廢舊輪胎橡膠粉對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善研究

雷敬偉,邊曉明,劉 濤

(1.葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002；2.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計院股份有限公司,武漢 430071)

交通運輸水平與國家經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)，而便捷、發(fā)達的道路網(wǎng)絡(luò)是改善交通運輸水平的前提條件。我國的路網(wǎng)密度還較低，在未來很長一段時間，將仍然以公路的新建和養(yǎng)護為主。瀝青路面因具備平整度高、行車舒適、路用性能好、維修養(yǎng)護方便等優(yōu)勢[1]，在高等級公路面層建設(shè)中被普遍采用。

雖然瀝青路面具有諸多優(yōu)勢，但其仍然存在一些性能上的問題，例如在炎熱地區(qū)瀝青路面易出現(xiàn)車轍、擁包等永久變形破壞[2]。這主要是因為瀝青是一種溫敏性材料，瀝青路面由瀝青混凝土鋪筑而來，雖然瀝青在瀝青混凝土中所占的比例很小，一般不超過5%，但其對瀝青路面性能的影響非常顯著。瀝青常溫下以固體狀態(tài)存在，但隨著路面溫度的升高，瀝青逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)化，成為可流動態(tài)。當(dāng)路面長時間暴露在高溫環(huán)境下，加之車載的持續(xù)作用，路面將會出現(xiàn)車轍、擁包等不可恢復(fù)的永久變形，威脅到路面行車安全。因此改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性對于提高炎熱地區(qū)瀝青路面的行車安全、服役耐久性具有重要意義。

同時，道路建設(shè)對資源存在高消耗的特點，如不可再生的天然石材、瀝青等。開發(fā)適用于道路建設(shè)的天然資源替代材料也是目前研究的熱點，例如將鋼渣、建筑廢棄物、廢舊橡膠等一些固體廢棄物循環(huán)利用于道路建設(shè)中[3-5]。這樣一方面可實現(xiàn)道路對廢棄物的高效消納，另一方面消除廢棄物堆積對環(huán)境的破壞，對經(jīng)濟、環(huán)保等方面都十分有益處。廢舊輪胎也是一種典型的大宗廢棄物，其是一種聚合物材料，目前有很多采用聚合物改善瀝青混凝土路用性能的研究，尤其是混凝土的高溫穩(wěn)定性。這為采用廢棄輪胎改善瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性提供了理論上的可行性。

基于此，研究的主要目的是確定廢舊輪胎對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善效果。首先將廢舊輪胎制備成橡膠粉，在確定主要原材料基本性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過車轍試驗和動態(tài)蠕變試驗研究廢舊輪胎橡膠粉對瀝青混凝土高溫性能的影響。

1 原材料

研究中粗集料和細集料均采用玄武巖，填料采用石灰?guī)r磨制的礦粉。按照《JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程》[6]檢測集料和填料的基本性能指標(biāo)，測試結(jié)果如表1～表3所示。另外，研究中還使用到廢膠粉和AH-90基質(zhì)瀝青。廢膠粉通過研磨廢舊輪胎獲得，廢膠粉顆粒約60-80目。通過濕法改性將廢膠粉首先摻入到AH-90基質(zhì)瀝青中，制備成廢膠粉改性瀝青，廢膠粉的摻量為AH-90基質(zhì)瀝青的20%。按照《JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[7]測試廢膠粉改性瀝青的基本性能指標(biāo)，測試結(jié)果如表4所示。表1～表4數(shù)據(jù)表明研究中所用原材料的基本性能指標(biāo)均滿足要求。

表1 粗集料基本性能指標(biāo)

表2 細集料基本性能指標(biāo)

表3 填料基本性質(zhì)指標(biāo)

表4 廢膠粉改性瀝青基本性能指標(biāo)

2 試驗方法

按照標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計瀝青混凝土，混凝土的級配類型為AC-13C。粗集料、細集料以及填料在礦質(zhì)混合料中的占比分別為50%、46%和4%，合成級配曲線如圖1所示。按照設(shè)計結(jié)果拌合瀝青混凝土，制備車轍試驗和動態(tài)蠕變試驗用試件。車轍試驗采用300 mm長、300 mm寬和50 mm厚的板狀試件進行，板狀試件通過輪碾成型設(shè)備制得。動態(tài)蠕變試驗采用的是直徑和高度均為100 mm的圓柱體試件，通過對雙層板狀壓實試件進行鉆芯操作獲取。

車轍試驗過程：試驗溫度為60 °C，試驗前將板狀試件置于試驗溫度下保溫4 h以上。試驗時，50 mm寬的鋼輪在板狀試件表面沿中心線區(qū)域往復(fù)碾壓，輪碾壓力為0.7 MPa，碾壓速度為42 次/min。單次測試時間為1 h，通過式(1)計算瀝青混凝土的動穩(wěn)定度

(1)

式中，DS為動穩(wěn)定度，次/mm；l60和l45是單次測試中鋼輪碾壓時間分別為60 min和45 min時，板狀試件輪跡帶的深度，mm。

動態(tài)蠕變試驗過程：試驗溫度也為60 °C，同樣試驗前將圓柱體試件置于試驗溫度下保溫4 h以上。試驗時通過萬能試驗機對試件進行加載，研究選用的荷載為100 kPa、200 kPa和300 kPa，加載周期為1 Hz，采用半正弦波的加載方式，加載0.1 s，間歇0.9 s。動態(tài)蠕變試驗中，隨著荷載作用次數(shù)的增加，試件的累積應(yīng)變增長速率會經(jīng)歷三個階段。第一階段，應(yīng)變增長速率先增加后減少，第二階段應(yīng)變增長速率恒定，第三階段應(yīng)變增長速率快速增加致使試件的累積應(yīng)變短時間快速上升，試件失去穩(wěn)定性。而在第三階段開始前，試件依然能保持穩(wěn)定，因而可用第三階段起點對應(yīng)的荷載加載次數(shù)(流動值)來反映瀝青混凝土的高溫抗永久變形能力。

3 結(jié)果與討論

瀝青混凝土的車轍試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，采用基質(zhì)瀝青制備的混凝土和采用廢膠粉改性瀝青制備的混凝土并未表現(xiàn)出一致的抗車轍變形能力。具體來看，隨著輪碾時間的延長，基質(zhì)瀝青混凝土的動穩(wěn)定度表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，經(jīng)過3 h的輪碾破壞，動穩(wěn)定度從3 800 次/mm下降到2 500 次/mm。說明高溫對基質(zhì)瀝青混凝土抗車轍變形能力的削弱是非常嚴(yán)重的。對于廢膠粉改性瀝青混凝土，情況則大為不同，隨著輪碾時間的延長，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。在相同的試驗時間下，廢膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度總高于基質(zhì)瀝青混凝土，且兩者的差值越來越大，經(jīng)過3 h的輪碾破壞后，廢膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混凝土高了接近100%。說明廢膠粉改性瀝青對瀝青混凝土抗車轍變形能力的改善是非常顯著的。至于廢膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度隨試驗時間的延長出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，有可能是廢膠粉改性瀝青混凝土車轍試驗試件初始狀態(tài)未壓實，經(jīng)歷1 h的持續(xù)輪碾后，試件更加密實，抵抗高溫變形的能力得以強化，因而在第2 h的車轍試驗中動穩(wěn)定度表現(xiàn)為增加。

瀝青混凝土的動態(tài)蠕變試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著加載應(yīng)力水平的提高，基質(zhì)瀝青混凝土和廢膠粉改性瀝青混凝土抗蠕變破壞的能力表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，兩者的流動值均持續(xù)下降。但基質(zhì)瀝青混凝土的流動值下降更快，當(dāng)荷載水平從100 kPa提高到300 kPa，基質(zhì)瀝青混凝土的流動值下降了約51.5%，而相同試驗條件的廢膠粉改性瀝青混凝土，該值只下降了40.9%。且任意相同荷載水平下，廢膠粉改性瀝青混凝土的流動值總高于基質(zhì)瀝青混凝土，這一差值隨著荷載水平的增加進一步拉大，當(dāng)荷載水平達到300 kPa時，廢膠粉改性瀝青混凝土的流動值比基質(zhì)瀝青混凝土高出了68.9%。

4 結(jié) 論

車轍試驗以及動態(tài)蠕變試驗結(jié)果表明，廢舊輪胎橡膠粉對瀝青混凝土高溫抗變形性能的改善效果非常顯著，尤其是在瀝青混凝土路面遭受高溫和重載交通持久破壞時，廢膠粉仍能使瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性保持在較好的水平。同時，將廢舊輪胎橡膠粉循環(huán)應(yīng)用于瀝青混凝土中，對于資源綜合利用和環(huán)境保護也具有重要的意義。