橡膠粉與巖瀝青復(fù)合干法改性高模量瀝青混合料試驗(yàn)研究

侯進(jìn)軍

(大豐市恒昌交通建設(shè)工程有限公司，江蘇 大豐 224001)

20世紀(jì)80年代，法國提出了高模量瀝青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,HMAC)的概念[1]，并經(jīng)過大量的研究和實(shí)踐形成了相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程、技術(shù)指標(biāo)及混合料設(shè)計(jì)方法，如規(guī)范NF P98-140(1992年)和NF P98-140(1993年)[2]。HMAC具有強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性優(yōu)良、韌性好等優(yōu)勢，可用來解決路面強(qiáng)度不足、瀝青混合料高溫性能不良而造成的車轍變形類病害等。目前，采用SBS、EVA、SBR、PE等改性瀝青或在混合料中加入廢舊PE提高瀝青混凝土模量的方法，在歐洲一些國家、南非及中國得到了較好的應(yīng)用[3]。

布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt,BRA)是一種巖瀝青，產(chǎn)自印度尼西亞布敦島海底的瀝青礦，經(jīng)過簡單的加工工藝形成粉末狀產(chǎn)品，可作為瀝青混合料改性劑。BRA對瀝青混合料的高溫性能具有顯著的改善作用，但會降低混合料的低溫性能[4]。以BRA與70號瀝青摻配后，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足法國EME2高模量瀝青混合料的技術(shù)要求[5]。大量室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，高模量瀝青混合料在低溫和荷載作用下會產(chǎn)生裂縫、疲勞破壞，現(xiàn)有研究多側(cè)重于高模量瀝青混合料的適用性以及高低溫性能[6-7]。橡膠粉作為一種優(yōu)良的瀝青改性劑，能不同程度改善瀝青混合料的高溫性能、低溫性能及疲勞性能[8-9]。因此，將橡膠粉和BRA復(fù)合用于瀝青混合料改性，可以改善BRA在瀝青混合料改性方面的不足之處[10-13]，已有研究多探討不同膠粉摻比對瀝青混合料路用性能的改善效果，對不同粒度膠粉改性瀝青混合料的研究鮮有報(bào)道。

本研究將巖瀝青與橡膠粉復(fù)摻，以干法改性工藝拌制瀝青混合料，探討不同粒度橡膠粉與BRA復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。

1 試驗(yàn)用材料

1.1 基質(zhì)瀝青及巖瀝青

本研究采用中海A-70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，按文獻(xiàn)[14]規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，試驗(yàn)檢測結(jié)果均符合A級70號道路石油瀝青技術(shù)要求[15]，如表1所示。試驗(yàn)用BRA參照文獻(xiàn)[16]規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果滿足要求，如表2所示。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果Table 1 Testing results of A-70# matrix asphalt

表2 BRA檢測結(jié)果Table 2 Detection results of BRA

1.2 橡膠粉

路用橡膠粉應(yīng)選用常溫磨細(xì)的廢輪胎橡膠粉，且宜選用斜交胎膠粉或天然膠含量較高的橡膠粉[18]，橡膠粉應(yīng)為黑色均質(zhì)粉末，顆粒粒徑可在30～80目范圍內(nèi)選用。本試驗(yàn)采購的4種橡膠粉如圖1所示，實(shí)測顆粒級配如表3所示，級配曲線如圖2所示，從圖2可以看出這4種膠粉顆粒具有連續(xù)級配的特征。

圖1 試驗(yàn)用橡膠粉Fig 1 Rubber powder for experiment

表3 橡膠粉顆粒級配Table 3 Gradation of rubber powder particles %

圖2 試驗(yàn)用橡膠粉顆粒級配Fig 2 Gradation of rubber powder particles in experiment

采用XY-PRT透反偏光顯微鏡觀察BRA和4種膠粉的外觀形貌，如圖3所示。由圖3b可以看出，BRA顆粒放大照片中天然瀝青裹覆于礦粒表面，并滲透入礦粒毛細(xì)孔中，粘聚了部分更細(xì)微的礦粒；由圖3c可以看出，1#橡膠粉含有較多的微細(xì)纖維，膠粉顆粒較粗；由圖3d～3f可以看出，2#～4# 3種橡膠粉均含有少量輪胎填料等雜質(zhì)，以及極少量的微細(xì)纖維，纖維長度及直徑均遠(yuǎn)小于1#橡膠粉所含纖維。

圖3 改性摻合料顯微鏡照片F(xiàn)ig 3 Microscope photos of modified admixtures

1.3 礦料

本研究所采用的玄武巖粗集料產(chǎn)自連云港，石灰?guī)r石屑(細(xì)集料)和礦粉產(chǎn)自安徽，參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行試驗(yàn)檢測，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[16]的要求，數(shù)據(jù)如表4～6所示。

表4 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators for coarse aggregate

表5 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators for fine aggregate

表6 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 6 Technical indicators for mineral powder

2 混合料配合比及試驗(yàn)方案

2.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)Superpave一般方法設(shè)計(jì)Sup-13瀝青混合料，調(diào)試粗、中、細(xì)3個(gè)級配，如圖4所示。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件體積參數(shù)測定及馬歇爾技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證，選擇級配2，設(shè)計(jì)配合比如表7所示。

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[19-22]及初步試驗(yàn)研究結(jié)果可知，BRA中的天然瀝青可替代部分基質(zhì)瀝青，BRA中的礦物顆粒可替代部分礦粉等填料；橡膠粉在干法改性過程中溶脹率不高，大部分橡膠顆粒仍以顆粒狀存在于混合料中，充當(dāng)填料角色。因此，設(shè)計(jì)改性瀝青混合料配比方案如表8所示。

圖4 3種初試配比的級配曲線Fig 4 Grading curves of three initial ratios

表7 Sup-13配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 7 Mix ratio design result of Sup-13

2.2 改性瀝青混合料試驗(yàn)方案

工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，改性外摻料投放入攪拌缸時(shí)為冷料狀態(tài)，需要提高礦料加熱溫度，通過加熱摻合料，使摻合料改性成分軟化、活化；參考文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)論，采取燜料措施，增強(qiáng)橡膠粉與基質(zhì)瀝青的融合，設(shè)計(jì)改性瀝青混合料拌制流程及控制參數(shù)如圖5所示。按文獻(xiàn)[14]成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，進(jìn)行48 h殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)，驗(yàn)證改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性；輪碾法成型車轍板，測試動(dòng)穩(wěn)定度，驗(yàn)證改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；此外，通過低溫劈裂試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)證改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

表8 改性瀝青混合料配合比方案Table 8 Mix proportion scheme of modified asphalt mixture %

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水穩(wěn)定性驗(yàn)證

3.1.1 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]規(guī)定的試驗(yàn)方法，測定試件在60 ℃水中保溫0.5 h與保溫48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度，計(jì)算殘留穩(wěn)定度，結(jié)果如表9和圖6所示。

圖5 BRA/橡膠粉干法改性瀝青混合料拌制流程及控制參數(shù)Fig 5 Mixing process and control parameters of dry process for asphalt mixture modified by BRA and rubber powder

表9 各組殘留穩(wěn)定度測定值Table 9 Determination of residual stability of samples in each group

實(shí)測結(jié)果及圖6表明，4%摻量的BRA改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高了11.75%，BRA中的天然瀝青組分與基質(zhì)瀝青相融后明顯改善了混合料的水穩(wěn)定性；橡膠粉等量替換部分BRA，使得復(fù)合改性混合料中的天然瀝青含量降低，殘留穩(wěn)定度有所下降；粒度較細(xì)的4#橡膠粉(組別6)相對1#～3#橡膠粉(組別3～5)可減小瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的降低量。

圖6 各組殘留穩(wěn)定度柱狀圖Fig 6 Column diagram of residual stability of samples in each group

3.1.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)用以評價(jià)瀝青混合料的耐水損害性能。相對殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)而言，凍融劈裂試驗(yàn)主要表征馬歇爾試件在飽水狀態(tài)下承受冰凍破壞的能力。試驗(yàn)結(jié)果如表10和圖7所示。

由表10和圖7可知，各組瀝青混合料試件經(jīng)凍融循環(huán)后劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同程度的降低?；鶞?zhǔn)配合比試件(組別1)降低16.62%；4#膠粉與BRA復(fù)合改性的混合料(組別6)強(qiáng)度降低最小(7.86%)，其粒度較細(xì)與BRA復(fù)合改性的試件密實(shí)度最高，空隙少而受凍融影響?。?#膠粉與BRA復(fù)合改性的混合料(組別3)雖然空隙率相對較高，但因有微細(xì)纖維的“加筋”和相對略粗的橡膠顆粒的彈性，其抗凍性能也相對較好。

表10 各組凍融劈裂強(qiáng)度測定值Table 10 Determination of freeze-thaw splitting strength in each group

圖7 各組混合料試件凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比Fig 7 Freeze-thaw splitting tensile strength ratio of each mixture specimen

各組試件在最大劈裂荷載作用下的垂直壓縮變形情況如圖8所示。BRA改性混合料(組別2)劈裂破壞相應(yīng)的變形量最小，顯脆性，但圖7中其劈裂強(qiáng)度值相對較高，由此可知，組別2的劈裂模量相對較高；組別3～6因在BRA中混摻橡膠粉，使得劈裂破壞時(shí)的變形量顯著增大，且在總體上呈現(xiàn)橡膠粉粒度越細(xì)變形量越大的趨勢；同比圖7、圖8中組別6的強(qiáng)度和變形量，可見粒度較細(xì)的膠粉對瀝青的改性作用更充分，更有助于提高混合料的抗裂強(qiáng)度、降低試件的脆性。

圖8 各組混合料試件最大劈裂荷載對應(yīng)的垂直變形Fig 8 Vertical deformation corresponding to the maximum splitting load of each mixture specimen

3.2 高溫穩(wěn)定性驗(yàn)證

以輪碾法成型車轍板，進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表11所示。4%摻量的BRA改性瀝青混合料試件(組別2)的動(dòng)穩(wěn)定度是基準(zhǔn)配比試件(組別1)的2.6倍，BRA對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性改善效果顯著；組別3～6的測試結(jié)果表明橡膠粉對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性改善效果影響較大，且粒度較細(xì)的橡膠粉更有利于提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度；100目的4#膠粉與BRA混摻(組別6)效果突出，相對BRA單一改性混合料(組別2)其動(dòng)穩(wěn)定度提升了21.2%。

圖9為各組試件車轍試驗(yàn)典型曲線?；鶞?zhǔn)配比試件(組別1)車轍變形總體上呈持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，而組別2、組別6試件在輪碾120次后車轍變形趨于平緩，增大幅度逐漸減小，說明BRA及微細(xì)橡膠粉改性瀝青混合料熱穩(wěn)定性較好，變形的發(fā)展可抑制在受荷初期；組別3試件車轍變形前期發(fā)展較大，整體變形量也較大，主要源于其橡膠粉含微細(xì)纖維及較粗橡膠顆粒，混合料壓實(shí)度不高，因而高溫條件下往返輪碾變形較大；組別5的試件平行試驗(yàn)結(jié)果有分歧，但結(jié)果仍表明其具有較好的高溫穩(wěn)定性。

表11 混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Results of rutting test for mixed materials

圖9 各組車轍試驗(yàn)典型曲線Fig 9 Typical curves of rutting test in each group

3.3 低溫抗裂性能驗(yàn)證

3.3.1 小梁低溫彎曲試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]規(guī)定的試驗(yàn)方法，成型車轍板并切割成小梁試件，使用LWMT-100型瀝青混合料萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行(-10±0.5)℃條件下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測試結(jié)果如表12和圖10所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，4%摻量的BRA瀝青混合料(組別2)的彎拉強(qiáng)度和勁度模量分別提高63.5%和164.0%，但其彎拉應(yīng)變降低了37.5%；混摻橡膠粉降低了BRA改性混合料的勁度模量，但改善了BRA單純改性混合料的彎曲應(yīng)變能力。粒度較細(xì)的4#橡膠粉與BRA混摻可使混合料的強(qiáng)度、模量及應(yīng)變改善效果均衡化，相對基準(zhǔn)配比瀝青混合料，組別6的試件彎拉應(yīng)變略有減小，但彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量分別提高了71.8%和87.5%。

表12 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 12 Results of bending test of trabeculae

圖10 小梁彎曲測試結(jié)果柱狀圖Fig 10 Column diagram of trabeculae bending test results

3.3.2 低溫劈裂試驗(yàn)

低溫劈裂試驗(yàn)是以間接抗拉的方式考察瀝青混合料的低溫抗拉性能，相對于小梁試件其試件成型較為方便，試件尺寸的誤差相對較小，因此常被采用。本研究采用雙面擊實(shí)75次，成型標(biāo)準(zhǔn)馬氏試件，室溫靜置1 d后，放入(-10±0.5)℃環(huán)境箱中保溫2 h。然后轉(zhuǎn)移到帶環(huán)境箱的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表13和圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對基準(zhǔn)配比混合料，BRA改性瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度提高了20.3%，壓縮模量增大了11.7%；而BRA和4#膠粉復(fù)合改性，劈裂抗拉強(qiáng)度和壓縮模量分別提高了35.8%和43.4%。結(jié)合前文中圖2橡膠粉的級配特性可見，粒度越細(xì)，膠粉與BRA復(fù)合改性混合料的低溫劈裂強(qiáng)度和模量越高，但相應(yīng)劈裂變形能力有所降低。

表13 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 13 Low temperature splitting test results

圖11 低溫劈裂測試結(jié)果柱狀圖Fig 11 Histogram of low temperature splitting test results

4 結(jié)論

將BRA和4種不同粒度的橡膠粉復(fù)摻，以干法工藝改性瀝青混合料，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能，得出如下結(jié)論：

(1)4%摻量的BRA改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高明顯，但橡膠粉等量替換部分BRA會使殘留穩(wěn)定度有所下降，采用粒度較細(xì)的橡膠粉可相對減小混合料殘留穩(wěn)定度的降低量；

(2)采用較細(xì)粒度的橡膠粉與BRA復(fù)摻能明顯提升改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，而且混合料劈裂持荷變形量增大，改善了BRA改性瀝青混合料的脆性；

(3)相對于BRA單一改性瀝青混合料，粒度較粗的橡膠粉等量替換BRA降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但100目的膠粉與BRA復(fù)摻，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升了21.2%；

(4)粒度較細(xì)的4#橡膠粉部分替代BRA可使改性瀝青混合料小梁低溫彎曲的強(qiáng)度、模量及應(yīng)變改善效果均衡化，相對于基準(zhǔn)配比瀝青混合料，其彎拉應(yīng)變略有減小，但彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量分別提高了71.8%和87.5%；

(5)粒度越細(xì)，膠粉與BRA復(fù)合改性混合料的低溫劈裂強(qiáng)度和模量越高，相應(yīng)劈裂壓縮變形量有所降低。