直投式改性橡膠瀝青混合料路用性能分析

徐曉波

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

本文為提高高海拔地區(qū)瀝青面層低溫抗裂性能和疲勞性能，分別以廢胎膠粉和橡維聯(lián)作為直投改性劑，開展直投式改性橡膠瀝青及其混合料的性能研究，以尋求一種適合高海拔地區(qū)現(xiàn)有施工條件的高性能改性瀝青路面技術(shù)。

1 原材料

1.1 直投改性劑

本文主要采用廢胎膠粉（40目和20目國(guó)產(chǎn)輪胎橡膠粉）和橡維聯(lián)兩種直投改性劑，性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見圖1、表1～表3所示。

圖1 40目、20目膠粉及橡維聯(lián)

表1 廢胎膠粉的檢測(cè)結(jié)果

表2 廢舊膠粉篩分結(jié)果

表3 橡維聯(lián)性能指標(biāo)

1.2 瀝青、集料

本文采用新疆金石SBRII-A改性瀝青，粗集料為花崗巖碎石，細(xì)集料是S16的石灰?guī)r石屑，礦粉為石灰石礦粉，性能均滿足規(guī)范[1]要求。

2 試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

本文采用替代法，即用橡膠粉等體積替代一部分細(xì)集料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初設(shè)替代量為集料質(zhì)量的1%、2%、3%，橡維聯(lián)用量為集料用量的1%。

室內(nèi)配合比試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)法。拌和溫度為175℃～180℃。拌和順序如下，先將膠粉或橡維聯(lián)與集料攪拌30 s，后加入瀝青攪拌90 s，最后加入礦粉攪拌60 s。將攪拌好的混合料放入175℃烘箱中保溫45 min，最后進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)成型。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

選用目標(biāo)級(jí)配為AC-13型級(jí)配。合成級(jí)配時(shí)，首先按照目標(biāo)級(jí)配和各檔集料的篩分結(jié)果計(jì)算得到各檔集料的比例，然后，根據(jù)相應(yīng)橡膠粉或橡維聯(lián)的質(zhì)量用量，計(jì)算橡膠粉或橡維聯(lián)的體積用量，并等體積地替代0～5 mm的細(xì)集料，得到最終的合成級(jí)配如圖2。

圖2 AC-13合成級(jí)配

通過(guò)馬歇爾擊實(shí)法得到直投式改性橡膠瀝青混合料的最佳油石比結(jié)果如表4所示。

表4 不同瀝青混合料的最佳油石比

分析表4得出，20目和40目膠粉對(duì)最佳油石比的影響較小，可忽略不計(jì)，因此建議采用成本較低的20目橡膠粉。另外，油石比隨著膠粉摻量的增加而增加。分析原因，在于膠粉在與高溫瀝青混合后，會(huì)吸附大量瀝青輕組分從而減小集料裹覆的瀝青；同時(shí)，由于橡膠粉的融脹，以及膠粉與瀝青的融合，瀝青的黏度增大，流動(dòng)性變差，裹覆集料的瀝青增多，從而使油石比增大。

3 路用性能

對(duì)混合料進(jìn)行高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)直投式改性橡膠瀝青混合料的路用性能。

3.1 高溫性能

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ E20—2011）[2]中的 T0719—2011進(jìn)行混合料高溫性能測(cè)試，得到圖3所示結(jié)果。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定對(duì)比圖

從圖3可得以下結(jié)論：

a）在同一目數(shù)下，動(dòng)穩(wěn)定度隨著膠粉摻量的變化呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)。以20目膠粉為例，摻入1%至3%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度分別提高29.1%、17.3%及降低2.4%。分析其原因，主要是隨著膠粉的加入，橡膠粉吸附瀝青中輕組分并與瀝青融合，從而使瀝青的黏度變大，軟化點(diǎn)提高，從而使得瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高。而隨著橡膠粉用量的進(jìn)一步增加，過(guò)多的膠粉使瀝青混合料致密度降低，松散性逐漸增加，從而造成動(dòng)穩(wěn)定度的降低。

b）在相同摻量下，動(dòng)穩(wěn)定度隨著膠粉目數(shù)的增加而增加，如橡膠粉用量為1%時(shí)，40目膠粉提高了37.8%，20目膠粉提高了29.1%。分析其原因?yàn)槟z粉目數(shù)越大粒徑越細(xì)，越容易與瀝青融合，增加了瀝青膠漿的黏度，提高瀝青的軟化點(diǎn)，進(jìn)而在不影響填充效果的情況下，膠粉越細(xì)，其抗車轍性能就越強(qiáng)。所以，選用40目的膠粉效果較好，這與陳夢(mèng)等人[3]得出的結(jié)論相同。

c）摻入橡維聯(lián)的直投式改性橡膠瀝青混合料抗車轍性能提高58%，高于直投橡膠粉的改性橡膠瀝青混合料。其原因主要因?yàn)橄鹁S聯(lián)組分中的TOR中含有的雙鍵聚合物促進(jìn)了橡膠粉與瀝青的融合，使得瀝青中的硫交聯(lián)與橡膠粉中的硫交聯(lián)形成大片網(wǎng)狀和鏈狀聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

d）高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，不論是直投橡膠粉，或是直投橡維聯(lián)均可以使改性橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度得到一定程度提升。當(dāng)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大時(shí)，橡膠粉和橡維聯(lián)的用量均為集料質(zhì)量的1%。

3.2 低溫性能

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行-10℃±0.5℃下的三點(diǎn)加載小梁低溫性能試驗(yàn)，得到如圖4結(jié)果。

圖4 低溫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)果分析：

a）在同一目數(shù)下，最大彎拉應(yīng)變隨著膠粉摻量的增加出現(xiàn)了先增加而后降低，摻量為1%時(shí)，直投20目和40目橡膠粉的混合料低溫應(yīng)變分別提高了22.4%和36.5%，均達(dá)到3 000微應(yīng)變以上，表現(xiàn)出良好的低溫抗裂性能。膠粉用量為2%和3%時(shí)，瀝青混合料的低溫彎拉應(yīng)變均出現(xiàn)了不同程度的降低。分析其原因?yàn)檫^(guò)多的膠粉造成了混合料強(qiáng)度的降低和一定程度松散，反而導(dǎo)致低溫性能下降。

b）在相同摻量下，最大彎拉應(yīng)變隨著目數(shù)的增加而增加，分析其原因?yàn)槟z粉越細(xì)越容易與瀝青融合，增加了瀝青的韌性，同時(shí)對(duì)瀝青的低溫延度的影響減少，從而使混合料低溫性能提高。

c）直投橡維聯(lián)的混合料低溫性能提高了17.3%，同樣達(dá)到了3 000微應(yīng)變以上，同樣具有良好的低溫性能。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證直投式改性橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性能，結(jié)果如圖5。

圖5 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知：混合料的水穩(wěn)定性隨著橡膠粉的摻加呈先增大后減小，且膠粉目數(shù)對(duì)水穩(wěn)性能影響不大。分析原因在于橡膠粉本身具有吸油特性，同時(shí)部分膠粉和瀝青發(fā)生了融脹，在增加混合料油膜厚度的同時(shí)增強(qiáng)了混合料間的黏附性。因而，橡膠粉用量適當(dāng)時(shí)可以提高路面的水穩(wěn)定性。但是，當(dāng)膠粉用量過(guò)大時(shí)（超過(guò)2%），水穩(wěn)定性反而降低。另外，圖中可以看出，使用橡維聯(lián)作為直投改性劑對(duì)混合料的水穩(wěn)定沒(méi)有明顯影響，混合料始終保持良好的水穩(wěn)定性。

3.4 疲勞性能

本次試驗(yàn)溫度15℃，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，試驗(yàn)應(yīng)變?yōu)?00微應(yīng)變，荷載頻率為10 Hz，當(dāng)混合料的勁度模量下降到初始勁度模量的50%停止試驗(yàn)，以加載次數(shù)作為該混合料的疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

分析結(jié)果可知：

a）膠粉摻量為1%時(shí)，疲勞性能最佳，20目時(shí)超過(guò)不摻膠粉的1.10倍。40目時(shí)超過(guò)不摻膠粉的1.22倍。分析其原因主要為膠粉的摻入能有效增加瀝青的韌性和彈性，降低瀝青混合料勁度模量，從而降低了混合料的疲勞損傷，提高其疲勞壽命。隨著膠粉摻量的增加，超過(guò)1%時(shí)，混合料的疲勞性能隨之降低，但均比不加膠粉的混合料疲勞性能好。分析其原因在于過(guò)多的膠粉改變了混合料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)，并在一定程度上還能造成混合料內(nèi)部疲勞應(yīng)力的集聚，因此膠粉用量過(guò)大反而使瀝青混合料疲勞壽命的提高幅度降低。

b）直投橡維聯(lián)的瀝青混合料疲勞性能為不摻膠粉的1.13倍，也能有效提高混合料的疲勞性能。分析其原因?yàn)門OR促進(jìn)了膠粉和瀝青的相互融合，增加了瀝青的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能在一定程度上降低混合料的疲勞損傷，提高疲勞壽命。

c）綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，建議橡膠粉用量不宜超過(guò)1%，橡維聯(lián)的合理用量為1%。

3.5 混合料回彈性驗(yàn)證

由于橡膠粉與橡維聯(lián)均具有明顯彈性，為探究將其用于瀝青混合料中后，對(duì)瀝青混合料回彈性及路面壓實(shí)度和使用壽命的影響，進(jìn)行回彈性驗(yàn)證試驗(yàn)。本次試驗(yàn)為直投1%的20目膠粉混合料，及直投1%的橡維聯(lián)混合料。試驗(yàn)測(cè)定擊實(shí)成型后試件高度及1 d后試件高度，并按照δ=(h2-h1)/h1（h1為擊實(shí)后試件高度；h2為冷卻1 d后試件高度）計(jì)算試件的回彈率δ。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 回彈性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然兩種不同直投式改性橡膠瀝青混合料都出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象，但回彈率僅為0.2～0.61。這說(shuō)明通過(guò)采用等體積替代法，直投式改性橡膠瀝青混合料的膨脹現(xiàn)象并沒(méi)有想象的嚴(yán)重，不會(huì)明顯影響混合料的壓實(shí)。

4 小結(jié)

本文開展直投式改性橡膠瀝青混合料性能研究，主要得到如下成果：

a）當(dāng)橡膠粉和橡維聯(lián)的用量均為集料質(zhì)量的1%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。其中，直投20目膠粉時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高29.1%；直投40目膠粉時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高37.8%；直投橡維聯(lián)時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高58%。

b）當(dāng)橡膠粉和橡維聯(lián)的用量均為集料質(zhì)量的1%時(shí)，直投改性橡膠瀝青混合料的低溫性能最佳。其中，直投20目和40目橡膠粉的混合料低溫應(yīng)變分別提高了22.4%和36.5%，微應(yīng)變數(shù)值達(dá)到3 239.36和3 612.35；直投橡維聯(lián)的混合料低溫性能提高了17.3%，微應(yīng)變數(shù)值達(dá)到3 103。兩種直投改性橡膠瀝青混合料均表現(xiàn)出良好的低溫性能。

c）直投橡膠粉或直投橡維聯(lián)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性沒(méi)有明顯影響，混合料始終保持良好的水穩(wěn)定性。

d）膠粉及橡維聯(lián)摻量均為1%時(shí)，疲勞性能最佳，20目的瀝青混合料疲勞性能超過(guò)不摻膠粉的1.10倍，40目的超過(guò)不摻膠粉的1.22倍，直投橡維聯(lián)的為不摻膠粉的1.13倍。而加入超過(guò)1%的膠粉后，瀝青混合料的疲勞壽命反而有所降低。

e）試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然兩種不同直投式改性橡膠瀝青混合料都出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。但是，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，兩種直投式改性橡膠瀝青混合料回彈率僅為0.2%～0.61%。這說(shuō)明通過(guò)采用等體積替代法，直投式改性橡膠瀝青混合料的膨脹現(xiàn)象并沒(méi)有想象的嚴(yán)重，不會(huì)明顯影響混合料的壓實(shí)。