橡膠瀝青混合料壓實特性影響因素研究

蔣方坤，時敬濤，李 純，王體宏，安豐偉

（1.中石油燃料油有限責(zé)任公司，北京 100102；2.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195；3.蘇交科集團股份有限公司 新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112）

前 言

在交通行業(yè)內(nèi)利用廢舊輪胎制備橡膠瀝青一直是一個研究熱點，我國也先后制定并發(fā)布多部關(guān)于橡膠瀝青技術(shù)的規(guī)范，因此橡膠瀝青在道路修筑領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。橡膠瀝青不僅具有環(huán)保價值，其路用性能也遠超普通石油瀝青。相對于普通的瀝青混凝土路面，橡膠瀝青混凝土路面具有更長的使用壽命、更優(yōu)的路用性能和極大的經(jīng)濟價值。

國內(nèi)外學(xué)者們對橡膠瀝青技術(shù)的理論和應(yīng)用都已經(jīng)進行了許多相關(guān)研究。Abdelrahman對橡膠瀝青的改性機理進行了深入研究，分析了橡膠顆粒溶脹和降解在改性中所起的作用，分析了多種因素對橡膠瀝青性能的影響，研究表明橡膠瀝青的改性過程中橡膠顆粒的溶脹和脫硫降解作用是同時發(fā)生的，橡膠改性瀝青的性能受反應(yīng)時間、溫度和橡膠粉細度等的影響。Leite研究了不同類型膠粉對瀝青改性質(zhì)量的影響，測試了不同橡膠瀝青的溫度穩(wěn)定性，實驗表明橡膠粉的化學(xué)性能對橡膠改性瀝青質(zhì)量具有重大的影響，瀝青中膠粉的摻加量對其高溫性能和疲勞性能具有顯著的影響，因此在制備橡膠瀝青過程中要選用合理的組分比[1～5]。

2001年交通部公路科學(xué)研究所展開了“廢舊橡膠粉用于筑路技術(shù)研究”的研究課題，系統(tǒng)地研究了橡膠瀝青的改性機理、成品質(zhì)量檢測、加工工藝、混合料配合比設(shè)計、路用性能、試驗段性能測試等多個方面的理論研究和工程實踐總結(jié)。國內(nèi)學(xué)者通過多年的理論研究和工程實踐提出了間斷級配混合料設(shè)計施工規(guī)范，對于橡膠瀝青的應(yīng)用推廣做出了重大的貢獻。與此同時我國在許多實體工程上進行了推廣應(yīng)用，先后在滬蓉西高速公路湖北段、湖南衡炎高速和廣西隆林至百色高速進行了應(yīng)用，都具有不錯的應(yīng)用效果。橡膠瀝青技術(shù)已經(jīng)具備了大量的工程應(yīng)用經(jīng)驗和豐富的理論研究，但是橡膠瀝青混合料的壓實特性一直是阻礙其大規(guī)模推廣應(yīng)用的難點，主要因為橡膠顆粒具有較大的彈性，在橡膠混合料的壓實成型過程中很難保證其壓實度，因此橡膠瀝青混凝土路面極易出現(xiàn)早期的水損壞和壓密性車轍等路面病害。

針對橡膠瀝青混合料的壓實特性，分析橡膠瀝青的黏度和橡膠顆粒的大小對橡膠瀝青壓實特性的影響。本文的研究對今后進行橡膠瀝青的制備和橡膠瀝青混凝土路面的鋪筑具有重要的參考價值[5～8]。

1 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計

橡膠瀝青混合料配合比采用間斷級配AR13，其混合料合成級配如表1所示。瀝青選用90號基質(zhì)瀝青，集料選用石灰?guī)r，橡膠粉的各物理指標(biāo)如表2所示。

表1 橡膠瀝青混合料級配表Table 1 The gradation of rubber asphalt mixture

表2 橡膠粉各物理參數(shù)Table 2 The physical parameters of rubber powder

采用馬歇爾試驗方法，確定2種級配的最佳油石比，試驗結(jié)果見表3和表4。

表3 ARSMA-13級配實驗結(jié)果Table 3 The experimental results of ARSMA-13 gradation

表4 ARAC-13級配實驗結(jié)果Table 4 The experimental results of ARAC-13 gradation

按照設(shè)計空隙率為3.5%，根據(jù)馬歇爾試驗所得到的結(jié)果確定ARSMA-13和ARAC-13兩種類型的最佳油石比分別為5.97%和6.22%。

2 橡膠瀝青黏度對混合料壓實特性的影響

試驗采用上述材料，膠粉選用40目的廢舊輪胎橡膠粉，橡膠粉的摻量分別取15%、16%、20%及24%，采用濕法工藝制備的橡膠瀝青，在180℃時，其黏度如表5所示?；旌狭霞壟漕愋瓦x用ARAC-13型級配。試驗壓實溫度采用165℃，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)設(shè)置為 8，12，16，20，40，60，80，100。橡膠瀝青混合料的壓實效果隨著壓實次數(shù)和橡膠瀝青黏度變化如圖1所示。

表5 不同橡膠粉摻加量的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度Table 5 The rotational viscosity of asphalt with different amounts of rubber powder

圖1 不同橡膠粉摻加量下瀝青混合料的壓實效果Fig.1 The compaction effect of asphalt mixture with different dosages of rubber powder

由表5可知，在一定溫度情況下，隨著橡膠粉的添加量增大，瀝青的黏度越來越大。由圖1可知，無論添加橡膠粉的數(shù)量是多少，壓實度均隨著壓實次數(shù)的增加而增大，主要原因是壓實功增大，瀝青混合料更容易被壓實；橡膠粉的添加量越大，瀝青混合料壓實度越大，主要原因可能是因為瀝青的黏度增大，集料之間的黏附力加大，在壓實功一定的前提下，壓實阻力較大，所以瀝青混合料較難被壓實。對于同一橡膠粉摻加量的瀝青混合料，隨著壓實次數(shù)的增加，混合料壓實度的增長速度先快后慢，主要是因為前期瀝青混合料相對比較松散，混合料相對更容易壓實，壓實度增長速度較快，而后期橡膠瀝青混合料已經(jīng)相對比較密實，再對其進行壓實就相對比較困難，所以混合料的壓實速度趨于平緩。

3 橡膠粉細度和溫度對混合料壓實特性的影響

橡膠粉顆粒和基質(zhì)瀝青同屬于有機高分子材料，兩者具有天然的親和性。在高溫條件下基質(zhì)瀝青是一種黏度較高的流動態(tài)，橡膠粉可以分散在液態(tài)的基質(zhì)瀝青當(dāng)中，與瀝青反應(yīng)并發(fā)生溶脹。就以往經(jīng)驗而言，橡膠粉的粒徑越大越易分散，但是不易溶脹；粒徑越小，越難被分散，但是相對比較容易溶脹。針對我國目前在道路領(lǐng)域內(nèi)所選用的橡膠顆粒大小，本研究選擇20目、40目和60目三種粒徑的橡膠顆粒制備成橡膠瀝青。選用外摻法工藝，三種瀝青的橡膠粉摻加量為20%混合料，級配采用ARSMA-13。利用旋轉(zhuǎn)壓實儀對三種橡膠瀝青混合料進行壓實。瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，溫度過低時不易被壓實，溫度過高則會影響瀝青混合料的路用性能，因此壓實的溫度選用T=135，160，185℃，壓實次數(shù)分別設(shè)置為 8，12，16，20，40，60，80，100。實驗結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

由圖2、圖3和圖4可知，橡膠瀝青混合料的壓實度隨著壓實次數(shù)的增多，壓實度迅速提高，后又逐漸趨近一個定值。當(dāng)壓實度趨于定值時，在180℃條件下，20目橡膠瀝青混合料的壓實度相對40目和60目橡膠瀝青混合料的壓實度分別提升了2.1%和2.3%，在160℃條件下，20目橡膠瀝青混合料的壓實度相對40目和60目的橡膠瀝青混合料的壓實度分別提升了2.05%和2.1%，在135℃條件下，20目的橡膠瀝青混合料的壓實度相對40目和60目的橡膠瀝青混合料的壓實度分別提升了1.85%和1.9%，隨著橡膠顆粒的粒徑減小，橡膠瀝青混合料的壓實效果得到了提升，可能是隨著橡膠粉的粒徑減小，橡膠粉的分散效果和同瀝青的融合性越好，制備出的改性瀝青的質(zhì)量越高，因此混合料的壓實度越高，但是橡膠顆粒的粒徑為40目和60目時，在相同的壓實功和溫度狀況下，壓實效果并沒有太大的差異性，然而隨著橡膠顆粒粒徑的減小，制備工藝越來越復(fù)雜，成本越來越高，所以在選擇橡膠顆粒粒徑大小時要根據(jù)實際工程的質(zhì)量要求和造價進行合理的選取。

圖2 20目橡膠顆粒制備出瀝青混合料的壓實度Fig.2 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 20 mesh rubber particles

圖3 40目橡膠顆粒制備出瀝青混合料的壓實度Fig.3 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 40 mesh rubber particles

圖4 60目橡膠顆粒制備出瀝青混合料的壓實度Fig.4 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 60 mesh rubber particles

通過摻加相同粒徑橡膠粉混合料的壓實度對比可知，溫度對橡膠改性瀝青混合料的壓實度具有顯著的影響，溫度對粒徑為20目的橡膠粉的影響最為明顯，40目與60目的差異不大，主要的原因可能是20目橡膠粉顆粒過大，溶脹效果較差，橡膠顆粒干涉集料的分布狀況，因此導(dǎo)致其很難被壓實。

4 結(jié)論

首先配制了兩種橡膠瀝青混合料，并通過室內(nèi)試驗的方法分析了橡膠瀝青的黏度、粒徑以及溫度對混合料壓實度的影響，試驗結(jié)果表明橡膠粉粒徑的大小顯著影響混合料的壓實效果，尤其是溫度較低時粒徑越大影響越為顯著，因此在制備橡膠瀝青的過程中應(yīng)合理選擇橡膠粉的粒徑和制備溫度，在施工過程中嚴格把控橡膠瀝青混合料的壓實溫度。