再生橡膠粉改性瀝青混合料路用性能試驗研究

尹建偉

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州450009）

國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展帶動了工業(yè)技術(shù)的革新，汽車保有量在逐漸增長的同時，也造成了大量的橡膠汽車輪胎的損耗與報廢。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國汽車產(chǎn)業(yè)每年將會產(chǎn)生近4億條廢舊橡膠輪胎，并且將會以10%左右的漲幅繼續(xù)增長下去[1]。大量廢舊橡膠輪胎的堆棄和焚燒處理，不僅會直接影響生態(tài)環(huán)境，還會危及人類健康生活。因此，將廢舊橡膠輪胎進行綜合再生利用，成為緩解廢舊輪胎污染環(huán)境，實現(xiàn)資源可持續(xù)利用的重要法寶[2-3]?，F(xiàn)有的廢舊橡膠輪胎再生利用技術(shù)，通常是將其進行分類拆解，并根據(jù)不同橡膠等級進行分類加工處理，通過再生設(shè)備車間生產(chǎn)再生塑料、輪胎等制品。但廢舊橡膠輪胎在長期的服役環(huán)境下，橡膠的老化會使得再生產(chǎn)品存在一定質(zhì)量缺陷等問題，并且再生制品很難實現(xiàn)大范圍的推廣和應(yīng)用[4]。道路建設(shè)過程中通常需要黏度較高的改性瀝青來進行瀝青混合料的拌合，相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為將廢舊橡膠進行破碎處理，可得到不同目數(shù)的橡膠粉材料，而橡膠粉和基質(zhì)瀝青在高速剪切拌合過程下可制備改性瀝青，可實現(xiàn)路用建材的節(jié)約[5-6]。然而，橡膠粉材料的應(yīng)用存在地區(qū)化差異，目前在公路工程領(lǐng)域并未形成完全統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，橡膠瀝青混合料產(chǎn)品的質(zhì)量也良莠不齊[7-8]。本文對橡膠粉材料進行綜合利用，并成型橡膠瀝青混合料，考察膠粉摻量對混合料路用性能的影響，有利于進一步在公路工程領(lǐng)域推廣和實踐。

1 原材料及試驗方案

1.1 橡膠粉

橡膠粉是廢舊橡膠輪胎經(jīng)過特殊加工、破碎、研磨產(chǎn)生的粉末狀材料，根據(jù)其粒徑不同，可以分為20～100目等不同等級，研究選用的是普通40目大小的橡膠粉，材料潔凈，分散性較好，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 橡膠粉技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of rubber powder

1.2 基質(zhì)瀝青

研究采用普通70#基質(zhì)瀝青進行混合料的拌合，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 基質(zhì)瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果Table 2 Test results of matrix asphalt index

1.3 礦料

瀝青混合料中的礦料根據(jù)粒徑大小不同，又可以細分為粗集料、細集料和填料。研究采用的粗細集料均為廣西產(chǎn)的玄武巖，質(zhì)地堅硬，針片狀含量較小，填料采用普通礦粉材料，其物理檢測指標(biāo)見表3。

表3 礦料物理技術(shù)指標(biāo)Table 3 Physical and technical indexes of mineral aggregate

1.4 試驗方案及配合比設(shè)計

研究選用不同摻量的橡膠粉以干法成型方式制備橡膠瀝青混合料，研究膠粉摻量對于混合料性能的影響規(guī)律。橡膠粉的摻量分別控制為0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%，瀝青混合料采用SMA-13瀝青馬蹄脂級配進行配合比設(shè)計，其中目標(biāo)級配4.75mm篩孔通過率控制為26.7%，目標(biāo)級配如圖1所示。

圖1 瀝青混合料SMA-13目標(biāo)級配Fig.1 Target gradation of asphalt mixture SMA-13

不同橡膠粉摻量下瀝青混合料的油石比及馬歇爾技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 瀝青混合料油石比及馬歇爾技術(shù)指標(biāo)Table 4 Asphalt aggregate ratio and Marshall technical index of asphalt mixture

將不同橡膠粉摻量下瀝青混合料馬歇爾試件測得的技術(shù)指標(biāo)繪制隨橡膠粉摻量變化的曲線，如圖2～圖3所示。

圖2 油石比、空隙率及毛體積密度變化曲線Fig.2 Curves of oil stone ratio, void ratio and gross bulk density

圖3 流值及穩(wěn)定度波動曲線Fig.3 Flow value and stability fluctuation curve

如以上圖表所示，隨著橡膠粉摻量的逐漸增加，瀝青混合料的油石比及毛體積密度逐漸增大，而空隙率逐漸減少。其主要原因是橡膠粉屬于粉末狀介質(zhì)，與瀝青混合料拌合過程中需要更多的瀝青來進行融合裹附，成型的混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定，內(nèi)部細小的孔洞逐漸被橡膠粉及瀝青填滿。而流值和穩(wěn)定度隨橡膠粉摻量的增加呈現(xiàn)一定波動，并無明顯的規(guī)律可循，其主要原因是橡膠瀝青混合料受材料類型、大小、拌和條件等因素影響，成型的混合料具有一定的特異性，但混合料的流值及穩(wěn)定度均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

2 橡膠瀝青混合料路用性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是表征瀝青混合料在高溫環(huán)境下抵抗壓縮變形的能力，相關(guān)研究表明改性瀝青會提高混合料的高溫穩(wěn)定性。研究采用混合料車轍試驗，通過對比規(guī)定試驗溫度下動穩(wěn)定度的值來探究橡膠粉摻量對其影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 橡膠瀝青混合料高溫性能試驗結(jié)果Table 5 High temperature performance test results of rubber asphalt mixture

將動穩(wěn)定度值及總變形率繪制呈隨膠粉摻量變化的曲線，如圖4所示。

圖4 動穩(wěn)定度值及總變形率隨膠粉摻量變化曲線Fig.4 Dynamic stability value and total deformation rate change curve with the amount of rubber powder

由以上圖表可知，膠粉摻量的增加在一定程度上降低了車轍試件的變形率，當(dāng)不摻橡膠粉時，瀝青混合料在60min時對應(yīng)的車轍深度為6.11mm，膠粉摻量達到60%時，對應(yīng)的車轍深度達到4.42mm，下降了約27.66%。而瀝青混合料的動穩(wěn)定度也具有較大的增長，由于拌和使用的瀝青為基質(zhì)瀝青，在橡膠粉摻量的增加下，瀝青逐漸成為橡膠改性瀝青，其黏度逐漸增大，60%摻量下的膠粉加入，使得動穩(wěn)定度值提升了193.75%。研究認(rèn)為橡膠粉對瀝青及混合料高溫性能的改善效果是顯著的，但受材料成本控制及混合料總體性能的保障，橡膠粉摻量數(shù)值還需具體優(yōu)化定量。

2.2 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是指混合料在雨水沖刷環(huán)境下抵抗破壞的能力，在南方雨水季節(jié)較多的地區(qū)，瀝青路面產(chǎn)生裂縫后，雨水會沿隙縫進入混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進一步加劇損傷內(nèi)部穩(wěn)定，使得材料松散、脫落，最終導(dǎo)致路面表層出現(xiàn)麻面和坑洼。研究采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來分析橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性，探究膠粉摻量對其的影響規(guī)律，將不同水浴條件下得到的馬歇爾試件進行穩(wěn)定度測定，其比值結(jié)果為殘留穩(wěn)定度；而凍融劈裂強度比則是將不同冷凍及水浴融化條件下的試件的劈裂強度進行比值，試驗結(jié)果見表6。

表6 橡膠瀝青混合料水穩(wěn)性能試驗結(jié)果Table 6 Water stability test results of rubber asphalt mixture

將殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比試驗結(jié)果與橡膠粉摻量的變化關(guān)系繪制曲線，如圖5所示。

圖5 瀝青混合料水穩(wěn)性能變化曲線Fig.5 Change curve of water stability performance of asphalt mixture

由以上圖表可知，隨著膠粉摻量的逐漸增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，當(dāng)膠粉摻量達到30%時，曲線呈現(xiàn)出凸峰。由于不摻膠粉時，瀝青混合料終的瀝青為純基質(zhì)瀝青，混合料內(nèi)部達到一定穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)膠粉逐漸摻入時，瀝青在逐漸進行改性的過程，當(dāng)膠粉摻量為10%和20%時，瀝青的黏度有一定提升，但混合料內(nèi)部瀝青存在黏度分散不均勻的現(xiàn)象，易造成局部應(yīng)力集中，在水浴及凍融環(huán)境中易造成開損傷開裂。而膠粉摻量達到30%時，膠粉與基質(zhì)瀝青的均勻融合，實現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)，殘留穩(wěn)定度值及凍融劈裂強度比值有一定回升。但膠粉摻量的逐漸增加，亦會造成與瀝青融合的不飽和狀態(tài)，使得水穩(wěn)定性能有所下降。

2.3 低溫開裂性能

低溫開裂性是瀝青混合料常見路用性能之一，用以表征在低溫環(huán)境下混合料受外部荷載作用抵抗開裂的能力。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)小梁試件在-10℃下養(yǎng)護3h進行斷裂試驗，主要記錄小梁斷裂時產(chǎn)生的撓度及應(yīng)變等數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表7。

表7 混合料低溫開裂性能試驗結(jié)果Table 7 Test results oflow temperature cracking performance of mixture

研究將小梁試驗獲取的各項試驗結(jié)果與橡膠粉摻量進行相關(guān)性分析，繪制曲線如圖6所示。

由圖表可知，當(dāng)不摻加橡膠粉時，瀝青混合料的破壞荷載、斷裂撓度及破壞應(yīng)變均為最小值，當(dāng)橡膠粉摻量逐漸增加時，混合料的最大荷載逐漸增大，其中摻量達到10%時，最大荷載提升幅度最大。從斷裂撓度來看，撓度與橡膠粉成較好的線性關(guān)系，而抗彎拉強度隨膠粉摻量的增加先下降后增長。破壞應(yīng)變是反應(yīng)瀝青混合低溫抗開裂性能的關(guān)鍵指標(biāo)，在膠粉摻量增長初期，破壞應(yīng)變增長較慢，當(dāng)膠粉摻量達到20%以上時，破壞應(yīng)變急劇增大，說明低溫抗開裂性能得到較大提升。

圖6 各項試驗結(jié)果與橡膠粉摻量進行相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between test results and rubber powder content

2.4 橡膠粉摻量比選

為具體量化橡膠粉在瀝青混合料中的摻量，研究以動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比、破壞應(yīng)變?yōu)樵u價指標(biāo)，進一步分析并確定適宜調(diào)配范圍，指標(biāo)聯(lián)立形成的繪制曲線如圖7所示。

圖7 橡膠粉摻量比選Fig.7 Comparison and selection of rubber powder content

通過將橡膠瀝青混合料路用性能的綜合考慮，研究認(rèn)為橡膠粉摻量的增加，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性是有益的，但水穩(wěn)性能會有所降低?？紤]到橡膠瀝青混合料的適用性及材料的利用率，認(rèn)為橡膠粉的摻量適宜控制在25%～35%之間。

3 結(jié)語

再生橡膠粉改性瀝青混合料作為新型路面材料，不僅可以提升路面服役性能，還可以緩解廢舊橡膠垃圾的環(huán)境污染問題。研究對不同摻量的橡膠粉材料進行瀝青混合料的參配試驗，并分別研究了混合料高溫穩(wěn)定、水穩(wěn)定性及低溫開裂性能，認(rèn)為橡膠粉材料的摻入有利于提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫開裂性，但水穩(wěn)定性有所下降，最終建議適宜推薦摻量為25%～35%，該種材料在路面工程中具有較大推廣應(yīng)用價值。