摻加劑對大粒徑瀝青碎石性能的影響

，謝祥兵，林上順

(1. 福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 410046)

大粒徑瀝青碎石指公稱粒徑處于25～63 mm的連續(xù)密級配熱拌瀝青混合料，采用大粒徑瀝青碎石作為上基層，取代傳統(tǒng)的無機(jī)結(jié)合料基層，這種路面結(jié)構(gòu)具有較高強(qiáng)度、剛度和優(yōu)良的抗疲勞特性，并能有效抑制和減少瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生。但中國有90%以上高速公路采用的依然是無機(jī)結(jié)合料類路面結(jié)構(gòu)，除了歷史原因外[1-4]，大粒徑瀝青碎石成本較高及其柔性材料性能有待研究也是阻礙其作為路面結(jié)構(gòu)使用的主要因素之一[5-7]。隨著經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展，大量廢舊輪胎橡膠粉被應(yīng)用到復(fù)合材料中，變廢為寶[8-11]。玻璃纖維的摻量居世界第2，資源豐富，不僅能提高材料的抗拉強(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮[12-14]。

為了提出添加的外摻劑獲得能減少瀝青用量、具有良好抗裂性能和承載能力并且適應(yīng)柔性基層路面結(jié)構(gòu)的材料組成設(shè)計(jì)，本研究把橡膠粉和玻璃纖維作為外摻劑應(yīng)用到大粒徑瀝青碎石中，結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn)，研究外摻劑對大粒徑瀝青碎石瀝青用量的影響，同時(shí)研究外摻劑對大粒徑瀝青碎石的力學(xué)特征和路用性能的影響。

1 大粒徑瀝青碎石的材料組成設(shè)計(jì)

1.1 材料基本性能

1.1.1 瀝青

研究采用70#基質(zhì)瀝青，瀝青物理指標(biāo)為針入度67(0.1 mm,25 ℃)，延度21.6 cm(10 ℃)，軟化點(diǎn)47 ℃，粘度208 Pa·s(60 ℃)。

1.1.2 集料

試驗(yàn)采用的粗細(xì)集料都是石灰?guī)r，粗細(xì)集料的巖性一樣。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTGE42-2005對粗細(xì)集料進(jìn)行了各項(xiàng)性能指標(biāo)測試，測試的結(jié)果見表1和表2所示。

表1 粗集料性能指標(biāo)

表2 細(xì)集料性能指標(biāo)

1.1.3 摻加劑1.1.3.1 橡膠粉

在對橡膠粉的物理指標(biāo)測試中，各項(xiàng)指標(biāo)所需滿足的要求參照ASTMD6114 Standard Specification for Asphalt-Rubber Binder，各項(xiàng)技術(shù)要求如表3。

表3 橡膠粉技術(shù)要求

1.1.3.2 玻璃纖維

用于實(shí)驗(yàn)研究的玻璃纖維參數(shù)如表4。

表4 玻璃纖維技術(shù)要求

1.2 材料配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 集料級配設(shè)計(jì)

研究對象為大粒徑瀝青碎石ATB-30，其級配設(shè)計(jì)如表5所示。

1.2.2 瀝青用量

通過馬歇爾試驗(yàn)最終確定的ATB-30大粒徑瀝青碎石最佳瀝青用量為3.3%，為便于研究摻加劑對瀝青用量的影響，采用瀝青用量分別為2.4%、2.7%、3.0%、3.3%和3.6%。

表5 ATB-30的級配

1.2.3 摻加劑用量

參考文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果選取摻入玻璃纖維為瀝青混合料的0.2%，依據(jù)參考文獻(xiàn)[16]選取廢舊橡膠粉摻量為瀝青用量的15.0%，根據(jù)ATB-30大粒徑瀝青碎石最佳瀝青用量為3.3%，本文選用摻入橡膠粉為瀝青混合料的0.5%。

2 摻加劑對大粒徑瀝青碎石力學(xué)性能影響的研究

從摻加劑對大粒徑瀝青碎石的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度及回彈模量的影響研究摻加劑對其力學(xué)性能的影響。本試驗(yàn)均采用大馬歇爾試件，試件高95.3 mm，直徑150.0 mm。

2.1 摻加劑對大粒徑瀝青碎石抗拉強(qiáng)度影響

通過制作摻加劑為橡膠粉、玻璃纖維，瀝青含量分別為2.4%、2.7%、3.0%、3.3%和3.6%的大粒徑瀝青碎石試件，在SANS萬能試驗(yàn)儀上進(jìn)行15℃劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6。

由表6可見，現(xiàn)有規(guī)范對于粗粒式密級配瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度為0.6～1.0 MPa ，有無外摻劑、五種瀝青含量的ATB-30的劈裂強(qiáng)度都能滿足規(guī)范要求。摻加劑增大了ATB-30抗拉強(qiáng)度，特別是添加玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石的抗拉強(qiáng)度最大。摻加劑為橡膠粉時(shí)，ATB-30的抗拉強(qiáng)度也有所增大，說明外摻劑能增大大粒徑瀝青碎石的抗拉強(qiáng)度。加入外摻劑后，瀝青含量為2.7%時(shí)的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到無外摻劑時(shí)瀝青含量為3.3%及3.6%的強(qiáng)度，因此加入外摻劑減少瀝青含量，大粒徑瀝青碎石的抗拉強(qiáng)度依然能達(dá)到要求。

表6 不同摻加劑的ATB-30抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 摻加劑對大粒徑瀝青碎石抗壓強(qiáng)度影響

試驗(yàn)采用瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)來測定馬歇爾試件的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為20℃，加載速率為2 mm/min。主要試驗(yàn)儀器為SANS萬能試驗(yàn)儀，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同摻加劑的ATB-30的抗壓強(qiáng)度

由表7可知：外摻劑橡膠粉和玻璃纖維均使得ATB-30的抗壓強(qiáng)度有所增加但增加量并不明顯；有無外摻劑的ATB-30都有較大的抗壓強(qiáng)度，滿足規(guī)范需求。因?yàn)闉r青混合料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于荷載應(yīng)力要求，因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不把抗壓強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，此處抗壓強(qiáng)度不作為評價(jià)ATB-30的主要指標(biāo)。

2.3 摻加劑對大粒徑瀝青碎石的彎拉強(qiáng)度影響

路面結(jié)構(gòu)是由不同的材料分層組成的，每一個(gè)路面的結(jié)構(gòu)層在行車荷載的作用下發(fā)生變形，每層的上部材料被擠壓變形，下部材料則是被拉伸，因此上部受到水平方向的壓應(yīng)力，而每一層的下部受到水平方向的拉應(yīng)力。因?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)材料的抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，路面結(jié)構(gòu)首先會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)層底的開裂破壞。為了保證路面結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，要求路面材料的抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)該滿足要求。

瀝青混合料的抗彎實(shí)驗(yàn)試件主要在車轍實(shí)驗(yàn)成型試件進(jìn)行切割小梁，實(shí)驗(yàn)試件是在300 mm×300 mm×50 mm尺寸的車轍板基礎(chǔ)上切割長為(250±2) mm、寬為(30±2) mm、高為(35±2) mm的棱柱小梁。制作的小梁試件15℃時(shí)在SANS萬能試驗(yàn)儀上進(jìn)行彎曲小梁試驗(yàn)，如圖1示，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

圖1 小梁彎曲試驗(yàn)及其試件Fig.1 Trabecular bending test and the test piece

表8 不同摻加劑的ATB-30的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，外摻劑橡膠和玻璃纖維都增加了ATB-30的抗彎拉強(qiáng)度；瀝青中添加玻璃纖維比橡膠瀝青生成的ATB-30的抗彎拉強(qiáng)度更大，因?yàn)樵跒r青混合料中橡膠和玻璃纖維增加了瀝青結(jié)合料和集料的黏附性能，增加了抗彎拉強(qiáng)度。添加橡膠和玻璃纖維外摻劑之后，瀝青含量減少抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉模量依然比沒有外摻劑時(shí)的ATB-30的抗彎拉強(qiáng)度大，因此外摻劑可以減少瀝青含量，降低工程造價(jià)。

2.4 摻加劑對大粒徑瀝青碎石回彈模量影響

瀝青混合料的回彈模量的測定方法采用大型單軸壓縮瀝青混合料馬歇爾試件在SANS萬能試驗(yàn)儀上測定，將壓力值均等分成10級荷載，試件放在萬能實(shí)驗(yàn)儀的壓板中間位置以2 mm/min進(jìn)行預(yù)加載，并且進(jìn)行力保載，保載時(shí)間為60 s，試件通過逐級加載再進(jìn)行卸載，通過讀取施加荷載和卸載情況下，讀取試件所產(chǎn)生的位移值，這兩個(gè)位移之間的差值就是回彈位移。求得不同摻加劑大粒徑瀝青碎石回彈模量結(jié)果如表9。

由表9可知外摻劑的加入對回彈模量的影響不明顯，因?yàn)闉r青混凝土的回彈模量受集料影響較大，雖然外摻劑的加入使得ATB-30的回彈模量增加，但增加值較??；加入外摻劑后ATB-30的瀝青用量減少不影響回彈模量滿足需求。

表9 ATB-30的回彈模量(15℃)

3 摻加劑對大粒徑瀝青碎石路用性能影響研究

3.1 摻加劑對大粒徑瀝青碎石高溫穩(wěn)定性能影響

采用車轍試驗(yàn)來探究ATB-30的高溫穩(wěn)定性，車轍板試件長300 mm，寬300 mm，厚100 mm，本試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為60℃，本試驗(yàn)采用動(dòng)穩(wěn)定度做指標(biāo)，主要試驗(yàn)儀器為車轍儀，試驗(yàn)結(jié)果如表10。

表10 不同摻加劑的ATB-30的車轍

由表10可知，無論有無摻加劑，大粒徑瀝青碎石的動(dòng)穩(wěn)定度偏大，均能滿足規(guī)范要求，一般瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍不會(huì)出現(xiàn)在大粒徑瀝青碎石層，高溫穩(wěn)定性較好；摻加劑對動(dòng)穩(wěn)定度的影響不大；添加外摻劑后適當(dāng)減少瀝青用量不影響ATB-30的高溫穩(wěn)定性。

3.2 摻加劑對大粒徑瀝青碎石低溫抗裂性能的影響

大粒徑瀝青碎石低溫抗裂性能的試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車轍板并切成小梁，小梁尺寸為250 mm×30 mm×50 mm，將切割好的小梁放入試驗(yàn)機(jī)中，溫度設(shè)置為-20 ℃，保溫2 h左右。以2 mm/min的加載速率進(jìn)行彎曲蠕變試驗(yàn)，測定試件的破壞荷載P。以P值的0.1倍作為彎曲蠕變試驗(yàn)的荷載P0。將小梁逐次進(jìn)行彎曲蠕變試驗(yàn)，記錄每一個(gè)試件跨中撓度曲線。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11可知，摻加劑橡膠粉和玻璃纖維對ATB-30 的低溫抗彎拉強(qiáng)度影響較大，其中玻璃纖維摻加劑顯著增加了大粒徑瀝青碎石的抗彎拉強(qiáng)度和勁度模量。在外摻劑橡膠和玻璃纖維的作用下，瀝青含量減少到3.0%也滿足ATB-30的低溫抗裂性能。

表11 ATB-30在-20 ℃時(shí)的彎曲試驗(yàn)

3.3 摻加劑對大粒徑瀝青碎石水穩(wěn)定性能影響

對摻加劑為橡膠和玻璃纖維的大粒徑瀝青碎石進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)測試其水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

表12 凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR

由表12可知，無論是否加入外摻劑，大粒徑瀝青碎石ATB-30的殘留穩(wěn)定度在瀝青含量不小于3.0%時(shí)均能滿足規(guī)范要求。摻入外摻劑橡膠粉和玻璃纖維后，在降低瀝青(瀝青含量超過不小于3.0%)含量時(shí)，不影響ATB-30的的水穩(wěn)定。

4 小結(jié)

在大粒徑瀝青碎石中摻入橡膠粉和玻璃纖維，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究其力學(xué)性能和路用性能，結(jié)果表明：

1)在大粒徑瀝青碎石中，瀝青含量不小于3.0%時(shí)，加入外摻劑橡膠粉和玻璃纖維后其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度及其回彈模量等力學(xué)性能均能滿足規(guī)范要求。

2)外摻劑橡膠粉和玻璃纖維均能使得大粒徑瀝青碎石具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性。

3)通過對ATB-30的力學(xué)特征和路用性能的試驗(yàn)結(jié)果表明，在外摻劑橡膠粉和玻璃纖維作用下，可以適當(dāng)減少瀝青用量(不小于3.0%)，ATB-30的性能并沒有減弱。

4)加入0.5%橡膠粉和0.2%的玻璃纖維后石油瀝青可從3.3%降至3.0%，得到每噸瀝青混合料中成本價(jià)格表現(xiàn)為減少瀝青：增加橡膠粉：增加玻璃纖維為12.9∶10∶4，加入橡膠粉和玻璃纖維不僅可以提升性能同時(shí)能夠降低大粒徑瀝青碎石的工程造價(jià)，為其在工程應(yīng)用中的推廣提供依據(jù)。