橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能及施工工藝研究

郭 博，高 妮，胡澤辰

橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能及施工工藝研究

郭 博1，高 妮1，胡澤辰2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋工程系，陜西渭南 714000;2.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

通過對(duì)4種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料的主要路用性能進(jìn)行比較，得出其最佳級(jí)配為AC-13C，橡維聯(lián)最佳摻量為1．5%，同時(shí)通過正交設(shè)計(jì)，對(duì)采用最佳級(jí)配、最佳摻量下的橡維聯(lián)瀝青混合料干拌施工工藝的影響因素(攪拌溫度、攪拌時(shí)間、延遲時(shí)間)進(jìn)行極差分析，得出施工工藝因素影響動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞應(yīng)變及凍融劈裂強(qiáng)度比的敏感性由大到小依次為:攪拌溫度、延遲時(shí)間、攪拌時(shí)間。

橡維聯(lián);濕拌工藝;干拌工藝;敏感性

0 引言

隨著中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高，中國(guó)已成為世界上廢輪胎量最多的國(guó)家，如何將其回收利用、變廢為寶，一直以來都是業(yè)界的焦點(diǎn)話題。半個(gè)多世紀(jì)以來，橡膠瀝青混合料的施工已形成了干拌法和濕拌法2種工藝［1-4］，目前國(guó)內(nèi)外主要采用的方法是通過濕拌工藝先將橡膠粉與瀝青拌和，對(duì)其進(jìn)行改性，從而達(dá)到改善瀝青混合料路用性能的目的;但此工藝需要增加攪拌罐和反應(yīng)罐，拌和工序復(fù)雜，對(duì)外界環(huán)境條件(溫度)要求嚴(yán)格，改性困難大，且由于橡膠粉與瀝青長(zhǎng)時(shí)間混合會(huì)促使橡膠粉逐步降解，影響改性效果，故生產(chǎn)出來的橡膠瀝青必須在短時(shí)間內(nèi)盡快用完［5-7］。

由于普通橡膠粉存在上述問題，本文引進(jìn)顆粒狀的新型橡維聯(lián)材料，該材料一部分通過化學(xué)方法對(duì)瀝青進(jìn)行改性，解決了物理改性的困難，一部分可充當(dāng)瀝青混合料的填料，降低混合料空隙率，提高密實(shí)度，且可采用干拌法，使制備工藝得以簡(jiǎn)化，方便施工。本文通過對(duì)AC-13F、AC-13中值、AC-13C及AM-13四種不同級(jí)配的橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能進(jìn)行對(duì)比，得出其最佳級(jí)配及最佳級(jí)配下橡維聯(lián)最佳摻量。同時(shí)，在對(duì)比干拌法、濕拌法2種不同工藝的前提下，針對(duì)橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能，得出較合理的工藝方法，并在此基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)分析橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能對(duì)攪拌溫度、攪拌時(shí)間及延遲時(shí)間3種工藝參數(shù)的敏感性，以便更有效地控制施工質(zhì)量。

1 材料設(shè)計(jì)

1．1 原材料

瀝青選用韓國(guó)SK70#瀝青，按照相關(guān)規(guī)范對(duì)瀝青的主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

粗、細(xì)集料分別選用干燥、潔凈、表面粗糙、無風(fēng)化、不含雜質(zhì)的石灰?guī)r與石灰?guī)r機(jī)制砂，砂當(dāng)量平均值為75%，礦粉采用磨細(xì)的石灰石粉，按照相關(guān)規(guī)范對(duì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 集料及礦粉的主要技術(shù)性質(zhì)

橡維聯(lián)采用北京天成墾特萊科技有限公司生產(chǎn)的肯特萊牌，該材料主要由40目橡膠粉和維他(TOR)連接劑等組成，呈顆粒狀，如圖1所示。橡維聯(lián)中含有的維他(TOR)連接劑(圖2)外觀呈白色顆粒狀，分子具有雙鍵結(jié)構(gòu)，可促使瀝青質(zhì)中的硫元素與橡膠粉顆粒表面的硫發(fā)生交聯(lián)，形成環(huán)狀或鏈狀的聚合物結(jié)構(gòu)，使膠粉顆粒與瀝青之間得到很好的融合。橡維聯(lián)主要物理技術(shù)指標(biāo)見表3。

圖1 橡維聯(lián)材料

圖2 維他(TOR)連接劑

表3 橡維聯(lián)物理技術(shù)指標(biāo)

1．2 礦料級(jí)配

橡維聯(lián)材料摻入瀝青混合料后，可與瀝青快速融為一體，礦料級(jí)配隨之發(fā)生改變［8-12］。因本研究主要應(yīng)用于路面上面層，故選擇AC-13F、AC-13中值、AC-13C及AM-13四種瀝青混合料作為研究對(duì)象，對(duì)比其路用性能(主要是高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性)，進(jìn)而確定最佳級(jí)配，以上4種瀝青混合料礦料級(jí)配如表4所示。

表4 四種瀝青混合料礦料級(jí)配

1．3 攪拌工藝

本文橡維聯(lián)瀝青混合料攪拌工藝有干拌和濕拌2 種［13］，如圖3、4 所示。

圖3 干拌工藝

1．4 四種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

圖4 濕拌工藝

針對(duì)干拌工藝，橡維聯(lián)外摻量初步確定為瀝青質(zhì)量的1.5%［14-15］，4種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及最佳油石比見表5、6。

表5 四種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 四種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料最佳油石比及空隙率

2 橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能研究

2．1 四種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能對(duì)比

當(dāng)攪拌工藝為干拌法時(shí)，對(duì)4種橡維聯(lián)瀝青混合料進(jìn)行車轍、低溫彎曲及凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7，并繪制成對(duì)比圖，如圖5～7所示。

表7 四種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能對(duì)比

圖5 動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比

圖6 低溫破壞應(yīng)變對(duì)比

圖7 凍融劈裂強(qiáng)度比對(duì)比

可以看出，隨著級(jí)配的變化，即混合料中粗集料含量的增大，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞應(yīng)變均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中AC-13C型混合料達(dá)到最大值(動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)5 363次·mm－1，低溫破壞應(yīng)變達(dá)3 344με)。分析其主要原因?yàn)?在攪拌過程中，一部分橡維聯(lián)顆粒與瀝青融為一體，對(duì)瀝青進(jìn)行改性，另一部分留在礦料中，AC-13C型級(jí)配(粗集料偏多)的混合料中兩部分橡維聯(lián)顆粒達(dá)到最佳狀態(tài)，瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫延度均得到很好改善，與礦料間黏結(jié)力得到提高，進(jìn)而混合料高低溫性能也得到提高［16-19］。

4種橡維聯(lián)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求(＞80%)，AC-13C型混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比(86.4%)比最大值(86.6%)小0.2%，相差甚微，比最小值(81.3%)大5.1%，提高較為明顯。

通過對(duì)4種級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料路用性能的分析可知，選用AC-13C型級(jí)配可使其混合料高低溫性能達(dá)到最好，且可兼顧水穩(wěn)定性，故本文將其定為最佳級(jí)配。

2．2 橡維聯(lián)摻量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

合理的橡維聯(lián)摻量可使其混合料獲得良好的路用性能，大量試驗(yàn)研究表明，橡維聯(lián)最佳摻量在1.5%附近，故本文采用 0、1．2%、1．5%、1．8% 四種摻量以及最佳級(jí)配AC-13C，分析混合料的高低溫性能、水穩(wěn)性能，確定橡維聯(lián)最佳摻量。在4種不同橡維聯(lián)摻量下，混合料主要路用性能見表8，橡維聯(lián)摻量對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比的影響見圖8～10。

通過分析可知，對(duì)于2種不同的施工工藝，橡維聯(lián)摻量對(duì)混合料高低溫性能、水穩(wěn)性能的影響均呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到最大值，相對(duì)基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度提高2.55倍(干拌法)和2.50倍(濕拌法)，凍融劈裂強(qiáng)度比提高6.2%(干拌法)和14.2%(濕拌法);摻量為1．8% 時(shí)，低 溫 破 壞 應(yīng) 變 達(dá) 到 最 大值，相對(duì)基質(zhì)瀝青混合料提高1.62倍(干拌法)和1.51倍(濕拌法)。施工單位可根據(jù)氣候特點(diǎn)選擇橡維聯(lián)的最佳摻量，由于新型橡維聯(lián)價(jià)格較普通橡膠粉昂貴，從經(jīng)濟(jì)適用角度綜合考慮，確定其最佳摻量為1.5%。濕拌法制備的橡維聯(lián)瀝青混合料的主要路用性能較干拌法提高幅度不大，且濕拌法工藝復(fù)雜，故確定最佳施工工藝為干拌法。

表8 四種不同橡維聯(lián)摻量下其混合料路用性能

圖8 橡維聯(lián)摻量對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響

圖9 橡維聯(lián)摻量對(duì)混合料低溫破壞應(yīng)變的影響

圖10 橡維聯(lián)摻量對(duì)混合料凍融劈裂強(qiáng)度比的影響

3 橡維聯(lián)瀝青混合料工藝研究

3．1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文研究干拌法攪拌溫度、攪拌時(shí)間及延遲時(shí)間3個(gè)施工工藝因素對(duì)橡維聯(lián)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞應(yīng)變及凍融劈裂強(qiáng)度比的影響。根據(jù)選定的三因素三水平，選用正交表L9(34)，試驗(yàn)因素、水平見表9。其中攪拌溫度、攪拌時(shí)間指混合料整個(gè)攪拌過程中溫度與時(shí)間的要求，延遲時(shí)間指混合料拌和好后成型試樣前的一段時(shí)間［20］。

表9 橡維聯(lián)瀝青混合料施工工藝因素水平

3．2 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析如表10、11所示。表11中Ki(i=1，2，3)表示某個(gè)因素第i個(gè)水平的所有動(dòng)穩(wěn)定度(低溫破壞應(yīng)變或凍融劈裂強(qiáng)度比)之和，i為影響因素的水平數(shù)。Kij表示其對(duì)水平數(shù)的平均值，即Kij=Ki/3;R為某種因素下Ki的極差值。經(jīng)極差計(jì)算得:針對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度，R1＞R3＞R2;針對(duì)低溫破壞應(yīng)變，R1＞R3＞R2;針對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比，R1＞R3＞R2。故攪拌溫度對(duì)橡維聯(lián)瀝青混合料性能的影響最大，延遲時(shí)間次之，攪拌時(shí)間的影響最小。

表10 正交試驗(yàn)結(jié)果

表11 極差分析

4 結(jié)語

(1)4種不同級(jí)配橡維聯(lián)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，可見橡維聯(lián)對(duì)混合料路用性能的改善效果顯著。

(2)通過對(duì)4種不同級(jí)配橡維聯(lián)混合料干拌、濕拌2種制備工藝下高低溫性能、水穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，得出最佳級(jí)配為AC-13C型;因干拌、濕拌工藝下混合料路用性能差異不大，且干拌法更易于施工，故選擇干拌法更符合工程實(shí)際要求。

(3)選用最佳級(jí)配AC-13C以及干拌工藝時(shí)，隨著橡維聯(lián)摻量的增加，其混合料的動(dòng)穩(wěn)定性、低溫破壞應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，經(jīng)綜合考慮，確定橡維聯(lián)的最佳摻量為1．5%。

(4)通過極差分析可知，攪拌溫度、攪拌時(shí)間及延遲時(shí)間3種施工工藝因素對(duì)橡維聯(lián)瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性能影響顯著，且其敏感性由大到小排序?yàn)?攪拌溫度、延遲時(shí)間、攪拌時(shí)間。

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Research on Pavement Performance and Construction Technology of Asphalt Mixture Mixed with Crumb Rubber XWL

GUO Bo1，GAO Ni1，HU Ze-chen2
(1．Department of Road and Bridge Engineering，Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China;2．College of Ocean Science and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

Comparison on the pavement performance of asphalt mixture of four different gradations mixed with crumb rubber XWL was conducted，and it was concluded that AC-13Cis the optimum gradation and the optimum content of XWL would be 1.5%．By means of the orthogonal design，the range analysis of influencing factors，which include the mixing temperature，mixing time and delay time，of the dry process of the asphalt mixture mixed with optimum amount of XWL and gradation was conducted．In order of sensitivity，the influencing factors that affect the dynamic stability，low temperature failure strain and freeze-thaw splitting tensile strength would be mixing temperature，delay time and mixing time．

crumb rubber XWL;wet process;dry process;sensitivity

U414．03

B

1000-033X(2017)10-0084-06

2017-04-09

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年科研基金項(xiàng)目(KY2016-27)

郭 博(1983-)，男，陜西渭南人，碩士，講師，研究方向?yàn)槁访娌牧稀?/p>

［責(zé)任編輯:高 甜］