廢膠粉改性再生粗骨料瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

鄭惠珍，朱 樸

黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州 362000

隨著我國城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展,截至2020年,建筑垃圾總量已達(dá)200億t,一年增量約35億t,需盡快實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化和綠色化.此外，由于我國汽車保有量逐年增加,一年將多出約4億條廢舊輪胎[1],建筑垃圾和廢舊橡膠的再生利用是實(shí)現(xiàn)資源化的重要方式之一,目前已有學(xué)者對其進(jìn)行研究.

雷斌等[2]人利用有機(jī)硅樹脂和納米碳酸鈣分別對再生集料和瀝青進(jìn)行處理,研究表明,經(jīng)有機(jī)硅樹脂單改性后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最好,雙改性時(shí)其馬歇爾穩(wěn)定度最高.馮新軍等[3]人研究將廢膠粉(RP)摻入TLA改性瀝青中,研究表明,摻廢膠粉后由于增強(qiáng)了混合料的韌性和彈性,其低溫抗裂性增強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性降低,但都符合規(guī)范規(guī)定.尹建偉[1]研究結(jié)果表明,干法摻入40目廢膠粉可以改善瀝青混合料的高、低溫性能,但水穩(wěn)定性降低.鄒桂蓮等[4]人研究不同再生骨料(RA)取代率對瀝青混合料技術(shù)性質(zhì)的影響,結(jié)果表明 ，取代率為20 %時(shí)其高溫穩(wěn)定性最高,取代率增多時(shí),水穩(wěn)定性也增多,但是劈裂強(qiáng)度下降.景清存[5]研究不同再RA取代率的瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和抗滑性能,試驗(yàn)表明,隨著RA取代率增多,其間接拉伸強(qiáng)度降低,抗滑性能提高.Mohammad Zarei等[6]人研究將5 %～20 %不同比例廢膠粉以濕法摻入到瀝青混合料中,結(jié)果表明隨著摻量的增多,馬歇爾穩(wěn)定度先增多后降低,綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境來看5 %～15 %的膠粉含量較為合理.

目前，國內(nèi)外都有將RA或RP摻到混合料中研究其性能,但同時(shí)將RA和RP摻到混合料的研究較少,因此本文將RA和RP同時(shí)摻到混合料中,通過試驗(yàn)分析不同RA取代率、不同RP摻量及不同RP摻加工藝下混合料性能數(shù)據(jù)變化規(guī)律,為RA及RP在瀝青路工程中的實(shí)踐提供參考.

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)使用的是道路石油瀝青,技術(shù)指標(biāo)見表1.從表1可以看出試驗(yàn)使用的瀝青符合規(guī)范要求,同時(shí)經(jīng)濕法改性后的橡膠瀝青粘度、軟化點(diǎn)都有顯著增加,這主要是因?yàn)镽P與瀝青經(jīng)180 ℃拌合,發(fā)生了物理化學(xué)反應(yīng)[7],RP吸收瀝青中的油份后融脹.

表1 試驗(yàn)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of test asphalt

天然粗集料選用的是干燥潔凈的碎石,并區(qū)分5 mm～10 mm和10 mm～20 mm顆粒,RA是實(shí)驗(yàn)室普通C 30垃圾試塊經(jīng)人工用錘子砸碎并篩分出10 mm～20 mm大小的再生粗集料,如圖1所示,性能見表2.砂采用的是干燥潔凈,相對密度≥2.5 t/m3,堅(jiān)固性≥12 %,含泥量≤3 %的中砂,填料為粉煤灰,性能見表3.廢膠粉采用的是60目再生膠粉,性能見表4.

表2 集料性能Table 2 The performance of aggregate

表3 粉煤灰性能Table 3 The performance of fly ash

表4 廢膠粉性能Table 4 The performance of waste rubber powder

(a) 人工砸碎試塊 (b) 10 mm～20 mm再生粗骨料圖1 再生粗集料Fig.1 Recycled coarse aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料采用AC-16級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),集料級(jí)配及合成級(jí)配如圖2所示.經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試配調(diào)整,配合比見表5,因摻入了再生粗骨料,最佳油石比稍大,取6.5 %.

圖2 級(jí)配圖Fig.2 Gradation chart

表5 配合比Table 5 Mix ratio

1.2.2 試驗(yàn)方案

本文采用的試驗(yàn)設(shè)備主要有馬歇爾穩(wěn)定度測定儀、全自動(dòng)瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)、恒溫水槽等.試驗(yàn)方案為將RA及RP以不同摻量分別或同時(shí)摻入到混合料中,研究其性能,其中RP摻入瀝青有兩種工藝,分別為干摻和濕摻.干摻是直接將RP與其他組成材料在攪拌鍋中高溫?zé)岚杌旌?；濕摻是先將RP和瀝青一起加熱并完成化學(xué)反應(yīng),再與其他組成材料進(jìn)行高溫拌合[4].因干法工藝簡單,本文主要采用干法進(jìn)行改性,并研究了一組濕法改性進(jìn)行對比.RA取代率為0 %,50 %和100 %,RP摻量為0 %,20 %和30 %,研究不同RA取代率及不同比例RP摻量的再生粗骨料瀝青混合料(RA-AM)的性能試驗(yàn),以期了解不同摻量的RA及RP對瀝青混合料性能的影響,試驗(yàn)過程如圖3所示.

(a) 馬歇爾試塊 (b) 馬歇爾穩(wěn)定度測定儀 (c) 浸水馬歇爾試塊圖3 試驗(yàn)過程Fig.3 Test process

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度分析

通過馬歇爾穩(wěn)定度評(píng)價(jià)不同比例RP和RA摻入到瀝青混合料中對其抗擠壓、抗車轍能力的影響[8],試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.圖4中各情況下的馬歇爾穩(wěn)定度均符合規(guī)范中MS大于等于8 kN的規(guī)定,其中當(dāng)廢膠粉摻量為0 %時(shí),隨著RA取代率的增加,MS先增多后減少,RA取代率為50 %時(shí)其MS最高,相比50 % RA取代率,100 % RA取代率時(shí)瀝青混合料的MS降低17.09 %,降低不多,原因可能是RA表面的水泥砂漿呈堿性,可提高瀝青與礦料的粘結(jié)力.由圖4還可以看出,無論是干摻還是濕摻,摻入廢膠粉之后,RA-AM的馬歇爾穩(wěn)定度都有一定程度的降低.

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度Fig.4 Marshall stability

采用干法工藝時(shí),隨著RP摻量的增多,馬歇爾穩(wěn)定度減少,相比20 % RP干摻的混合料,當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),30 %廢膠粉摻量的馬歇爾穩(wěn)定度分別降低19.61 %,15.92 %,24.22 %,這主要是由于采用干法拌制時(shí),RP相當(dāng)于只是填充到混合料中,且RP本身是有機(jī)高分子彈性材料,不能承受太大壓力.而相比濕法工藝,干法工藝摻入20 %廢膠粉,當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),MS分別降低27.36 %,24.51 %,29.01 %,這是因?yàn)闈駬綍r(shí),RP與瀝青起化學(xué)反應(yīng),從表1基本性能可知改性后的粘度、軟化點(diǎn)都有顯著增加,但是因廢膠粉本身彈性材料的屬性,不論是干摻還是濕摻,都降低了RA-AM的馬歇爾穩(wěn)定度,且干摻法工藝降低程度更多.

2.2 流值分析

通過流值評(píng)價(jià)各種廢膠粉摻法RA-AM的塑性變形能力,RA及RP對流值的影響如圖5所示,各種RA-AM的流值都小于3 mm,滿足規(guī)范規(guī)定.其中RP摻量為0 %時(shí),隨著RA取代率的增多,混合料的變形變大,其中相比50 % RA取代率,100 % RA取代率時(shí)瀝青混合料的FL增多22.49 %,可能是RA強(qiáng)度低所致.由圖5還可以看出,不管是干摻還是濕摻,摻入廢膠粉之后,RA-AM的流值均有所增加,干法工藝下30 % RP摻量時(shí)混合料的變形最大,20 %廢膠粉摻量次之,相比20 % RP干摻的混合料,當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %，100 % 時(shí),30 % RP摻量的流值分別增加了13.38 %,32.07 %,22.94 %.20 % RP摻量時(shí),相比濕法工藝,干法工藝RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),流值分別增加49.47 %,6.36 %,3.81 %,可見，濕摻工藝相比干摻有效果,但是對于加入RA的瀝青混合料在變形上的效果尚需更多研究去論證.

圖5 流值Fig.5 Flow value

2.3 馬歇爾模數(shù)分析

馬歇爾模數(shù)T=MS/FL,其值越大意味著變形越小,抗車轍能力越好[7]，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.當(dāng)RP摻量為0 %時(shí),隨著RA取代率的增加,馬歇爾模數(shù)不斷減小,相比50 % RA摻量,100 % RA摻量時(shí)馬歇爾模數(shù)降低32.33 %,說明加入再生粗骨料,RA-AM的抗變形能力降低,因此要注意RA的最優(yōu)取代率.此外,不論是干摻還是濕摻RP,馬歇爾模數(shù)相比未摻RP時(shí)均有所降低.其中干摻時(shí),相比20 % RP摻量,30 % RP摻量當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),馬歇爾模數(shù)分別降低29.12 %,36.36 %,38.34 %.20 % RP摻量時(shí),相比干法工藝,濕法工藝RA取代率分別為0 %,50 %,100 % 時(shí),馬歇爾模數(shù)分別增加65.36 %,18.51 %,10.83 %,而在相同RA取代率情況下,20 % 濕摻廢膠粉工藝相比未摻廢膠粉,其馬歇爾模數(shù)當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),分別降低了6.73 %,47.02 %,39.09 %.表明濕摻工藝雖相比干摻工藝有所提高,但是同時(shí)摻入RA和RP均降低了馬歇爾模數(shù).

圖6 馬歇爾模數(shù)Fig.6 Marshall modulus

2.4 殘留穩(wěn)定度分析

殘留穩(wěn)定度主要是表征混合料的耐水性，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.圖7中除了RA和RP摻量都為0 %時(shí)MS0大于70 %,其余各組的殘留穩(wěn)定度都小于70 %.當(dāng)RP摻量為0 %時(shí),隨著RA取代率的增加,相比0 %取代率的RA,50 %和100 % RA取代率時(shí)的殘留穩(wěn)定度分別降低19.44 %,25.00 %,相比50 % RA 取代率,100 % RA 取代率時(shí)MS0降低6.90 %,浸水48 h后RA-AM出現(xiàn)掉?，F(xiàn)象,說明浸水后再生粗骨料與瀝青的粘結(jié)力變差.不論干摻還是濕摻RP,殘留穩(wěn)定度相比未摻RP時(shí)都降低了,其中干摻RP時(shí)的殘留穩(wěn)定度降低更多,在相同20 % RP摻量下,相比濕法工藝,干法工藝RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),殘留穩(wěn)定度分別降低8.70 %,10.87 %,11.36 %,原因在于干摻時(shí)廢膠粉相當(dāng)于只是填充到瀝青中[9],浸水48 h后,廢膠粉顆粒掉粒較為嚴(yán)重,干摻廢膠粉相比濕摻工藝與瀝青粘結(jié)性差.干法工藝下,相比20 % RP摻量,30 %RP摻量當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 % 時(shí),殘留穩(wěn)定度分別降低-2.38 %,0.00 %,7.69 %,因此廢膠粉摻量不宜過多.

圖7 殘留穩(wěn)定度Fig.7 Residual stability

2.5 高溫性能分析

采用車轍試驗(yàn)探討不同RA及RP摻量混合料高溫性能，結(jié)果如圖8所示.

圖8 動(dòng)穩(wěn)定度Fig.8 Dynamic stability

圖8中各種RA-AM的動(dòng)穩(wěn)定度均大于2 800次/mm,滿足規(guī)范規(guī)定.當(dāng)RP摻量為0 %時(shí),隨著RA取代率的增加,動(dòng)穩(wěn)定度先增后減,相比50 % RA取代率,100 % RA取代率時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度降低12.36 %,說明低取代率RA可提高RA-AM的抗高溫變形能力,原因可能是部分RA可提高瀝青與礦料的粘結(jié)力,增加結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度,但高RA取代率時(shí)由于RA強(qiáng)度低,故100 %取代率時(shí)其動(dòng)穩(wěn)定度降低.此外，相比未摻RP,干摻和濕摻RP其動(dòng)穩(wěn)定度均有所提高.其中干摻時(shí),相比20 % RP摻量,30 % RP摻量當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度分別降低2.23 %,6.48 %,7.87 %.20 % RP摻量時(shí),相比干法工藝,濕法工藝RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度分別增加15.04 %,12.41 %,23.26 %.表明濕摻和干摻工藝均對混合料抗高溫變形有效,低摻量RA和RP濕摻效果較佳.

3 結(jié)論

在瀝青混合料中加入不同取代率的RA,并針對再生粗骨料先天缺陷,嘗試采用干摻和濕摻法摻入不同比例再生廢膠粉以期對其改性,通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)RP摻量為0 % 時(shí),隨著RA取代率的增加,馬歇爾穩(wěn)定度先增多后減少,流值增多,馬歇爾模數(shù)和殘留穩(wěn)定度減少,其中相比50 % RA取代率,100 % RA取代率時(shí)MS降低17.09 %,FL增多22.49 %,馬歇爾模數(shù)降低32.33 %,MS0降低 6.90 %,建議RA摻量低于50 %.

(2) 雖在瀝青中濕法摻入廢膠粉提高了瀝青的粘度和軟化點(diǎn),但無論是干摻工藝還是濕摻工藝,摻入RP均降低了馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾模數(shù)和殘留穩(wěn)定度,增加了流值,且隨著RP摻量的增多,降低的會(huì)更低，增多的會(huì)更多.不過濕摻工藝相比干摻工藝降低和增多的程度低,其中20 % 摻量時(shí),相比濕法工藝,干法工藝當(dāng)RA取代率分別為0 %,50 %,100 % 時(shí),MS分別降低27.36 %,24.51 %,29.01 %,FL分別增加49.47 %,6.36 %,3.81 %,馬歇爾模數(shù)分別增加65.36 %,18.51 %,10.83 %,MS0分別降低8.70 %,10.87 %,11.36 %.因此，建議將廢膠粉以低于20 %的摻量濕法摻入瀝青混合料中.

(3) 隨著RA摻量增加,動(dòng)穩(wěn)定度先增多后減小,不論是干摻還是濕摻RP,動(dòng)穩(wěn)定度相比未摻RP時(shí)有所提高,相比干法工藝,濕法工藝RA取代率分別為0 %,50 %,100 %時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度分別增加15.04 %,12.41 %,23.26 %，表明濕摻工藝和干摻工藝均對高溫性能有效,但濕摻效果較佳.