橡膠顆粒改性瀝青混合料抗滑性能研究

孫靜超

(保定市交通運輸局順平縣養(yǎng)路工區(qū) 保定市 072250)

※基金項目：保定市科技計劃項目(1911ZG012)

我國公路交通呈現(xiàn)出流量大、車速快等特點，人們對道路使用功能的要求也越來越高。橡膠瀝青路面的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了新的思路[1]。將橡膠顆粒以骨料的形式添加于瀝青混合料中，不但能夠延長路面使用壽命，有效改善瀝青路面的使用功能，而且可以減少環(huán)境污染[2-3]。有關(guān)橡膠瀝青抗滑性能的研究相對較少，王城等[4]利用離散元分析法對橡膠顆粒瀝青混合料的抗疲勞特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)摻橡膠顆粒后試件的抗滑性有明顯提升；畢宇聲[5]等在滿足水穩(wěn)定性條件下對橡膠顆粒設(shè)計摻量、摻配粒徑進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)摻橡膠顆粒有效提升了混合料的低溫性能；曹衛(wèi)東[6]等評價了橡膠顆粒摻量、油石比、瀝青類別及溫度對試件疲勞特性的影響規(guī)律。然而，對橡膠顆粒用量及摻配粒徑等均無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文制備了骨架密實型橡膠顆粒改性瀝青混合料試件，并通過室內(nèi)加速磨光試驗研究了改性瀝青用量和橡膠顆粒摻量對試件抗滑性的影響，以期為橡膠改性瀝青的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

橡膠顆粒為安國市橡膠加工廠的1.18～2.36mm橡膠顆粒；木質(zhì)纖維素產(chǎn)自山東振威新材料有限公司；礦粉采用石灰石生產(chǎn)破碎的礦粉；粗集料采用潔凈、干燥、表面粗糙的濱州鄒平玄武巖；細(xì)集料采用現(xiàn)場產(chǎn)出的機制砂；瀝青為SBS聚合物改性瀝青，實驗室自制；填料及集料的各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2 試驗方法

采用主骨架空隙填充法進(jìn)行級配組成設(shè)計，將橡膠顆粒(摻量分別為0%、1%、2%、3%)與石料干拌40s，然后分別與礦粉、SBS改性瀝青(用量分別為5.5%、6.0%、6.5%、7.0%)各拌和120s，拌和過程拌鍋溫度為170℃。制作標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，將車轍板試件安放在試模內(nèi)進(jìn)行加速磨光試驗。試驗采用100kg的配重進(jìn)行加載。每塊車轍板試件磨光周期為6～8h，每隔1h測定一次擺值，加速磨光試驗軸載作用次數(shù)為3000次/h。

2 橡膠顆粒改性瀝青混合料抗滑性能分析

2.1 橡膠顆粒摻量對抗滑性能指標(biāo)的影響

橡膠顆粒瀝青混合料的抗滑衰變速率與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，橡膠顆粒的摻入改變了瀝青混合料原有的“石-石”接觸結(jié)構(gòu)，對瀝青混合料抗滑穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。對不同橡膠顆粒摻量混合料進(jìn)行加速磨光試驗，試件摩擦系數(shù)實測數(shù)據(jù)如表1所示。

由摩擦系數(shù)衰變數(shù)據(jù)(表1)可以看出，摩擦系數(shù)衰變規(guī)律基本一致，主要表現(xiàn)為前期快、中期慢、后期趨于平緩。試驗初期試件表面瀝青膜不斷脫落，導(dǎo)致混合料摩擦系數(shù)急劇下降，可以看到2h磨耗后試件的摩擦系數(shù)值趨于平穩(wěn)。試件初始摩擦系數(shù)隨著橡膠顆粒摻量的升高呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。與未摻橡膠顆粒的SBS改性瀝青混合料初始摩擦系數(shù)相比，3%橡膠顆粒摻量的瀝青混合料下降了約6BPN。橡膠顆粒等體積替換部分細(xì)集料時，由于橡膠顆粒摩擦系數(shù)比礦質(zhì)集料低，使得試件表面的摩擦系數(shù)明顯下降。試件0～2h磨耗過程中，礦質(zhì)石料隨試件表面瀝青膜的磨損而逐漸顯露，試件摩擦系數(shù)下降最為明顯。試件磨耗時間3～6h范圍內(nèi)試件表面的粗集料逐漸被磨光，由于混合料屬于骨架密實型級配，四組試件摩擦系數(shù)衰變穩(wěn)定值均大于45BPN，該階段摩擦系數(shù)衰變過程趨于穩(wěn)定，試件的抗滑效果完全滿足規(guī)范要求。7～8h磨耗過程中，試件表面產(chǎn)生坑槽，混合料的粘結(jié)強度不足，混合料表面遭到破壞，部分集料發(fā)生脫落，試件與脫落的集料不斷摩擦，導(dǎo)致試件表面出現(xiàn)多道坑槽，并且隨著磨耗的進(jìn)行，試件破損程度急劇增加。

表1 不同橡膠顆粒摻量下試件的摩擦系數(shù)(BPN)衰變結(jié)果

2.2 橡膠顆粒摻量對試件抗滑衰減速率的影響

將加速磨光試驗?zāi)Σ料禂?shù)衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，計算不同加載次數(shù)下的摩擦系數(shù)衰減速率，進(jìn)而研究橡膠顆粒摻量對混合料抗滑性能的影響。有關(guān)研究表明，瀝青路面摩擦系數(shù)的衰變同加載軸次的關(guān)系符合：

y=a·exp(-b·x)+c

(1)

式中：a為衰變幅度，其值為衰變穩(wěn)定值與衰變初始值的差值；x為加載次數(shù)、自變量；c為衰變穩(wěn)定值；b為衰變相對百分梯度；y為任意加載次數(shù)下的路面摩擦系數(shù)。

通過指數(shù)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)方程，計算不同軸載作用次數(shù)下混合料的摩擦系數(shù)衰變速率，可以得到，四組試件摩擦系數(shù)衰變速率隨軸載作用次數(shù)的增大均逐漸減小并趨近于0。對指數(shù)函數(shù)求導(dǎo)公式為：

y＇=-ab·exp(-b·x)

(2)

不同軸載作用次數(shù)下橡膠顆粒瀝青混合料試件的摩擦系數(shù)衰減速率如圖1所示。可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，瀝青混合料試件摩擦系數(shù)的衰減速率逐漸變緩，表明橡膠顆粒摻量越多，橡膠顆粒瀝青混合料的抗滑性越好。隨著橡膠顆粒摻量的增加，試件的初始摩擦系數(shù)逐漸降低，其他摻量組試件相比，8h磨耗后3%橡膠顆粒摻量的試件衰變速率最為平緩，摩擦系數(shù)衰變穩(wěn)定值最高。磨光試驗開始后的2h內(nèi)，試件表面構(gòu)造深度明顯下降，瀝青膜進(jìn)一步磨耗，試件抗滑性能下降幅度也最大。橡膠顆粒的應(yīng)變落后于受到的應(yīng)力而產(chǎn)生彈性滯后能量損失，反復(fù)軸載作用下橡膠分子鏈發(fā)生摩擦和扭轉(zhuǎn)，并引起粘彈性變形阻力，試件表面產(chǎn)生形變導(dǎo)致橡膠顆粒外露，磨耗過程中粘彈性變形阻力使得瀝青混合料衰變速率顯著降低。

2.3 瀝青用量對抗滑性能指標(biāo)的影響

橡膠顆粒摻量為2%，采用骨架密實型瀝青混合料的級配設(shè)計方式，制作不同瀝青用量(5.5%、6.0%、6.5%、7.0%)條件下的標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，并進(jìn)行加速磨光試驗，分析混合料的抗滑性能，其中每個方案進(jìn)行3組平行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。可以看出，不同瀝青用量的試件初始摩擦系數(shù)在未經(jīng)磨耗時總體相差較小，與7.0%瀝青用量試件的摩擦系數(shù)相比，5.5%瀝青用量的試件增加了約2BPN，主要是由于一方面增加瀝青用量會使混合料空隙率降低，另一方面提高油石比可以使混合料表面瀝青膜變厚，表面構(gòu)造深度相對減小，使混合料表面摩擦系數(shù)相對變小。

表2 不同瀝青用量下試件的摩擦系數(shù)(BPN)衰變情況

由圖2(a)可以看出，不同瀝青用量下試件的摩擦系數(shù)變化趨勢基本一致，加速磨光0～2h階段內(nèi)，四種混合料試件的摩擦系數(shù)均急劇衰減，摩擦系數(shù)衰減程度在3～6h過程逐漸減小并趨于穩(wěn)定。6h磨耗結(jié)束后，四種瀝青用量下瀝青混合料的摩擦系數(shù)衰減量和摩擦系數(shù)衰變穩(wěn)定值的變化如圖2(b)所示?？梢钥闯?，試件的摩擦系數(shù)衰減總量(摩擦系數(shù)衰變穩(wěn)定值與摩擦系數(shù)初值的差)隨著瀝青用量的增加逐漸減小，瀝青用量為6.5%時試件的摩擦系數(shù)衰減量相對較小，而摩擦系數(shù)衰減穩(wěn)定值最大。瀝青用量為5.5%時，試件的摩擦系數(shù)衰減量相對最大，并且摩擦系數(shù)衰減穩(wěn)定值最小。即隨著瀝青用量的增加，混合料自身穩(wěn)定性的提高，混合料集料間的粘附性能增強，磨耗過程中表面細(xì)集料的損失率明顯降低。

2.4 瀝青用量對抗滑衰變速率的影響

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，建立指數(shù)函數(shù)模型公式進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而研究瀝青用量對混合料抗滑性能指標(biāo)(摩擦系數(shù))衰變速率的影響，橡膠顆粒瀝青混合料不同軸載作用次數(shù)下摩擦系數(shù)衰減速率計算結(jié)果如圖3所示，可以看出，不同瀝青用量下的混合料摩擦系數(shù)衰減速率有所差異。隨著瀝青用量的增加，摩擦系數(shù)的衰減速率逐漸趨于平緩，主要由于加速磨光試驗過程中，橡膠顆粒改變了集料內(nèi)部的砂石結(jié)構(gòu)，且混合料組成結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)部粘附性能較差，較少瀝青用量條件下橡膠顆粒瀝青混合料粘附性能不足的缺點進(jìn)一步放大，導(dǎo)致混合料的穩(wěn)定性急劇下降。車轍試件在磨耗過程中，瀝青用量為5.5%時混合料摩擦系數(shù)衰減速率最快，抗滑性不足，細(xì)集料磨耗損失嚴(yán)重。

3 結(jié)論

可以看出，摻加橡膠顆粒后，試件的摩擦系數(shù)降低，隨著橡膠顆粒摻量的增加，瀝青混合料試件摩擦系數(shù)的衰減速率逐漸變緩，表明橡膠顆粒摻量越多，橡膠顆粒瀝青混合料的抗滑性越好。車轍試件在磨耗過程中，瀝青用量為5.5%時混合料摩擦系數(shù)衰減速率最快，抗滑性不足，細(xì)集料磨耗損失嚴(yán)重。對比可以確定，橡膠顆粒瀝青混合料最佳瀝青用量為6.5%時能避免瀝青用量過少導(dǎo)致的抗磨耗損失。因此，合理選用橡膠顆粒摻量和瀝青用量，才能更好發(fā)揮橡膠瀝青路面的功能。