鹽-凍融循環(huán)作用下廢舊輪胎橡膠粉改性瀝青混合料性能研究

李智文

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 廣東 珠海 519000)

1 引言

大量研究、實(shí)踐證明：膠粉改性瀝青路用性能優(yōu)良，被較多地應(yīng)用于筑路行業(yè)。但在中國北方寒冷地區(qū)和季凍地區(qū)，冬季降雪頻繁，路面極易產(chǎn)生積雪、結(jié)冰現(xiàn)象，在這種路面行車時(shí)極易發(fā)生車禍。針對(duì)這一現(xiàn)象，常用的處理辦法是在路面上撒布融雪劑，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械除冰、電熱除冰，撒布融雪劑價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便，但由于融雪劑中含有大量鹽分，在進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部后，尤其是在季凍地區(qū)凍融循環(huán)作用下，會(huì)使路面出現(xiàn)大量早期病害，降低路面的使用壽命，不宜大量使用，這就使得許多學(xué)者對(duì)融雪劑和凍融循壞作用下瀝青混合料的性能進(jìn)行了大量研究。

侯曙光等采用疲勞試驗(yàn)的方式，得到了凍融前后瀝青混合料的耗散能疲勞方程，證明了凍融循環(huán)會(huì)嚴(yán)重降低混合料的疲勞壽命；李兆生等在對(duì)凍融循環(huán)中瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)得到了類似的結(jié)果；熊銳等將硫酸鹽腐蝕與凍融循環(huán)復(fù)合，研究此種狀況下的瀝青混凝土得出：硫酸鹽可以加速凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的破壞，瀝青混凝土抗凍融腐蝕性能可以通過摻加水鎂石纖維進(jìn)行改善，微、納米級(jí)材料也可以改善除冰劑的影響；楊全兵對(duì)凍融循環(huán)條件下混凝土內(nèi)部飽水度和吸入溶液量、溶液結(jié)冰壓和結(jié)冰膨脹率與NaCl濃度的關(guān)系進(jìn)行研究后，分析了混凝土的鹽凍破壞機(jī)理：NaCl濃度升高會(huì)降低溶液結(jié)冰膨脹率和結(jié)冰壓平衡值，但會(huì)顯著提高溶液結(jié)冰壓的臨界飽水度；水溶液中混凝土內(nèi)部飽水度明顯低于NaCl溶液；鹽濃度較低時(shí)，混凝土的鹽凍破壞更為嚴(yán)重。關(guān)于鹽凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料性能的影響，常睿等認(rèn)為鹽凍融循環(huán)次數(shù)增加、鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，凍融溫度降低都會(huì)使瀝青混合料的低溫性能降低；單鳴宇等發(fā)現(xiàn)8%的除冰鹽溶液對(duì)溫拌膠粉改性瀝青混合料的低溫性能影響最大；周曉東等發(fā)現(xiàn)對(duì)于膠粉改性瀝青混合料而言，其疲勞壽命隨著凍融次數(shù)增加而顯著降低；8%的鹽濃度下，疲勞壽命達(dá)到最低，疲勞性能最差；馮蕾等研究得出膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)都有關(guān)，其水穩(wěn)性的劣化主要是由于融雪鹽晶粒進(jìn)入瀝青與集料界面與混合料的空隙，影響瀝青的黏結(jié)性；以及融雪鹽形成的鹽類冰晶在混合料中膨脹與消融，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使混合料結(jié)構(gòu)受損。上述研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是研究大多集中在普通瀝青混合料方面，隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，采用膠粉改性瀝青的用量越來越大，因此研究?jī)鋈谘h(huán)作用下膠粉改性瀝青的各種性能非常必要。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

(1) 基質(zhì)瀝青。試驗(yàn)所采用的基質(zhì)瀝青為SK-90#重交瀝青，其各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。由表1可以看出：基質(zhì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中90#道路石油瀝青A級(jí)要求。

表1 SK-90#重交瀝青性能

(2) 膠粉。試驗(yàn)采用的廢舊輪胎橡膠粉(簡(jiǎn)稱膠粉)為小汽車輪胎加工而成，膠粉目數(shù)為80目(0.18 mm)，具體性能如表2所示。

表2 小車輪胎膠粉化學(xué)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

(3) 橡膠粉改性瀝青。對(duì)于膠粉的摻量，借鑒國內(nèi)外已有研究成果，采用18% SK-90#基質(zhì)瀝青的膠粉，室內(nèi)采用高速剪切儀加工制成橡膠粉改性瀝青，膠粉改性瀝青的基本性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 膠粉改性瀝青性能

2.2 試件制備

溫拌劑采用表面活性劑，瀝青混合料級(jí)配為AC-13，礦料級(jí)配見表4，油石比為4.9%。

表4 AC-13膠粉改性瀝青混合料配合比

參考相關(guān)的文獻(xiàn)，溫拌瀝青混合料采用140 ℃的壓實(shí)溫度，熱拌瀝青混合料采用165 ℃的壓實(shí)溫度，按照規(guī)范要求，室內(nèi)成型馬歇爾試件。

2.3 試驗(yàn)方案介紹

(1) 室內(nèi)采用食用鹽配制鹽水溶液，濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0%、5%、10%、15%，將成型好的試件在-18 ℃冰箱中冷凍16 h后，放置在60 ℃恒溫水浴保持24 h，即為一個(gè)循環(huán)，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、5、10、15、20次。

(2) 三軸重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)采用UTM-100材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，偏應(yīng)力為0.7 MPa，采用加載0.1 s、卸載0.9 s的半正弦波方式加載，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到5 000 με時(shí)或循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 000次，試驗(yàn)停止。

(3) 按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》設(shè)計(jì)瀝青混合料的小梁低溫彎曲試驗(yàn)，現(xiàn)行小梁彎曲試驗(yàn)分為多點(diǎn)加載和單點(diǎn)加載兩種模式，該試驗(yàn)采用單點(diǎn)加載模式，在溫度為-10 ℃、加載速率為50 mm/min條件下加載至小梁試件破壞。依據(jù)規(guī)范進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度RB、最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖、彎曲勁度模量SB計(jì)算，應(yīng)變能密度的計(jì)算參照材料損傷準(zhǔn)則。

3 改性瀝青混合料高溫性能

3.1 鹽水濃度的影響

在三軸重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)中，瀝青混合料的高溫性能可以通過蠕變速率k和5 000次循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)? 000來表征，k和ε5 000越小，瀝青混合料的高溫抗變形能力越好。鹽濃度對(duì)k、ε5 000的影響結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1、2可知：鹽濃度對(duì)瀝青混合料試件的蠕變速率k和5 000次循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)? 000值影響較??；以循環(huán)次數(shù)10次為例，熱拌和溫拌瀝青混凝土在溶液中添加鹽分后，其k值和ε5 000值都會(huì)略微增大，熱拌瀝青混凝土k值在5%的鹽溶液中最大，溫拌瀝青混凝土k值在10%的鹽溶液中最大；熱拌和溫拌瀝青混凝土的ε5 000值都在10%的鹽溶液中最大；溫拌瀝青混凝土的k值和ε5 000值要明顯小于熱拌瀝青混凝土。

圖1 不同鹽濃度下蠕變速率k

圖2 不同鹽濃度下5 000次循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)? 000

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)改性瀝青混合料高溫性能k、ε5 000的影響結(jié)果如圖3、4所示。

由圖3、4可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，瀝青混合料試件k值不斷增加，且10%濃度鹽溶液中的k值明顯大于其他濃度鹽溶液；ε5 000的值也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，同樣10%濃度鹽溶液中的ε5 000值明顯大于其他濃度鹽溶液。這說明10%濃度的鹽溶液對(duì)瀝青的高溫性能影響較大，且溫拌瀝青混凝土k值和ε5 000值要明顯小于熱拌瀝青混凝土。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下蠕變速率k

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下5 000次循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)? 000

4 改性瀝青混合料低溫性能

4.1 鹽凍融對(duì)小梁彎曲試驗(yàn)參數(shù)的影響

在小梁彎曲試驗(yàn)中，瀝青混合料的低溫性能可以由抗彎拉強(qiáng)度Ra、最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖、彎曲勁度模量SB3個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)來表征。Ra、εB越大，SB越小，瀝青混合料低溫性能越好。圖5～7為鹽凍融條件下瀝青混合料力學(xué)性能指標(biāo)變化情況。

圖5 鹽凍融條件下小梁彎曲試驗(yàn)抗彎拉強(qiáng)度Ra

圖6 鹽凍融條件下小梁彎曲試驗(yàn)最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖

圖7 鹽凍融條件下小梁彎曲試驗(yàn)彎曲勁度模量SB

由圖5、6可知：瀝青混合料試件的最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖與抗彎拉強(qiáng)度Ra的變化規(guī)律相同，僅改變鹽溶液濃度，不進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，瀝青混合料試件的抗彎拉強(qiáng)度Ra和最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖無變化；在施加凍融循環(huán)后，Ra值和εB值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加顯著降低，在凍融循環(huán)次數(shù)為20次時(shí)，熱拌瀝青混合料試件的Ra值僅為未施加凍融循環(huán)時(shí)的60%左右，εB值僅為未施加凍融循環(huán)時(shí)的38%左右；控制凍融循環(huán)次數(shù)不變，改變鹽溶液濃度Ra值和εB值也會(huì)變化，在鹽溶液濃度為10%時(shí)Ra值和εB值最??；溫拌瀝青混合料試件的Ra值和εB值大于熱拌瀝青混合料，且在鹽凍循環(huán)條件下其性能劣化的程度優(yōu)于熱拌瀝青混合料。

由圖7可知：在鹽凍融循環(huán)條件下，瀝青混合料試件的彎曲勁度模量SB隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加顯著增大；鹽溶液濃度的升高也會(huì)增加SB值，但在濃度由10%增加到15%時(shí)SB值會(huì)有所下降；溫拌瀝青混合料試件的SB值小于熱拌瀝青混合料試件。

4.2 彎曲應(yīng)變能密度Wf

瀝青是黏彈性材料，但在低溫環(huán)境中，瀝青混合料表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，可以視為彈性材料。瀝青混合料的低溫抗裂性能與其內(nèi)部所存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能有關(guān)，開裂就是其內(nèi)部能力耗散的一個(gè)過程，這樣就可以將瀝青混合料的材料損傷與單位體積內(nèi)的能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來，以dw/dv來表征，dw/dv稱為應(yīng)變能密度，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：σij為應(yīng)力分量；εij為應(yīng)變分量；ε0為臨界應(yīng)變(最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變)。

在低溫彎曲小梁試驗(yàn)中，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為三次多項(xiàng)式：

σ=A+Bε+Cε2+Dε3

(2)

式中：σ為應(yīng)力；A、B、C、D為材料基本參數(shù)。

將式(1)、(2)合并：

(3)

瀝青混合料彎曲應(yīng)變能密度計(jì)算結(jié)果見圖8。

由圖8可知:在經(jīng)歷鹽凍融循環(huán)后，瀝青混合料試件的彎曲應(yīng)變能密度會(huì)明顯下降，其下降的幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，以熱拌瀝青混合料試件為例，凍融循環(huán)次數(shù)由0次增加到5次時(shí)，應(yīng)變能密度約降低50%；凍融循環(huán)次數(shù)由15次增加到20次時(shí)，應(yīng)變能密度約降低20%，這說明在鹽凍融循環(huán)作用初期，瀝青混合料的低溫性能下降較快，較好地解釋了寒冷地區(qū)在撒布融雪劑后更易出現(xiàn)早期病害的現(xiàn)象；并且相同凍融循環(huán)次數(shù)下，10%濃度的鹽溶液中應(yīng)變能密度下降幅度更大；溫拌瀝青混合料的應(yīng)變能密度要大于熱拌瀝青混合料。

分析圖8發(fā)現(xiàn)：在凍融循環(huán)次數(shù)一定，鹽溶液濃度為0%～10%時(shí)，隨著鹽溶液濃度的增加，瀝青混合料的低溫性能下降。這是由于在較低濃度時(shí)，鹽溶液濃度的增加使混凝土內(nèi)部飽水度顯著增加，降低了瀝青混合料的低溫性能。當(dāng)鹽溶液濃度由10%增加到15%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)的變化已經(jīng)不太明顯，甚至有一定的回升趨勢(shì)，可能是由于鹽溶液濃度在10%左右時(shí)，瀝青膜內(nèi)部與混合料空隙中鹽分已經(jīng)飽和，繼續(xù)增大鹽溶液濃度會(huì)降低溶液結(jié)冰壓和結(jié)冰膨脹率，使得溶液產(chǎn)生結(jié)冰壓的臨界飽水度上升，對(duì)瀝青混合料的鹽凍剝蝕破壞起到一定緩解作用。

圖8 瀝青混合料彎曲應(yīng)變能密度Wf

5 結(jié)論

(1) 鹽凍循環(huán)作用使瀝青混合料高溫性能降低，其中凍融循環(huán)次數(shù)占主要作用，凍融循環(huán)次數(shù)一定條件下，鹽溶液濃度的改變對(duì)其高溫性能影響不大。

(2) 鹽凍循環(huán)作用使瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)中的抗彎拉強(qiáng)度Ra、最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖、彎曲勁度模量SB3個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和應(yīng)變能密度Wf變化顯著，即瀝青混合料的低溫性能顯著降低；鹽凍融循環(huán)作用的初期，瀝青混合料的低溫性能下降更快。

(3) 鹽溶液濃度為10%左右時(shí)對(duì)瀝青混合料的高、低溫性能影響最大，再增加鹽溶液濃度可使瀝青混合料的高、低溫性能有一定回升，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免撒布此濃度的融雪劑。

(4) 溫拌瀝青混合料的高、低溫性能都優(yōu)于熱拌瀝青混合料。