偶聯(lián)劑是具有2種不同性質(zhì)官能團的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)的最大特點是分子中含有化學性質(zhì)不同的2個基團：一個是親無機物的基團，易與無機物表面起化學反應(yīng)；另一個是親有機物的基團，能與合成樹脂或其它聚合物發(fā)生化學反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此，偶聯(lián)劑被稱作“分子橋”，將其用于改善無機物與有機物之間的界面作用，不僅可增強兩者之間的粘合強度，提高復合材料的性能，而且還可以防止其它介質(zhì)向界面滲透，改善界面狀態(tài)，有利于提高復合材料的耐老化性。

鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)為白色蠟狀固體，其熔融溫度70～80 ℃，熱分解度270 ℃，用量一般為填料的0.5%～2.5%，填料越細，其用量越大。

1.2配合比設(shè)計

1.2.1礦料級配

橡膠顆粒瀝青混合料的礦料級配采用懸浮-骨架密實結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其各檔集料的比例根據(jù)粗一級集料在細一級集料中即將相互搭接形成骨架而實際上未相互搭接形成骨架的原則計算[8]。本文確定的礦料級配范圍及橡膠顆粒摻量為2.5%時的合成級配見表1。表1中，橡膠顆粒按照自身級配參與混合料級配組成設(shè)計，并按照等體積原則替換 0～3 mm及3～5 mm石料。

表1　橡膠顆粒瀝青混合料合成級配

1.2.2配合比設(shè)計

采用馬歇爾試驗方法進行橡膠顆粒瀝青混合料的配合比設(shè)計，以確定最佳油石比及體積參數(shù)。拌和時投料順序為：石料+橡膠顆?！鸀r青→礦粉。具體拌和工藝為：先加入石料和橡膠顆粒干拌30～45 s，然后加入瀝青拌和45～60 s，最后加入礦粉拌和80～100 s；拌和溫度為180 ℃。

為保證試件的密實性，混合料成型采用2階段擊實方法，第1階段在出料溫度下雙面各擊實45次；第2階段在試件表面溫度下降為100～110 ℃時雙面各再次擊實30次?？偟膿魧嵈螖?shù)仍為雙面各75次。

橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比按照設(shè)計空隙率3%確定。橡膠顆粒摻量為2.5%時采用70號瀝青及SBS改性瀝青的不同混合料最佳油石比及對應(yīng)的馬歇爾技術(shù)參數(shù)見表2。

表2　2.5%橡膠顆粒瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)可知，采用SBS改性瀝青時，橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比較采用70號瀝青時略高，混合料的穩(wěn)定度顯著提高。

2試驗方法

2.1多養(yǎng)護循環(huán)凍融劈裂試驗

試驗時，對JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[9]中瀝青混合料凍融劈裂試驗方法進行稍許修改，以增加凍融循環(huán)的次數(shù)，制件方法、試驗方法及條件均不變。3次凍融循環(huán)劈裂試驗步驟如下。

1) 采用相同級配及油石比按標準馬歇爾擊實法成型8個試件，擊實次數(shù)雙面各50次。

2) 按規(guī)程規(guī)定的方法測量試件高度及密度、空隙率等體積指標。

3) 將試件隨機分為2組，每組4個試件，取其中1組作為對照組，在室溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

4) 將剩下的1組作為條件組，按JTG E20—2011中瀝青混合料飽水率試驗方法真空飽水15 min，然后打開閥門，恢復常壓。試件在水中需放置0.5 h。

5) 取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的水，扎緊袋口，將其放入恒溫冰箱。溫度維持在(-18±2)℃，冷凍(16±1)h。

6) 試件取出后，立即放入已保溫為(60±0.5)℃的恒溫水槽中，并撤去塑料袋，保溫24 h。

7) 將第2組試件重復試驗步驟5)～6)2次后與第1組試件同時浸入溫度為(25±0.5)℃的恒溫水槽中不少于2 h，試件間距不小于10 mm。

8) 取出試件后，立即按照JTG E20—2011中瀝青混合料劈裂試驗方法用50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗，得到試驗最大荷載。

2.2多養(yǎng)護循環(huán)肯塔堡飛散試驗

試驗時，對JTG E20—2011中瀝青混合料肯塔堡飛散試驗方法進行稍許修改，以增加水浴養(yǎng)護次數(shù)后再進行飛散試驗，3次養(yǎng)護循環(huán)試驗步驟如下。

1) 采用相同級配及油石比按標準馬歇爾擊實法成型8個試件，擊實次數(shù)雙面各50次。

2) 按JTG E20—2011規(guī)定的方法測量試件高度及密度、空隙率等體積指標。

3) 將試件隨機分為2組，每組4個試件，分別標記為對照組和條件組。

4) 將對照組試件在室溫下放置24 h(不進行恒溫水浴養(yǎng)生)，稱重后逐個放入洛杉磯試驗機中；不加鋼球蓋上蓋子，以30～33 r/min速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)；稱取試件的殘留質(zhì)量，計算試件的飛散損失率。

5) 將條件組試件放入(20±0.5)℃恒溫水槽中20 h，取出試件后在室溫條件下放置24 h。

6) 重復步驟5)1次后，將條件組試件放入(20±0.5)℃恒溫水槽中再次養(yǎng)生20 h；取出試件后將表面水擦拭干凈，且室溫放置24 h后稱重；然后將試件逐個放入洛杉磯試驗機中，并按步驟4)的條件進行試驗，計算飛散損失率。

2.3加速老化試驗

按照JTG E20—2011中熱拌瀝青混合料加速老化方法進行混合料短期烘箱加熱老化(STOA)，然后制備試件，分別按照JTG E20—2011中瀝青混合料凍融劈裂試驗與肯塔堡飛散試驗方法進行試驗。

3試驗結(jié)果

3.1凍融劈裂試驗

采用70號瀝青的橡膠顆粒瀝青混合料經(jīng)不同凍融循環(huán)養(yǎng)護次數(shù)及短期烘箱熱老化后的凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出：1) 橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的抗水損害性，標準試驗條件下的凍融劈裂殘留強度比可以達到96.9%；2) 凍融循環(huán)次數(shù)對橡膠顆粒瀝青混合料的劈裂強度具有較大影響，凍融循環(huán)2次、3次后其劈裂強度分別下降12.5%、19.2%，但3次凍融循環(huán)后的殘留劈裂強度仍在80%以上；3) 由于橡膠顆粒瀝青混合料組成的特殊性，短期老化后橡膠顆粒瀝青混合料的凍融劈裂強度較老化前反而提高8.1%。

3.2肯塔堡飛散試驗

70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料經(jīng)不同水浴養(yǎng)護次數(shù)及短期烘箱熱老化后的肯塔堡飛散試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出：1) 橡膠顆粒瀝青混合料具有較好的抗飛散損失的能力，標準試驗條件下的飛散損失率僅為6.0%；2) 循環(huán)水浴養(yǎng)護對橡膠顆粒瀝青混合料的抗飛散損失能力極為不利，循環(huán)養(yǎng)護3次后其飛散損失率較標準試驗條件提高了65%，達到約10%；3) 短期老化后，橡膠顆粒瀝青混合料標準試驗條件下的飛散損失率較老化前降低約30%。

3.3ASA對耐久性的影響

為進一步改善橡膠顆粒瀝青混合料的抗飛散損失耐久性，本次試驗通過在70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料中添加ASA來提高瀝青與集料及橡膠顆粒之間的粘結(jié)性，ASA用量為無機粉料(礦粉及機制砂中<0.3 mm的集料)的2.0%。為充分發(fā)揮ASA對粉料表面的活性作用，采用如下拌和工藝：粗、細集料+礦粉加入拌和鍋中干拌20～30 s后加入ASA并拌和3～5 min，以充分發(fā)揮ASA的作用；然后加入橡膠顆粒拌和30 s；最后加入瀝青拌和至170 ℃出料。試件成型后進行不同凍融循環(huán)次數(shù)后的劈裂試驗及不同水浴養(yǎng)護次數(shù)后的肯塔堡飛散試驗，并進行混合料短期加速老化后的凍融劈裂試驗及飛散試驗，試驗結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

注：F-T表示凍融，數(shù)字為凍融循環(huán)次數(shù)，STOA表示混合料經(jīng)短期老化后再進行后續(xù)試驗。下同。

圖170號瀝青凍融劈裂試驗結(jié)果

注：C表示水浴條件養(yǎng)護，數(shù)字為條件養(yǎng)護次數(shù)。下同。

圖3　ASA橡膠顆?；旌狭蟽鋈谂言囼?/p>

圖4　ASA橡膠顆?；旌狭峡纤わw散試驗

從圖3可以看出，ASA的加入對橡膠顆粒瀝青混合料不同凍融循環(huán)次數(shù)后的劈裂強度影響較小，但對其短期老化后的凍融劈裂強度有一定程度的改善作用。

從圖4可以看出，加入ASA后，橡膠顆粒瀝青混合料在不同水浴養(yǎng)護次數(shù)后的肯塔堡飛散損失率降低，與圖2相比，水浴養(yǎng)護次數(shù)越多肯塔堡飛散損失率降低程度越明顯；短期老化后，ASA橡膠顆粒瀝青混合料肯塔堡飛散損失較標準試驗條件下略有降低，較未經(jīng)過水浴養(yǎng)護的試驗結(jié)果略有提高。

綜上所述，以上結(jié)果表明，ASA能有效改善橡膠顆粒瀝青混合料中瀝青、橡膠顆粒及礦料之間的界面粘結(jié)效果，提高橡膠顆粒瀝青混合料的整體強度，從而明顯改善其抗飛散損失耐久性。

3.4瀝青粘度對混合料性能的影響

為分析不同粘度瀝青對橡膠顆粒瀝青混合料路用性能及耐久性的影響，在前期試驗研究基礎(chǔ)上，對SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的路用性能及耐久性進行了試驗研究，并與采用70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料試驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果見表3。

表3　70號瀝青及SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料性能指標對比

從表3數(shù)據(jù)可知：

1) 采用粘度相對較大的SBS改性瀝青后，橡膠顆粒瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗飛散損失的能力均明顯提高，但凍融劈裂殘留強度比下降。

2) 短期老化后，SBS橡膠顆粒瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比明顯提高，略優(yōu)于70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料，但其肯塔堡飛散損失率也顯著變大，且高于70號瀝青橡膠顆粒瀝青混合料。

分析其原因，主要在于瀝青與橡膠顆粒之間的反應(yīng)程度與瀝青的粘度有關(guān)，粘度越大則兩者之間形成的溶膠層越薄，橡膠顆粒越容易成為遭受水侵害的薄弱點，影響混合料水穩(wěn)定性，而混合料短期老化恰好可以促進橡膠顆粒與瀝青之間進一步發(fā)生物理化學反應(yīng)，產(chǎn)生大量溶膠體與SBS聚合物形成新的交聯(lián)體系，從而大幅提高混合料的水穩(wěn)定性。

4結(jié)論

1) 在合理工藝條件下，橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性及抗飛散損失能力，耐久性較好。

2) 鋁酸酯偶聯(lián)劑能夠有效改善橡膠顆粒瀝青混合料中瀝青、橡膠顆粒與集料三者之間的界面粘結(jié)效果，從而顯著提高其抗飛散損失的能力。

3) 采用粘度較大的聚合物改性瀝青后，橡膠顆粒瀝青混合料的基本路用性能可明顯提高，但其長期耐久性能否提高則有待驗證。

4) 對于橡膠顆粒瀝青混合料，其短期老化過程中存在更為復雜的反應(yīng)過程，且有助于提高混合料的力學強度，因此采用短期老化試驗評價橡膠顆粒瀝青混合料抗老化性能的科學性有必要進一步討論。

參 考 文 獻

[1]張洪偉.橡膠顆粒除冰雪瀝青路面的研究[D].西安：長安大學，2009.

[2]徐歐明，韓森，張洪偉.橡膠顆粒瀝青混合料抑制結(jié)冰試驗研究[J].公路，2010(1)：153-156.

[3]張碩.冰雪地區(qū)干法橡膠改性瀝青混合料性能研究[D].西安：長安大學，2011.

[4]河北省交通規(guī)劃設(shè)計院.《自除冰瀝青路面技術(shù)研究》鑒定材料[Z].石家莊：河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，2012.

[5]黨松洋，梁斌，徐紅玉.凍融循環(huán)作用下橡膠顆粒瀝青混合料耐久性試驗研究[J].科學技術(shù)與工程，2014，14(8)：242-245.

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Research on Durability of Granulated Crumb Rubber Asphalt Mixture and Improvement Measures

MENG Huilin

Abstract:Based on freeze-thaw split test and Cantabro stripping test after multiple curing cycles and short-time ageing of mixture, this paper studies durability of asphalt mixture mixed with 2.5% rubber crumbs (No.70 asphalt), proposes a technical solution to add aluminate coupling agent (ASA) to improve durability of granulated crumb rubber asphalt mixture, and compares performance indices of granulated scrub rubber asphalt mixture of No.70 asphalt with those of granulated crumb rubber asphalt mixture of SBS modified asphalt. The results show that the granulated crumb rubber asphalt mixture has perfect durability, and ASA can effectively improve long-term stability of the granulated crumb rubber asphalt mixture against scattering loss; the effectiveness of SBS modified asphalt with high viscosity to improve durability of the granulated crumb rubber asphalt mixture is to be verified; and it is necessary to further discuss the rationality of evaluating durability of the granulated crumb rubber asphalt mixture via short-time ageing test.

Keywords:road project; aluminate coupling agent; rubber crumb; asphalt mixture; durability

文章編號：1009-6477(2016)02-0029-05

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

作者簡介：孟會林(1983-)，男，河北省邢臺市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-29

基金項目：河北省交通運輸廳科技計劃項目(Y-2011011)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.007