高摻量膠粉改性瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能研究

趙占林 蒲昌瑜 薛 冬 高占華 趙 偉

(1.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 石家莊 050091;2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊 050091 3.河北雄安榮烏高速公路有限公司 保定 071700)

我國現(xiàn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)體系是基于傳統(tǒng)的體積設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)調(diào)礦料級配的作用,忽視瀝青膠漿和砂漿的影響。膠漿是由瀝青和礦粉組成,而砂漿是由瀝青、礦粉和細(xì)集料組成,他們的組成結(jié)構(gòu)決定了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫變形能力。王國清等[1]利用高溫錐入度試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)對20%和30%膠粉改性瀝青進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)增加膠粉摻量可有效改善瀝青的高、低溫性能。王新強(qiáng)等[2-3]對膠粉瀝青砂漿與混合料復(fù)合模量的關(guān)聯(lián)性以及不同膠粉瀝青砂漿摻量對動(dòng)態(tài)模量的影響進(jìn)行了研究。崔世超等[4]以溫拌膠粉改性瀝青砂漿及熱拌膠粉改性瀝青砂漿為研究對象,分析了紫外線老化時(shí)長對瀝青開裂特性的影響。 E.G.X. 等[5]研究了填料類型和瀝青膠漿流變性能對瀝青膠漿-集料相互作用的影響。Xu G.等[6]通過室內(nèi)模擬氣候老化研究了自然氣候?qū)Σ煌勰z比基質(zhì)瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿黏彈性和疲勞性能的影響。Wei Z.Y.等[7]通過旋轉(zhuǎn)黏度測試、動(dòng)態(tài)剪切流變儀測試和彎曲梁流變儀測試研究了鐵尾礦填料和石灰填料膠漿的流變行為。MENG Y.J.等[8]將鋼渣和廢橡膠摻入瀝青中以制備瀝青膠漿,采用多種試驗(yàn)方法對瀝青膠漿的高溫性能進(jìn)行了研究。

國內(nèi)外對瀝青膠漿已有大量研究,但多數(shù)集中在SBS改性瀝青膠漿,而對膠粉改性瀝青尤其是高摻量膠粉改性瀝青砂漿研究較少。因此,本文借鑒國內(nèi)外斷級配膠粉改性瀝青混合料和瀝青瑪蹄脂碎石的組成特點(diǎn)及已有研究成果[9],將粗集料和瀝青砂漿組成的混合料稱為膠粉改性瀝青碎石(stone rubber asphalt,SRA)。通過粗、細(xì)集料級配設(shè)計(jì)分別對關(guān)鍵篩孔通過率控制點(diǎn)進(jìn)行研究,并研究瀝青砂漿填充率對高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13高、低溫性能和抗疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

瀝青采用30%膠粉(粒徑不小于380 μm的廢輪胎膠粉)摻量的膠粉改性瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料為張家口蔚縣的玄武巖石料,細(xì)集料為0～3 mm規(guī)格機(jī)制砂,填料為石灰?guī)r石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉,其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 膠粉改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

首先通過改變9.5～16 mm和4.75～9.5 mm摻配比例進(jìn)行粗集料級配設(shè)計(jì),根據(jù)混合料性能確定9.5 mm關(guān)鍵篩孔通過率。其次根據(jù)粗集料級配設(shè)計(jì)結(jié)果固定9.5 mm和0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過率,通過改變4.75 mm關(guān)鍵篩孔通過率進(jìn)行細(xì)集料級配設(shè)計(jì),并根據(jù)混合料性能確定4.75 mm關(guān)鍵篩孔通過率。根據(jù)粗、細(xì)集料級配研究成果采用馬歇爾法進(jìn)行合成級配設(shè)計(jì),以最佳油石比條件下瀝青砂漿填充率的80%,90%,100%和110%進(jìn)行瀝青砂漿填充,確定各檔集料和填料的摻配比例。通過瀝青膜厚度和集料比表面積估算膠粉改性瀝青用量,最終研究瀝青砂漿填充率對混合料性能的影響。

1.3 試驗(yàn)方案

將粗集料篩分成單檔,然后進(jìn)行逐檔填充試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,分別采用干搗實(shí)法和PCG旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行骨架間隙率測定。以最小骨架間隙率對應(yīng)的摻配比例作為粗集料級配優(yōu)化的依據(jù)。

1.3.1粗集料級配設(shè)計(jì)

采用等量遞減法設(shè)計(jì)9.5～16 mm和4.75～9.5 mm 2檔粗集料的主骨架,粗集料骨架間隙率VCA采用搗實(shí)法和PCG旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行測定。其中,VCAd為搗實(shí)法測試的粗集料骨架間隙率,VCA30和VCA40分別為PCG旋轉(zhuǎn)30次和40次測試的粗集料骨架間隙率。不同方法骨架間隙率測試結(jié)果見圖1。由圖1可知,2種方法測試的不同摻配比例粗集料骨架間隙率變化趨勢基本一致,搗實(shí)法測試結(jié)果整體偏小。當(dāng)9.5～16 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料摻配比例為7∶3、6∶4、5∶5及4∶6時(shí),粗集料骨架間隙率較小,集料之間較為緊密。因此,本文采用搗實(shí)法進(jìn)行粗集料骨架間隙率測試,并將上述摻配比例作為粗集料級配優(yōu)化的依據(jù)。

圖1 不同方法骨架間隙率測試結(jié)果

1) 9.5～16 mm與4.75～9.5 mm不同摻配比例的級配組成。擬定設(shè)計(jì)空隙率為4%,礦粉摻量為8%,高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13油石比為6.0%。根據(jù)體積設(shè)計(jì)法由式(1)分別得到4種粗、細(xì)集料摻配比例計(jì)算結(jié)果,見表2?；旌狭虾铣杉壟浞謩e采用GC1、GC2、GC3和GC4表示,見表3。

(1)

式中:qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉,以及瀝青質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%;ρf、ρp分別為細(xì)集料、礦粉表觀密度,g/cm3;ρa(bǔ)為瀝青密度,g/cm3;ρ為粗集料干搗實(shí)密度,g/cm3;VCA為粗集料骨架間隙率,%;Va為瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率,%;C為粗集料用量;F為細(xì)集料用量;OAC為油石比;9.5～16 mm與4.75～9.5 mm摻配比例用“C1∶C2”表示。

表2 粗、細(xì)集料摻配比例計(jì)算結(jié)果

表3 粗集料不同摻配比例合成級配

2) 性能檢驗(yàn)。根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對上述4種級配分別進(jìn)行高、低溫性能和水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。結(jié)果見表4。其中,DS為動(dòng)穩(wěn)定度,εB為最大彎拉應(yīng)變,MS0為浸水殘留穩(wěn)定度,TSR為凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比。

表4 SRA-13不同合成級配混合料性能

由表4可知,4種級配動(dòng)穩(wěn)定度均大于6 000次/mm,最大彎拉應(yīng)變均大于3 000×10-6,而水穩(wěn)定性基本相當(dāng)。GC3和GC4動(dòng)穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變明顯優(yōu)于GC1和GC2,而GC3和GC4動(dòng)穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變基本相當(dāng)。因此,建議粗集料級配控制在GC3和GC4之間,相應(yīng)的9.5 mm篩孔通過率控制在62.8%～70.1%之間。

1.3.2細(xì)集料級配設(shè)計(jì)

1) 設(shè)計(jì)級配。根據(jù)粗集料級配設(shè)計(jì)研究結(jié)果,固定9.5 mm關(guān)鍵篩孔通過率在66%左右,同時(shí)固定0.075 mm篩孔通過率為8%,考慮到關(guān)鍵篩孔4.75 mm對混合料骨架結(jié)構(gòu)的形成和混合料性能的影響,設(shè)計(jì)出3種混合料級配,分別用GF1、GF2和GF3表示,具體級配組成見表5。

表5 SRA-13的不同設(shè)計(jì)級配

2) 確定最佳油石比。依據(jù)馬歇爾方法,3種級配所對應(yīng)的最佳油石比與體積指標(biāo)見表6。其中,γf為毛體積相對密度,VMA為礦料間隙率,VFA為瀝青飽和度,VCA為粗集料骨架間隙率。

表6 SRA-13不同礦料級配確定的最佳油石比和體積參數(shù)

由表5和表6可知,隨著4.75 mm篩孔通過率增加,最佳油石比和礦料間隙率呈現(xiàn)階梯型遞減,最佳油石比降幅在0.6%左右,礦料間隙率降幅在1.0%左右。據(jù)此可知,關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率對最佳油石比具有顯著的影響。

3) 性能檢驗(yàn)。對上述3種級配進(jìn)行路用性能檢驗(yàn),結(jié)果見表7。

表7 SRA-13不同礦料級配混合料性能

由表7可知,當(dāng)關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率在30%左右時(shí),高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13動(dòng)穩(wěn)定度最大,高溫抗車轍性能較優(yōu),且最大彎拉應(yīng)變和水穩(wěn)定性較好。因此將關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率控制在30%左右,混合料性能最為均衡。

1.3.3配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行合成級配設(shè)計(jì),粗集料骨架間隙率為39.8%,混合料設(shè)計(jì)空隙率為4%。假定最佳油石比條件下瀝青砂漿填充率為100%,分別按照80%,90%,100%和110%瀝青砂漿填充率并依據(jù)主骨料填充法(CAVF法)[10]設(shè)計(jì)出4種混合料級配,分別用G1、G2、G3和G4表示,見表8。

表8 不同砂漿填充率合成級配

根據(jù)JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》計(jì)算4種混合料級配的比表面積,選取瀝青膜厚度為9 mm,根據(jù)瀝青膜厚度和集料比表面積初步確定瀝青用量,估算混合料油石比分別為5.04%,5.70%,6.05%和6.50%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

膠粉改性瀝青碎石SRA-13高溫性能采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià),試驗(yàn)溫度為60 ℃,輪壓為0.7 MPa。試件采用輪碾法成型,規(guī)格為300 mm×300 mm×50 mm,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知,膠粉改性瀝青碎石SRA-13砂漿填充率與動(dòng)穩(wěn)定度具有良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.986 1。4種級配動(dòng)穩(wěn)定度均超過5 000次/mm,隨著瀝青砂漿填充率的增加,膠粉改性瀝青碎石SRA-13動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。與正常瀝青砂漿填充率混合料相比,砂漿填充率80%混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了77%,砂漿填充率110%混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低了24%。從混合料結(jié)構(gòu)上分析,砂漿填充率80%混合料由于瀝青砂漿填充率較小,混合料呈骨架空隙結(jié)構(gòu),抗車轍變形能力強(qiáng)。而砂漿填充率110%混合料由于瀝青砂漿填充率超過正常填充率,導(dǎo)致混合料呈密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu),故抗車轍變形能力相對較差。

圖2 砂漿填充率與高溫穩(wěn)定性關(guān)系

2.2 低溫抗裂性

膠粉改性瀝青碎石SRA-13低溫抗裂性能采用低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià),試驗(yàn)溫度為-10 ℃,加載速率為50 mm/min。試件采用輪碾法成型后切制的250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 砂漿填充率與低溫抗裂性關(guān)系

由圖3可知,膠粉改性瀝青碎石SRA-13低溫抗裂性能與砂漿填充率具有較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 8?；旌狭系牡蜏乜沽研阅茈S著砂漿填充率增大而逐漸提高,與正常砂漿填充率相比,砂漿填充率80%的最大彎拉應(yīng)變降低了約24%,砂漿填充率110%最大彎拉應(yīng)變增長幅度很小。

2.3 抗疲勞性能

膠粉改性瀝青碎石SRA-13抗疲勞性能采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià),采用輪碾法成型板塊試件并切割成380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件。采用UTM試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為10 ℃,加載模式為四點(diǎn)應(yīng)變控制正弦荷載加載,采用600×10-6進(jìn)行應(yīng)變控制,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 砂漿填充率與抗疲勞性能關(guān)系

由圖4可知,膠粉改性瀝青SRA-13疲勞壽命與填充率具有較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.996 0。疲勞壽命隨著砂漿填充率增大而逐漸增大,與正常瀝青砂漿填充率相比,砂漿填充率110%混合料的疲勞壽命提高了約60%,而砂漿填充率80%混合料的疲勞壽命降低了57%,降低幅度較大。由此可知,砂漿填充率對膠粉改性瀝青碎石SRA-13疲勞壽命具有顯著的影響。

3 結(jié)論

1) 采用搗實(shí)法和PCG旋轉(zhuǎn)法2種方法測試的粗集料骨架間隙率結(jié)果變化趨勢基本一致,但搗實(shí)法粗集料骨架間隙率測試結(jié)果整體偏小。當(dāng)關(guān)鍵篩孔9.5 mm通過率在62.8%～70.1%之間時(shí),高摻量膠粉改性瀝青SRA-13的高、低溫性能較優(yōu),水穩(wěn)定性基本相當(dāng)。固定9.5 mm篩孔通過率為66%,當(dāng)關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率在30%左右時(shí),高摻量膠粉改性瀝青SRA-13高、低溫性能和水穩(wěn)定性較優(yōu)且最為均衡。

2) 膠粉改性瀝青SRA-13砂漿填充率與動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變和疲勞壽命具有較高的相關(guān)性。隨著瀝青砂漿填充率增大,混合料動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢,低溫彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,疲勞壽命呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。

3) 與正常瀝青砂漿填充率混合料相比,砂漿填充率80%混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了77%,最大彎拉應(yīng)變降低了約24%,疲勞壽命降低了57%;而砂漿填充率110%混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低了24%,最大彎拉應(yīng)變小幅度提高,疲勞壽命提高了約60%。