經濟型低膠粉摻量橡膠瀝青混合料路用性能研究

徐鷗明，張 鴻，曹志飛，李明月，何義華

(1. 長安大學 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061；2. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

0 引 言

近年，廢舊輪胎再生利用得到了普遍關注。制成膠粉應用于道路工程不僅可以大量消耗廢舊輪胎，緩解環(huán)保壓力，同時還可改善瀝青混合料性能，因而在國內外都得到了廣泛應用[1-2]。濕法是其利用主要形式，國內外學者也紛紛對膠粉細度、外形、加工工藝和添加劑等對橡膠瀝青性能、流變特性和老化后性能的影響進行了廣泛研究[3-9]。影響橡膠瀝青和混合料性能另一因素是膠粉摻量，不同機構和部門認識卻存在很大差異。作為橡膠瀝青應用最為廣泛的美國也是如此，如亞利桑那州和加利福利亞州都要求制備橡膠瀝青時膠粉摻量應不低于瀝青質量的20%[10]；美國聯邦公路局在其指南里也要求橡膠瀝青中膠粉摻量不低于15%；而佛羅里達州卻認為10%～15%的膠粉摻量制備出的橡膠瀝青已完全可以滿足工程使用要求[11]。國內在橡膠瀝青的應用過程中，常用摻量為18%～20%。大的摻量意味著橡膠瀝青黏度會增大，用于混合料時瀝青膜厚度也會變大，瀝青用量相比基質瀝青會明顯增大，導致成本增加。同時，膠粉摻量越高，需要提高改性和存儲溫度，容易造成瀝青老化。為了改善高粘彈橡膠瀝青混合料的壓實問題，礦料普遍選擇間斷級配[12]，也無形中增大了瀝青用量。針對此問題，筆者基于連續(xù)密級配瀝青混合料，采用低的膠粉摻量，制備橡膠瀝青，測試其混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，并與常規(guī)膠粉摻量(18%)瀝青混合料和普通瀝青混合料進行比較，以期探索低摻量橡膠瀝青在連續(xù)密級配瀝青混合料中的應用，為工程應用提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

試驗選用韓國SK90#道路石油瀝青,按照JTJ E20 — 2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行試驗。SK90#瀝青主要技術指標如表1，滿足規(guī)范要求。

表1 SK90#瀝青主要技術性質

1.1.2 集 料

試驗所用集料為優(yōu)質石灰?guī)r集料，干燥、潔凈、無雜質，其主要技術指標如表2，滿足高速公路及一級公路表面層用集料質量要求。

表2 集料主要技術性質

1.1.3 礦 粉

礦粉為石灰?guī)r磨制，其主要技術性質如表3。

表3 礦粉主要技術性質

1.1.4 廢舊橡膠粉

試驗采用常溫粉碎加工的40目廢舊橡膠粉，其主要技術性質如表4、表5。

表4 廢舊橡膠粉主要技術性質

表5 橡膠粉篩分結果

1.1.5 膠粉改性瀝青

制備步驟：首先將基質瀝青加熱到180 ℃，待溫度穩(wěn)定后加入40目膠粉，摻量為瀝青質量7%；然后保持溫度進行攪拌，先低速攪拌，待膠粉全部加入后，再逐步提高攪拌速度至5 000 r/min，攪拌60 min。同時，為了與常規(guī)膠粉摻量比較，還制備了摻量18%的橡膠瀝青。

按照JTJ E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程對制備的橡膠瀝青主要技術性質進行測試，結果如表6。

表6 低摻量橡膠瀝青主要技術性質

表6表明：摻加膠粉的兩種橡膠瀝青針入度減小、軟化點增大，運動黏度增大，且摻量越高變化越明顯；兩種橡膠瀝青均表現出離析傾向，摻量越大，軟化點差值越大；低摻量膠粉橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性顯著好于常規(guī)摻量橡膠瀝青。

1.2 瀝青混合料組成設計

1.2.1 級配的確定

瀝青混合料采用AC-13，參照工程經驗，其級配如表7。

表7 瀝青混合料級配

1.2.2 最佳油石比

根據選定的級配，通過馬歇爾試驗，測試體積參數和力學性質，確定使用基質瀝青、低摻量橡膠瀝青、常規(guī)摻量橡膠瀝青的混合料最佳油石比分別為4.9%、5.3%和5.5%。

1.2.3 路用性能

根據確定的最佳油石比成型試件，分別進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定性試驗和疲勞試驗。

2 結果與分析

2.1 車轍試驗

采用不同瀝青的混合料進行車轍試驗，結果如表8。

表8 車轍試驗結果

表8表明，兩種橡膠瀝青混合料車轍深度均小于普通瀝青混合料，而動穩(wěn)定度均顯著高于普通瀝青混合料。這表明，盡管降低膠粉摻量會影響混合料高溫穩(wěn)定性，但對比基質瀝青，摻加7%膠粉也改變了瀝青的膠體結構，使得橡膠瀝青黏度增大，高溫抗變形能力增強。

2.2 低溫彎曲試驗

采用不同瀝青的混合料進行低溫彎曲試驗，結果如表9。

表9 低溫彎曲試驗結果

由表9可以看出，7%膠粉摻量橡膠瀝青混合料抗彎拉強度和破壞應變相比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料略有降低，而彎曲勁度模量增大，但比普通瀝青混合料仍顯示出較好的低溫性能。這是因為，橡膠粉加入瀝青后雖然會吸附其輕質油分，削弱其變形能力，但溶脹后的橡膠粉具有良好的儲能和變形能力，又在一定程度上彌補了瀝青膠體體系的變形能力。同時，膠粉的儲能作用，會耗散外界荷載損傷，賦予了整個膠體一定的自愈合能力。因此，膠粉的摻入改善了瀝青混合料低溫變形能力。

2.3 水穩(wěn)定試驗結果

1)浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度

采用不同瀝青的混合料進行穩(wěn)定度試驗，結果如表10～表11。

表10 浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度試驗結果

由表10可以看出，低膠粉摻量橡膠瀝青混合料具有較高的殘留穩(wěn)定度，好于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料和普通瀝青混合料。這是因為，一方面，膠粉摻入瀝青中吸附輕質組分膨脹，改變?yōu)r青膠體結構，使瀝青變稠，黏度增大，但改性后的瀝青粘附力降低；另一方面，橡膠瀝青的黏度較大，使得其瀝青膜厚度增加，又在一定程度上增加了水將瀝青膜從石料上剝離下來的難度。因而，橡膠瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度實際上是上述兩種作用平衡結果，摻量越大，黏度增加越明顯，粘附性衰減也大，對水穩(wěn)定性影響也大。此外，采用較高摻量時，膠粉不易充分溶脹，橡膠瀝青彈性較大，會影響混合料密實度，也會對水穩(wěn)定性有影響。

2)凍融劈裂試驗的殘留強度比

按照確定的最佳油石比成型標準馬歇爾試件，雙面擊實50次，采用不同瀝青的混合料進行凍融劈裂試驗，結果如表11。

表11 凍融劈裂試驗的殘留強度比

由表11可以看出，采用低摻量橡膠瀝青混合料凍融劈裂試驗殘留強度比與普通瀝青混合料相當，但顯著好于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料。這是因為，溶脹后的橡膠粉在瀝青-膠粉體系中具有一定儲能作用，可以耗散外界施加的荷載，這對于試件成型是不利的，但對后期抵抗荷載變形有好處。當采用較低摻量膠粉時，能夠減小試件成型過程中的回彈影響。

2.4 疲勞試驗

采用不同瀝青的混合料進行三分點疲勞試驗，結果如表12。

表12 疲勞試驗結果

由表12可以看出：采用橡膠瀝青的混合料疲勞壽命顯著提高，摻量越高提高越明顯；采用低膠粉摻量橡膠瀝青的混合料疲勞壽命低于常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料，但高于普通瀝青混合料；應力與疲勞壽命在單對數坐標上呈線性關系，k′值越大，初期疲勞壽命越高；n′為疲勞曲線斜率，值越大，曲線越陡，疲勞壽命對應變水平變化越敏感；低膠粉摻量橡膠瀝青混合料k′小于常規(guī)膠粉摻量，但高于普通瀝青混合料；而低膠粉摻量橡膠瀝青混合料n′值介于常規(guī)膠粉摻量和普通瀝青混合料之間。由此可見，盡管降低膠粉摻量會影響混合料疲勞壽命，但相比使用普通瀝青，仍然對疲勞壽命有改善。

綜上所述，摻加7%膠粉的橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青，且最佳瀝青用量也有一定降低。初步估算1 t普通瀝青混合料、7%膠粉改性橡膠瀝青混合料和常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料成本分別約710、850、910元，采用低摻量相比普通瀝青混合料材料每噸成本增加約20%，但性能有明顯改善，而比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料每噸成本降低7%，具有良好的經濟性。

3 結 論

1)低膠粉摻量橡膠瀝青與常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青相比基質瀝青針入度降低、軟化點和黏度增大，但低膠粉摻量橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性要顯著優(yōu)于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青。

2)低膠粉摻量橡膠瀝青高溫性能、低溫性能和疲勞性能相比常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料有一定降低，但仍然優(yōu)于普通瀝青混合料。

3)低膠粉摻量橡膠瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度優(yōu)于常規(guī)瀝青混合料和常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料，但凍融劈裂殘留強度比略低于普通瀝青混合料，并好于常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料。

4)相比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青，低膠粉摻量橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性提高，而瀝青用量降低，路用性能仍有一定改善，具有較好的技術經濟性。