橡膠瀝青混合料疲勞性能影響因素

郭創(chuàng)川

(廣東省交通集團(tuán)有限公司，廣州 510623)

0 引言

我國道路建設(shè)中瀝青路面的應(yīng)用較為廣泛，路面材料瀝青的種類較多，如天然瀝青、石油瀝青、煤焦瀝青等。由于橡膠瀝青具有較為優(yōu)良的使用性能，橡膠瀝青路面在國內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。

目前，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越繁榮，國內(nèi)的人均生活水平與以往相比大幅度提高，汽車的使用逐漸進(jìn)入千家萬戶，隨之而來的問題是廢舊汽車輪胎的處理問題。輪胎作為一種化學(xué)產(chǎn)物，在自然狀態(tài)下不可能被降解，如果放置野外或埋入地下，不僅會(huì)對(duì)土地的利用造成浪費(fèi)，還有可能污染地下水。如果采取焚燒處理，對(duì)空氣的污染會(huì)更大。在國內(nèi)道路修建時(shí)，由于橡膠瀝青的優(yōu)良性能，經(jīng)常用作瀝青路面的瀝青材料[1-3]。然而橡膠瀝青路面經(jīng)常由于其過度疲勞，而產(chǎn)生各種病害。國內(nèi)學(xué)者[2-6]對(duì)瀝青路面混合料的疲勞試驗(yàn)有較深入的探索，但對(duì)橡膠瀝青的運(yùn)用技術(shù)研究尚不多。因此，研究橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響因素，對(duì)橡膠瀝青在路面建設(shè)中的應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案及原材料

1.1 試驗(yàn)方案

采用小梁彎曲試驗(yàn)，加載方式為三分點(diǎn)加載[7]。以疲勞試驗(yàn)試件的加載次數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同橡膠粉摻量、不同空隙率、不同瀝青用量和不同攪拌時(shí)間四種條件下，對(duì)70號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料、加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料和90號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料性能的影響。橡膠顆粒的添加方式為在瀝青與集料拌合時(shí)，直接將橡膠顆粒添加其中，使其拌合均勻。試驗(yàn)方案工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)方案工藝流程

1.2 原材料

1.2.1 瀝青

橡膠瀝青、SBS改性瀝青、70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

表1 橡膠瀝青檢測(cè)結(jié)果

表2 SBS改性瀝青檢測(cè)結(jié)果

表3 70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

1.2.2 集料

集料檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 集料檢測(cè)結(jié)果

1.2.3 橡膠顆粒

橡膠顆?；緟?shù)見表5,橡膠顆粒篩分結(jié)果見表6。

表5 橡膠顆粒基本參數(shù)

表6 橡膠顆粒篩分結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同橡膠粉摻量試驗(yàn)

每組平行試驗(yàn)采用4組試件，記錄每次試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)。每組平行試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)不得少于3個(gè)，測(cè)其有效試件的均值，作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。三組試驗(yàn)中的橡膠顆粒都是在瀝青混合料拌合時(shí)直接添加其中，拌合均勻后形成橡膠瀝青混合料。橡膠顆粒含量為橡膠顆粒的質(zhì)量與瀝青的質(zhì)量比。試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖2所示。

表7 不同橡膠顆粒摻量疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖2 疲勞壽命與橡膠顆粒摻量關(guān)系曲線

由表7和圖2可以看出，疲勞壽命隨著橡膠顆粒摻量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí)，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命達(dá)到最大值43 800次。這是因?yàn)楫?dāng)橡膠瀝青顆粒摻量較少時(shí)，瀝青的含量比較多，此時(shí)橡膠顆粒能夠促進(jìn)瀝青與集料之間的粘結(jié)性能。當(dāng)繼續(xù)添加橡膠顆粒時(shí)，會(huì)使得混合料中游離狀態(tài)的瀝青含量減少，導(dǎo)致其拌和性能和粘結(jié)性能逐漸降低。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青的疲勞壽命在橡膠顆粒摻量為18%時(shí)，達(dá)到最大值31 300次。90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命，隨著橡膠顆粒含量的增加而逐漸增長(zhǎng)，呈單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)。由此可見，橡膠顆粒摻量為20%的橡膠瀝青混合料，其抗疲勞性能優(yōu)于其他兩個(gè)對(duì)比試驗(yàn)組的瀝青混合料。

2.2 不同空隙率試驗(yàn)

本試驗(yàn)為了統(tǒng)一變量，將三組試件的油石比統(tǒng)一為6%，橡膠顆粒摻量采用20%。每組平行試驗(yàn)采用4組試件，記錄每次試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)。每組平行試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，對(duì)比分析三種不同瀝青混合料的性能隨空隙率變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見表8和圖3所示。

表8 不同空隙率疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 疲勞壽命與空隙率關(guān)系曲線

由表8和圖3可以看出，在空隙率逐漸增加的條件下，加德士70號(hào)試件的抗疲勞性能先升高后降低。當(dāng)加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料空隙率為2%時(shí)，該瀝青混合料的疲勞壽命達(dá)到最大值 93 200次，隨后逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)加德士70號(hào)橡膠瀝青空隙率增大時(shí)，瀝青用量相對(duì)較少而引起。在瀝青混合料中瀝青含量較少時(shí)，會(huì)使得瀝青與混合料之間的粘結(jié)性能降低，從而導(dǎo)致試件的抗疲勞性能降低。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青的疲勞壽命在空隙率為2.5%時(shí)，達(dá)到最大值63 200次，隨后逐漸降低。在空隙率逐漸增加的條件下，90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的抗疲勞性能逐漸降低，且沒有最大值。在油石比和橡膠顆粒摻量相同的條件下，空隙率為2%的加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料，在三組試驗(yàn)中其抗疲勞壽命最大，表明其抗疲勞性能最優(yōu)。

2.3 不同瀝青用量試驗(yàn)

本試驗(yàn)將三組試件的空隙率統(tǒng)一為2%，橡膠顆粒摻量采用20%。每組平行試驗(yàn)采用4組試件，記錄每次試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)。每組平行試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，5種不同瀝青用量條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表9和圖4所示。

表9 不同瀝青用量疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 疲勞壽命與油石比關(guān)系曲線

由表9和圖4可以看出，在油石比增加的條件下，加德士70號(hào)試件的抗疲勞性能先升高后降低。當(dāng)加德士70號(hào)試件的油石比為7.0%時(shí)，該試件的抗疲勞性能達(dá)到最大值46 200次，隨后逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)加德士70號(hào)橡膠瀝青油石比增大時(shí)，會(huì)使得瀝青與混合料之間的粘結(jié)性能有所提升，從而導(dǎo)致橡膠瀝青混合料的疲勞壽命有所提高。當(dāng)油石比相對(duì)來說過高時(shí)，會(huì)使得混合料中的游離態(tài)瀝青含量增加，導(dǎo)致其流變性能增加，抗疲勞壽命降低。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青的疲勞壽命在油石比為6%時(shí)，達(dá)到最大值41 200次，隨后逐漸降低。在油石比升高的條件下，90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命逐漸提高，且沒有最值。在空隙率和橡膠顆粒含量相同的條件下，油石比為7.0%的加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料，其抗疲勞壽命最大，其次是油石比為6.0%的70號(hào)道路石油橡膠瀝青混合料。

2.4 不同攪拌時(shí)間試驗(yàn)

本試驗(yàn)試件的油石比統(tǒng)一為6.0%，空隙率采用2%，橡膠顆粒摻量采用20%。每組平行試驗(yàn)采用4組試件，記錄每次試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)。每組平行試驗(yàn)的有效試件個(gè)數(shù)不得少于3個(gè)，對(duì)比分析每種橡膠瀝青混合料在5種不同攪拌時(shí)間條件下，其試件疲勞壽命的變化。試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖5所示。

表10 不同攪拌時(shí)間疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖5 疲勞壽命與攪拌時(shí)間關(guān)系曲線

由表10和圖5可知，在不同攪拌時(shí)間條件下，三種瀝青混合料的疲勞壽命，均隨著攪拌時(shí)間的增加而升高。在攪拌時(shí)間為45～60min時(shí)，瀝青混合料疲勞壽命提高速率均很大。當(dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到60min以上時(shí)，加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料的疲勞壽命提高0.2%；70號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料的疲勞壽命提高0.2%；90號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料的疲勞壽命逐漸提高，并且沒有最值。由此可見,當(dāng)攪拌時(shí)間為45～60min時(shí)，此時(shí)橡膠瀝青混合料未能充分?jǐn)嚢?；?dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到60min以后，其試件的疲勞壽命提高不明顯，說明已攪拌充分。因此，建議橡膠瀝青混合料的攪拌時(shí)間為60min。

3 結(jié)語

本試驗(yàn)選取70號(hào)道路石油瀝青、加德士70號(hào)瀝青和90號(hào)道路石油瀝青三種不同的瀝青材料，在添加橡膠顆粒并制成橡膠瀝青混合料的條件下，通過小梁彎曲試驗(yàn)，對(duì)比分析了三種橡膠瀝青混合料的抗疲勞性能，得出如下主要結(jié)論：

(1)加德士70號(hào)瀝青混合料的疲勞壽命隨著橡膠顆粒摻量的增加而升高，當(dāng)添加劑量為20%時(shí)，有最大值。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命在橡膠顆粒摻量為18%時(shí)，達(dá)到最大值。90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命，隨著橡膠顆粒摻量的增加而逐漸增加。

(2)當(dāng)加德士70號(hào)橡膠瀝青混合料空隙率為2.0%時(shí)，此時(shí)疲勞壽命達(dá)到最大值93 200次。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青的疲勞壽命在空隙率為2.5%時(shí)，疲勞壽命達(dá)到最大值63 200次。在空隙率逐漸增加的條件下，90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的抗疲勞性能逐漸降低，且沒有最大值。

(3)當(dāng)加德士70號(hào)試件的油石比為7%時(shí)，此時(shí)該試件的抗疲勞性能達(dá)到最大值46 200次。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命在油石比為6%時(shí)，達(dá)到最大值41 200次。在油石比升高的條件下，90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混合料的疲勞壽命逐漸提高，且沒有最值。

(4)加德士70號(hào)和70號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料，在攪拌時(shí)間為60min時(shí)，其疲勞壽命增長(zhǎng)率達(dá)到最大。90號(hào)A級(jí)道路石油橡膠瀝青混合料疲勞壽命隨著攪拌時(shí)間逐漸提高，且沒有最值。

(5)當(dāng)橡膠瀝青橡膠顆粒摻量較少、空隙率較小或油石比較大時(shí)，瀝青的含量相對(duì)較多，此時(shí)加入的橡膠顆粒能夠促進(jìn)瀝青與集料之間的粘結(jié)性能，抗疲勞壽命相對(duì)較大。

(6)在實(shí)際工程中，如果使用加德士70號(hào)瀝青來制備橡膠瀝青混合料，建議采用摻量為20%的橡膠顆粒，空隙率采用2.0%，油石比采用7%，攪拌時(shí)間采用60min；如果使用70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青來制備橡膠瀝青混合料，建議混合料空隙率采用2.5%，橡膠顆粒摻量為18%，油石比采用6%，攪拌時(shí)間采用60min。