膠粉摻量對膠改瀝青及其混合料性能影響研究

孫玉浩， 王國清， 王慶凱

(1.河北工業(yè)大學(xué)，天津　300400;　2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心， 河北 石家莊　050091)

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膠粉摻量對膠改瀝青及其混合料性能影響研究

孫玉浩1， 王國清1， 王慶凱2

(1.河北工業(yè)大學(xué)，天津300400;2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心， 河北 石家莊050091)

為了探究膠粉摻量對膠改瀝青及其混合料路用性能的影響，提出35%、50%等高摻量的膠改瀝青的制備方法，試驗分析了膠粉摻量對膠改瀝青性能的影響。采用馬歇爾方法設(shè)計了膠改瀝青混合料，探究其高低溫、水穩(wěn)定性及四點彎曲疲勞性能。借助AMPT，進一步研究了膠粉摻量對混合料動態(tài)模量、重復(fù)剪切流動、間接拉伸蠕變性能的影響。結(jié)論表明，相較于常規(guī)瀝青混合料，高摻量膠改瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)性性能優(yōu)異；高摻量膠改瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)異，且隨著膠粉摻量增加，膠改瀝青混合料疲勞性能提升；膠粉摻量的增加會帶來膠改瀝青混合料動態(tài)模量降低，剪切流動速率降低，-10 ℃蠕變?nèi)岫仍黾印?/p>

膠改瀝青； 高摻量； 疲勞壽命； 百萬次當(dāng)量應(yīng)變； 剪切流動速率； 動態(tài)模量； 蠕變?nèi)岫?/p>

0　前言

廢舊輪胎膠粉作為改性劑摻入瀝青中是一種國際公認的廢舊輪胎環(huán)保處理方法，其優(yōu)點在于不但解決了廢舊輪胎的環(huán)保問題，而且提升了改性瀝青的性能。膠改瀝青在我國已推廣使用多年，在提高路面質(zhì)量、降低行車噪音、延長路面使用壽命效果等方面效果顯著[1-4]。

研究及實踐表明[5，6]，膠粉加入不同等級的瀝青中，瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性以及低溫抗裂變性能等指標(biāo)都得到明顯改善。在不使用外加劑的情況下，僅利用物理互溶的方法制備的膠粉改性瀝青膠粉的最佳摻量為20%左右[7，8]，摻量增大則會由于膠粉顆粒過多而不能參與化學(xué)反應(yīng)，進而發(fā)生結(jié)塊、凝團現(xiàn)象，從而降低改性瀝青性能。研究發(fā)現(xiàn)[9]，通過改進工藝，在瀝青中加入添加劑，如硫化劑、增塑劑等，可大大提升膠粉摻量，并有效提升改性瀝青性能。隨著公路行業(yè)的發(fā)展，研究膠粉摻量的提高對膠改瀝青及其混合料的性能影響具有很高價值。

本文提出加大改性瀝青中膠粉摻量的新工藝，制備了摻量為35%、50%的膠改瀝青。采用馬歇爾方法設(shè)計了膠改瀝青混合料，并通過高低溫性能測試、水穩(wěn)定性測試及四點彎曲疲勞實驗，與普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料進行對比。借助AMPT，進一步研究了膠粉摻量對混合料動態(tài)模量、重復(fù)剪切流動、間接拉伸蠕變性能的影響，討論高摻量膠粉改性瀝青及其混合料路用性能，為相關(guān)研究提供參考。

1　原材料及改性瀝青制備方法

1.1原材料

原材料包括70#基質(zhì)瀝青、四檔不同粒徑集料(0～3、3～5、5～10、10～15 mm)，各項技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJF40 — 2004)技術(shù)要求的規(guī)定。

關(guān)于膠粉的選擇，有研究表明天然橡膠對瀝青性能的改善程度比合成橡膠更好,斜交胎中含有更多的天然橡膠和碳黑、硫磺,可以改善瀝青的耐久性、耐磨性、粘性和溫度穩(wěn)定性等，綜合經(jīng)濟與性能考慮，選用30目斜交輪胎膠粉。

1.2改性瀝青制備方法

按照文獻[9]中的方法制備改性瀝青如下：

① 將70#基質(zhì)瀝青升溫至160～180 ℃

② 投入膠粉、脫硫劑、軟化劑至反應(yīng)釜中，保持反應(yīng)釜溫度不低于180 ℃

③ 使用高速剪切機(BME100LT)將瀝青高速剪切10～20 min，使膠粉充分溶解于瀝青中，并加入硫化劑和硫化促進劑進行硫化，將化學(xué)能、熱能與機械能相互合理配置，從而增強膠粉與瀝青的化學(xué)反應(yīng)。

④ 剪切完成后，保持溫度使其充分發(fā)育30～60 min，以達到最好的改性效果。

簡要流程如圖1所示。

圖1　膠粉改性瀝青制備流程Figure 1　Produced process of rubber powder modified asphalt

2　結(jié)果與討論

2.1改性瀝青性能試驗

將制備出的改性瀝青進行性能測試，采用針入度、軟化點、延度、彈性恢復(fù)以及布氏旋轉(zhuǎn)黏度5個指標(biāo)可以全方位反映改性瀝青的主要性能[10]。結(jié)果如表1所示，從中可以看出: 隨著膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青性能變化明顯，具體表現(xiàn)為：

① 相比20%摻量膠粉改性瀝青，高摻量膠粉改性瀝青延度更大，可能原因是加入改性劑后，膠粉顆粒交聯(lián)程度增大，使線性結(jié)構(gòu)的膠粉分子重新交聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故延度有一定程度提高。

② 高摻量膠粉改性瀝青軟化點大幅升高，主要是由于隨著膠粉摻量增加，膠粉的溶脹反應(yīng)加大，改性瀝青由溶膠型瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z型瀝青，從而性能得到改善，感溫性下降。

③ 從表中可以看出，高摻量膠粉改性瀝青粘度較大，這是由于膠粉摻量高，瀝青中輕質(zhì)組分被吸收，膠粉顆粒移動困難；改性劑中有硫化劑和硫化促進劑，可以使膠粉分子交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了改性瀝青粘度。

④ 由于添加劑和瀝青中輕質(zhì)組分揮發(fā)，故TFOT后，高摻量膠粉改性瀝青質(zhì)量變化較大。

從瀝青膠結(jié)料實驗結(jié)果來看，大摻量膠粉改性瀝青性能不同于常用20%摻量的膠粉改性瀝青，究其原因，可能有： ①室內(nèi)試驗進行大摻量膠粉改性瀝青制備時，嘗試了20%、35%、40%、50%等多個摻量，從室內(nèi)試驗結(jié)果對比情況來看，當(dāng)膠粉摻量大于35%后，膠粉瀝青會發(fā)生相反轉(zhuǎn)，膠粉的性能會大大影響瀝青整體性能，也便表現(xiàn)出與常規(guī)20%摻量瀝青不相同的特點。②另外，當(dāng)摻量進一步提升時，制作工藝會有所不同，在瀝青中添加了多種改性劑、交聯(lián)劑、增塑劑，會發(fā)生更多的化學(xué)改性作用，而常規(guī)20%摻量的膠粉改性更依賴于物理改性，故宏觀上表現(xiàn)為瀝青整體性能的不同。

表1 膠粉改性瀝青性能Table1 Rubberpowdermodifiedasphaltperformance檢驗項目20%膠改瀝青35%膠改瀝青50%膠改瀝青延度,5℃/mm針入度/(0.1mm)軟化點/℃180℃布氏粘度/(Pa.s)彈性恢復(fù)/%TFOT后質(zhì)量變化/%針入度比/%1220214551676874.588.5*2.44.34.5898577-0.31-0.652-0.718847679 注:*甘油法測量。

2.2膠粉改性瀝青混合料設(shè)計及性能評價

2.2.1級配類型的選擇及混合料組成設(shè)計

根據(jù)相關(guān)資料，制備性能優(yōu)良的瀝青混合料必須滿足以下條件：

① 保證主骨架充分嵌擠，從而獲得良好的內(nèi)摩擦力。

② 瀝青充分填充骨架空隙，且具有較大的粘結(jié)強度。

由于膠粉摻量大，高摻量膠粉改性瀝青中有部分游離膠粉顆粒，且經(jīng)過溶脹作用體積增大，所以混合料中需要足夠的空間來容納膠粉，避免溶脹的膠粉顆粒對混合料粗骨料產(chǎn)生干涉現(xiàn)象(見圖2)，故采用間斷型級配。參照《廢輪胎膠粉瀝青及混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，進行級配設(shè)計，并根據(jù)《路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進行馬歇爾實驗，確定高摻量膠粉改性瀝青最佳油石比為6.1%，具體方法不再贅述。同時，選擇油石比6.5%作為對比試驗。

圖2　級配曲線圖Figure 2　Grading curve

2.2.2性能評價

路面損毀主要為車轍、低溫開裂、水損壞，故從高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性3個方面來評價混合料性能，并且選用常用的SBS改性瀝青混合料、70#基質(zhì)瀝青混合料作為對比，如表2所示。表2中4種混合料均為各自最優(yōu)配比組合，相比之下：

① 2種高摻量膠粉改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均大于常規(guī)SBS改性瀝青，而在最佳油石比時膠改瀝青混合料動穩(wěn)定度最大，這主要是由于高摻量膠粉改性瀝青提高了混合料的粘聚力，故高溫性能突出，可以有效應(yīng)對實際路用情況中的車轍病害。

② 高摻量膠粉改性瀝青低溫性能良好。改性瀝青中膠凝膜可以裹附在集料表面，使集料之間更加緊密。當(dāng)溫度降低時，溶脹的膠粉顆粒會發(fā)生收縮，從而吸收一部分能量，緩和混合料的低溫開裂。

③ 可以看到油石比6.1%、6.5%的高摻量膠粉改性瀝青混合料劈裂強度均大于100%，而且后者大于前者，異于常見改性瀝青混合料，其原因有待進一步探究。

表2 性能驗證結(jié)果Table2 Performanceverificationresults混合料類型油石比動穩(wěn)定度/(次·mm-1)低溫彎曲/με凍融劈裂/%70#基質(zhì)瀝青混合料4.2965128381.2SBS改性瀝青混合料4.24492256891.250%摻量膠粉改性瀝青6.161413175106.050%摻量膠粉改性瀝青6.550004350128.1

2.2.3膠粉改性瀝青混合料疲勞性能

瀝青路面長期經(jīng)受車輪荷載作用，使路面結(jié)構(gòu)強度逐漸下降。當(dāng)其超過一定次數(shù)的時候，路面就會出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞破壞。所以對改性瀝青混合料進行四點疲勞實驗，從而測試其疲勞性能。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，將輪碾成型瀝青混合料板塊試件切割成尺寸為380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件并進行應(yīng)變控制疲勞試驗，實驗方案如表3所示。

表3 4點彎曲疲勞試驗方案Table3 Four-pointbendingfatiguetest混合料類型試驗溫度/℃加載波形試驗頻率/Hz應(yīng)變水平試驗次數(shù)20%摻量膠粉改性瀝青10偏正弦波10400、500、6006SBS改性瀝青10偏正弦波10400、500、600635%/50%摻量膠粉改性瀝青10偏正弦波10400、500、6006

在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，將測試結(jié)果繪成圖3所示。并根據(jù)以往研究[11]可知： 在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，應(yīng)變大小與疲勞壽命呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，對其進行線性回歸，如表4所示。

從圖3和表4的結(jié)果可以看出: 35%摻量膠改瀝青混合料疲勞性能基本上與SBS改性瀝青混合料的疲勞性能相當(dāng)。百萬次當(dāng)量應(yīng)變值由大到小依次為50%摻量膠粉改性瀝青混合料>35%摻量膠粉改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料>20%摻量膠粉改性瀝青混合料，也即在各自最佳油石比情況下，50%摻量膠粉改性瀝青混合料能夠承受更大的荷載，適合重交通路面，壽命更長，疲勞性能更好。

圖3　雙對數(shù)坐標(biāo)下瀝青混合料疲勞曲線圖Figure 3　　　　Double logarithmic coordinates asphalt mixture fatigue curve

有關(guān)實驗表明: 膠粉的摻量是決定膠粉改性瀝青疲勞性能最主要因素[12]，膠粉改性瀝青本身就與有很好的抗疲勞能力，且其粘度大，高摻量下不會發(fā)生析漏，瀝青膜、膠凝膜厚度高，所以集料與瀝青之間更加緊密，形成一體結(jié)構(gòu)抵抗外力。因為其采用了間斷型級配，粗骨架結(jié)構(gòu)可以容納更多的改性瀝青，其中經(jīng)過溶脹作用吸收輕組分的膠粉顆粒體積增大了30%～40%，具有很好的彈性，在受到外荷載循環(huán)作用下，可以起到緩震的作用，對路面性能也有很好的改善作用。根據(jù)相關(guān)研究，瀝青混合料的疲勞性能與高溫性能往往是矛盾的，但是根據(jù)高溫性能實驗、四點疲勞實驗，發(fā)現(xiàn)高摻量膠粉改性瀝青混合料不僅動穩(wěn)定度較高，而且百萬次應(yīng)變也最大，即同時具有很好的抗車轍性能與抗疲勞性能。

表4 改性瀝青混合料疲勞方程與百萬次應(yīng)變Table4 ResultsofOneMillionEquivalentStrainandFatigueEquation混合料類型應(yīng)變疲勞方程百萬次應(yīng)變20%摻量瀝青混合料y=-7.1155x+24.254,R2=0.9599367.62SBS改性瀝青混合料y=-7.1167x+24.701,R2=0.9971424.4235%摻量膠粉改瀝青混合料y=-8.0248x+27.137,R2=0.9014430.5750%摻量膠粉改瀝青混合料y=-8.0808x+28.176,R2=0.9160555.01

以上試驗證明: 在各自合適的級配及油石比情況下，高、低溫、水穩(wěn)定性能及抗疲勞性能均優(yōu)于常用SBS改性瀝青混合料。高摻量膠粉改性瀝青混合料有實際路用能力，有大規(guī)模推廣的潛力。

此外，表4中數(shù)據(jù)顯示，35%摻量和50%摻量膠粉改性瀝青混合料疲勞性能不同，因此有必要探究膠粉的摻量對混合料其他路用性能的影響。

2.2.4膠改瀝青混合料動態(tài)模量

動態(tài)模量是模擬汽車動荷載的加速度比較大情況下，路面結(jié)構(gòu)和材料的響應(yīng)特征，為應(yīng)力幅度與應(yīng)變幅度的比值。本實驗對高摻量膠粉改性瀝青混合料進行了動態(tài)模量實驗，限于篇幅，僅列出20 ℃及50 ℃條件下實驗結(jié)果，見圖4和圖5所示。

圖4　頻率對動態(tài)模量的影響(20 ℃)Figure 4　Frequency influence on dynamic modulus (20 ℃)

圖5　頻率對動態(tài)模量的影響(50 ℃)Figure 5　Frequency influence on dynamic modulus (50 ℃)

從試驗結(jié)果可以看出: 膠粉改性瀝青混合料的動態(tài)模量隨著加載頻率的增加而增大。但是隨著荷載頻率的增加，其動態(tài)模量增大的速率有明顯減小的趨勢，因為在頻率很高時，瀝青混合料的粘性已不再明顯，主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì)，這時材料本身性質(zhì)是影響動態(tài)模量的主要因素。在同等加載頻率作用下，溫度越高，動態(tài)模量越低，這主要是因為，在溫度較高時，瀝青混合料主要表現(xiàn)為粘彈性體，因而動態(tài)模量會降低。

50%摻量的膠粉改性瀝青混合料動態(tài)模量始終小于35%摻量的膠粉改性瀝青混合料，這是因為摻量越大，改性瀝青中游離的膠粉顆粒越多，使得混合料呈現(xiàn)出更多彈性體性質(zhì)。

2.2.5重復(fù)剪切流動性能

重復(fù)剪切流動試驗是對試件施加重復(fù)的剪切荷載，測試其抵抗重復(fù)剪切能力，模擬路面車轍的發(fā)展過程。荷載波形為半正弦波，施荷時間0.1 s，間歇0.9 s，再依次施加多級荷載，記錄每次荷載作用塑性變形εp，主要以重復(fù)剪切流動速率來考慮混合料永久變形的發(fā)展速率。重復(fù)剪切流動速率越大，永久變形發(fā)展速率越快，相應(yīng)的路面上車轍的發(fā)展速率可能更快，更容易出現(xiàn)流動。

將兩種混合料制備的試件在55 ℃、0.7 MPa偏應(yīng)力、138 kPa圍壓作用下進行試驗，對結(jié)果進行分析，如表5所示。對比剪切流動速率可以看出，50%摻量的混合料抗車轍能力略優(yōu)于35%摻量。即在相同油石比下，隨著膠粉摻量增加，混合料永久變形發(fā)展速率減緩，發(fā)生流動破壞風(fēng)險較低。

表5 高摻量膠粉改性瀝青混合料重復(fù)剪切試驗結(jié)果Table5 Highcontentrepeatedsheartestresultsofrubberpowdermodifiedasphaltmixture混合料類型試件密度油石比/%剪切流動速率b35%膠粉改性瀝青混合料2.4296.10.1752.42550%膠粉改性瀝青混合料2.4206.10.1402.426

2.2.6間接拉伸蠕變試驗

蠕變?nèi)岫仁情g接拉伸蠕變試驗的重要指標(biāo)，可以用來評價瀝青混合料的抗低溫開裂能力，-10 ℃蠕變?nèi)岫仍酱螅f明在低溫情況下混合料越柔，剛度越小，混合料低溫縮裂的可能性越小。兩種摻量的膠粉瀝青混合料低溫性能數(shù)據(jù)見表6所示，從中可以看出: 50%摻量的混合料柔度較35%大，即前者的低溫性能要好于后者，這與低溫小梁試驗結(jié)果相吻合。

表6 不同摻量混合料蠕變?nèi)岫仍嚰able6 Differentdosageofmixturecreepcompliancespecimen混合料類型密度/(g·cm-3)油石比/%柔度/(10-3×MPa-1)35%膠粉改性瀝青混合料2.4126.10.0372.4022.41450%膠粉改性瀝青混合料2.4186.10.0752.402

2.2.7施工和易性問題

對于摻量較高的膠粉改性瀝青混合料，施工困難是需要考慮的最大的問題之一。隨著膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青的布氏粘度增大，最大達4.5，會對施工造成一定程度上的困難。目前擬采用的措施是:

① 從改進施工機械方面和施工工藝下手，可能的方法是實現(xiàn)拌合、攤鋪聯(lián)合機組作業(yè)。

② 繼續(xù)優(yōu)化改性瀝青的制備工藝，選擇更加合適的添加劑、降粘劑，在保證其他性能不發(fā)生較大改變的情況下，降低粘度。

3　結(jié)論

① 膠粉摻量較高時，改性瀝青性能變化明顯，主要表現(xiàn)為：延度、針入度、粘度增大，軟化點升高。

② 相較于SBS改性瀝青混合料，50%摻量膠粉改性瀝青混合料高、低溫及水穩(wěn)定性較好，凍融劈裂比大于100%，異于常規(guī)改性瀝青混合料。

③ 35%摻量膠粉改性瀝青混合料抗疲勞性能與常規(guī)SBS改性瀝青混合料相近，相同的疲勞次數(shù)下，百萬次當(dāng)量應(yīng)變值隨著膠粉摻量的增加而增大，故較高摻量的膠粉改性瀝青混合料抗疲勞性能更好。

④ 高摻量膠粉改性瀝青混合料的動態(tài)模量隨著加載頻率的增加而增大，但是當(dāng)荷載頻率超過10 Hz后，其動態(tài)模量增大的速度有明顯減小的趨勢。且溫度越高，混合料動態(tài)模量越低。35%摻量膠改瀝青混合料的動態(tài)模量大于50%摻量膠改瀝青混合料。

⑤ 在相同油石比下，隨著膠粉摻量增加，混合料永久變形發(fā)展速率減緩，發(fā)生流動破壞風(fēng)險較小。蠕變?nèi)岫仍龃?，低溫性能有所提升?/p>

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Effects of Rubber Powder Modifier Contents on Asphalt and Mixture Performance

SUN Yuhao1， WANG Guoqing1, WANG Qingkai2

(1.Hebei University of Technology, Tianjin, 300400, China;2.Hebei Road Structure and Material Engineering Technology Research Center, Shijiazhuang,Hebei 050091, China)

To investigate effects of rubber powder modifier contents on asphalt and mixture performance, two rubber powder modifier contents referred as 35% and 50% were selected and modified asphalt was produced. By means of high and low temperature performance experiments, water stability test, and four-point bending fatigue experiment, the performance of asphalt mixture designed by Marshall method were explored. Based on AMPT, further comparisons were conducted comprising dynamic modulus, repeated shear flow, and indirect tensile creep test. Results show that, high content rubber modified asphalt mixture performs higher mechanics properties, so as fatigue resistant. With rubber modifier content increases, fatigue life and creep compliance at -10 ℃ increase, in reverse dynamic modulus and repeated shearing flow rate decrease.

rubber modified asphalt; high content; fatigue life; one million times equivalent strain; shearing flow rate; dynamic modulus; creep compliance

2016 — 06 — 28

孫玉浩(1992 — )，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事橡膠與改性瀝青材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0265 — 05