脫硫膠粉改性瀝青混合料路用性能研究

王 巍

（保定市交通運輸局 順平縣養(yǎng)路工區(qū)，河北 保定 072250）

引言

隨著我國交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，公路交通量日漸增加，普通瀝青路面已不能滿足現(xiàn)代交通行業(yè)耐久性、抗老化性、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性的需求［1-2］。由于瀝青與普通膠粉兩者的相容性較差，膠粉顆粒易發(fā)生溶脹分散到瀝青基體中，使得瀝青黏度增大，流動性降低，給施工帶來難壓實的困難。而且瀝青與膠粉顆粒之間易產(chǎn)生分層離析導致貯存穩(wěn)定性差等劣勢，嚴重限制了橡膠瀝青的應用范圍和工廠化進程［3］。脫硫膠粉改性瀝青中瀝青與脫硫膠粉能夠發(fā)生化學反應［4］，使得瀝青黏度大幅降低，在保證原普通橡膠瀝青性能的前提下，能夠有效改善普通橡膠瀝青的缺陷，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 材料與方法

選用外摻質量百分比為25%脫硫膠粉的改性SPC90#A 級瀝青作為脫硫膠粉改性瀝青。橡膠瀝青采用AC-16 型瀝青混合料，礦料類型為礦粉、河砂、2.36 ～4.75 mm 碎石、4.75 ～9.5 mm 碎石以及9.5 ～19 mm 碎石，級配曲線見圖 1。

圖1 AC-16 型脫硫膠粉改性瀝青混合料配合比設計曲線

不同溫度下脫硫膠粉改性瀝青馬歇爾試件的各項指標試驗結果見表1、表2。

表1 馬歇爾試件成型溫度控制

表2 馬歇爾試件物理力學指標

由表1、表2 可以看出，擊實溫度對馬歇爾試件穩(wěn)定度和空隙率的影響較低，不同擊實溫度下混合料各項指標與油石比間的關系曲線基本相似。提高溫度有利于脫硫膠粉改性瀝青的流動性，較高溫度擊實下的試件毛體積密度更大。相同油石比下，隨著擊實溫度的升高混合料流值增大。擊實溫度對試件密度與穩(wěn)定度的影響主要表現(xiàn)在對應的油石比變大。通過計算得到條件I、條件II 的最佳油石比分別為5.6%、5.7%。

2 結果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

車轍試驗評價脫硫膠粉改性瀝青混合料高溫性能結果見表3。

表3 高溫車轍試驗結果

由表3 可以看出，加入橡膠粉能夠明顯提升基質瀝青的高溫性能，三種試件的動穩(wěn)定度均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）。對于動穩(wěn)定度而言，脫硫膠粉改性瀝青試件最好，普通橡膠瀝青混合料次之，最后是SBS 改性瀝青。相同試驗條件下，試件高溫穩(wěn)定性與其混合料空隙率、油石比以及級配類型等息息相關，試驗溫度對試件的高溫性能有一定影響。

不同制備溫度條件下脫硫膠粉改性瀝青試件的車轍試驗結果見表4。

表4 脫硫膠粉改性瀝青試件車轍試驗結果

由表4 可以看出，165 ℃下制備的脫硫膠粉改性瀝青試件的總變形量大于185 ℃下制備的改性瀝青混合料試件。不同溫度制備的試件車轍板的兩側出現(xiàn)部分隆起變形，主要是由于混合料間的黏結作用，當受到豎向壓力時部分混合料向下移動，此時車轍板四壁阻礙混合料底部的移動僅在碾壓范圍兩側發(fā)生隆起。試驗溫度較高時瀝青混合料的流動性增強，試件的空隙率變小，能夠抵抗輪載作用下的側向變形。同時在脫硫膠粉改性瀝青膠結料的作用下內(nèi)部集料不易發(fā)生流動變形，能夠有效提升混合料的動穩(wěn)定度。

2.2 低溫抗裂性分析

將成型的車轍板制作成棱柱體小梁，跨徑長為200±0.5 mm，加載速率控制在50 mm/min，試驗溫度控制在-10±0.5 ℃，試驗結果見表5。

表5 低溫小梁彎曲試驗結果

由表5 可以看出，三種試件的低溫破壞應變均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），與普通橡膠瀝青混合料相比脫硫膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性能顯著提高。在低溫延度試驗中，脫硫膠粉改性瀝青中沒有較大的顆粒存在，膠粉顆粒得到充分溶解，膠粉顆粒變形較為均勻，其周圍應力集中較小，低溫延度存在明顯的規(guī)律性。而普通橡膠瀝青內(nèi)部存在大顆粒橡膠，導致瀝青與橡膠顆粒之間出現(xiàn)大量銀紋，產(chǎn)生的應力集中也越為明顯。此時瀝青的變形遠遠大于橡膠顆粒，因此，普通橡膠瀝青低溫試驗結果離散性較大且延度較低。在-10 ℃試驗環(huán)境下，脫硫膠粉改性瀝青具有良好的延展性，黏彈性部分較多，抵抗變形能力較強。而SBS 改性瀝青混合料最大破壞應變明顯高于脫硫膠粉改性瀝青，表明摻入SBS 改性劑的能夠提升低溫狀態(tài)下瀝青混合料的變形能力，低溫抗裂性能較好，且能夠承受較大的抗拉能力［5］。勁度模量越小，表明試件的低溫抗變形能力越強，主要是由于瀝青與脫硫膠粉具有較強的相容性，脫硫膠粉改性瀝青試件中的膠粉尺寸較小且殘余數(shù)量更少，高溫時其流動性較強、黏度更低，試件也更為密實。

不同制備溫度條件下試件的低溫小梁彎曲試驗結果見表6。

表6 試件的低溫小梁彎曲試驗結果

由表6 可以看出，制備溫度對脫硫膠粉改性瀝青試件的低溫抗裂性能有較大影響。（1）制備溫度由185 ℃降低至165 ℃時，脫硫膠粉改性瀝青試件的抗彎拉強度、最大彎拉應變比低溫延度降幅較小，進一步證明脫硫膠粉改性瀝青低溫抗裂性能與其低溫延度指標具有很好的相關性。（2）試驗溫度降低至165 ℃時，雖然試件的破壞應變略有降低，完全滿足低等級公路及二級公路的需求。

2.3 水穩(wěn)定性分析

通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對試件水穩(wěn)性進行評價，試驗結果見表7 ～表9。

表7 凍融劈裂試驗結果

表8 不同制備溫度條件下脫硫膠粉改性瀝青試件的低溫小梁彎曲試驗結果

表9 殘留穩(wěn)定度試驗結果

由表7 可以看出，三種瀝青試件凍融后劈裂強度TSR 均有所降低。其中，脫硫膠粉改性瀝青試件凍融劈裂強度高達95.65%，比普通橡膠瀝青試件和SBS 改性瀝青試件分別提高11.83%和4.5%。由此表明脫硫膠粉改性瀝青試件的抗水損害性能高于SBS 改性瀝青試件，遠優(yōu)于普通橡膠瀝青試件。對比可以發(fā)現(xiàn)，凍融前SBS 改性瀝青試件的劈裂強度比其余兩種試件要高。主要由于凍融劈裂試驗時，SBS改性瀝青試件內(nèi)部骨料顆粒主要承受拉伸作用，具有較高的低溫延展度，使得馬歇爾試件不易變形破壞。但由于普通膠粉顆粒和SBS 改性劑均以物理溶脹狀態(tài)分散于混合料中，凍融后對低溫環(huán)境和水尤為敏感，改性劑顆粒本身性質受到破壞劈裂強度有大幅降低。

由表8 可以看出，加工溫度對脫硫膠粉改性瀝青試件的水穩(wěn)定性有較大影響，加工溫度降低至160 ℃時，試件的TSR值仍比普通橡膠瀝青試件高約4.92%，滿足《橡膠瀝青路面施工技術規(guī)范》（DB61/T 1021—2016）要求，瀝青混合料技術性能完全滿足路用性能要求。

由表9 可以看出，殘留穩(wěn)定度試驗結果與凍融劈裂試驗結果的變化規(guī)律基本相似，均表明脫硫膠粉改性瀝青試件具有優(yōu)異的性能水穩(wěn)定性。凍融后試件浸水48 h 后的穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度均有所降低，即抗壓性能和抗劈裂性能下降。對比可以看出，三種混合料的水穩(wěn)定性大小依次為脫硫膠粉改性瀝青試件＞SBS 改性瀝青試件＞普通橡膠瀝青試件。（1）由于瀝青與脫硫膠粉具有較高的相容性，馬歇爾試件成型過程中流動性較大，凍融過程中水分不易進入試件內(nèi)部，試件相對較為密實，水分所產(chǎn)生的滲透壓與膨脹壓對脫硫膠粉改性瀝青膜影響較小。（2）脫硫膠粉具有良好的黏結作用，使得試件內(nèi)部骨料之間黏結力增大，試件整體性更好。因此，混合料施工過程中適當?shù)脑黾幽雺捍螖?shù)，能夠提高試件的水穩(wěn)定性。

3 結語

利用脫硫膠粉對瀝青進行改性，并對脫硫膠粉改性瀝青混合料的路用性能進行研究，得出結論：（1）從路用性能對比數(shù)據(jù)來看，脫硫膠粉的摻加降低了瀝青的用量和馬歇爾成型溫度。（2）脫硫膠粉改性瀝青混合料的低溫破壞應變和動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能優(yōu)于普通橡膠瀝青混合料，其凍融劈裂強度高達95.65%，且采用脫硫膠粉制備改性瀝青可以將室內(nèi)試驗生產(chǎn)溫度降低10 ～20 ℃，能夠降低能源的消耗，擴大橡膠瀝青的應用范圍。