廢輪胎熱解炭黑改性瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

宋偉， 駱斌斌， 李闖民， 李因翔

(1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司山東分院, 山東 青島 266000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

中國(guó)道路交通流量和行駛頻率急劇增長(zhǎng)，大型車和重載車輛比例隨之增大，超載超速現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，瀝青路面所面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大，路面病害也隨之出現(xiàn)，如裂縫、車轍、泛油、松散等病害現(xiàn)象[1]。若修復(fù)養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，將會(huì)衍生水損害現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞路面結(jié)構(gòu)，不但降低了瀝青路面的使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)行車安全帶來(lái)隱患。

1993年美國(guó)在46號(hào)公路設(shè)立了熱解炭黑改性瀝青混合料試驗(yàn)路并進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：在相對(duì)較短的運(yùn)行期間，熱解炭黑改性瀝青混合料試驗(yàn)段表現(xiàn)良好[2]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱解炭黑改性瀝青混合料高溫性能的研究結(jié)論已基本達(dá)成一致，熱解炭黑摻入可改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[3]。對(duì)于低溫性能及水穩(wěn)定性方面呈兩種觀念：第一種觀念認(rèn)為：熱解炭黑的摻入可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性[4-5]；第二種觀念認(rèn)為熱解炭黑的摻入對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性有不利影響，但影響不大[6]。為深入研究熱解炭黑改性瀝青混合料的路用性能，選用基質(zhì)瀝青和摻量為15%熱解炭黑改性瀝青分別進(jìn)行AC-13配合比設(shè)計(jì)并確定最佳油石比。通過(guò)車轍試驗(yàn)和低溫彎曲小梁試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫破壞強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變等參數(shù)，評(píng)價(jià)兩種混合料的高溫性能和低溫性能。針對(duì)水穩(wěn)定性，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)、浸水飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和APA浸水車轍試驗(yàn)，綜合對(duì)比分析熱解炭黑改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。通過(guò)單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抵抗車輛荷載的能力。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 廢輪胎熱解炭黑

選用中國(guó)產(chǎn)廢輪胎熱解炭黑，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)其檢測(cè)，結(jié)果滿足JT/T 860.7-2017《瀝青混合料改性添加劑 第7部分：廢舊輪胎熱解炭黑》[7]的技術(shù)要求,結(jié)果見表1。

表1 熱解炭黑檢驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青

研究采用高速剪切法，將熱解炭黑平鋪在鐵盤中放入110 ℃左右烘箱中預(yù)熱6 h；取一定量的70#基質(zhì)瀝青于烘箱中加熱熔融至135 ℃；稱取瀝青質(zhì)量15%的熱解炭黑與基質(zhì)瀝青共混，攪拌均勻；先低速進(jìn)行剪切，當(dāng)溫度上升到155 ℃，將剪切速率調(diào)至4 000 r/min，剪切45 min[8]。完成熱解炭黑改性瀝青的制備，將其命名為PCB-15%，其性能指標(biāo)見表2。

表2 PCB-15%改性瀝青性能指標(biāo)

1.3 礦料

粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r集料，填料采用加工磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[9]對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[10]要求，結(jié)果見表3～5。

表3 粗集料檢驗(yàn)結(jié)果

表4 細(xì)集料檢驗(yàn)結(jié)果

表5 礦粉檢測(cè)結(jié)果

1.4 配合比設(shè)計(jì)

選用AC-13型瀝青混合料級(jí)配，并按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整，最后確定礦料的合成級(jí)配如表6所示。合成級(jí)配的礦料比例為(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～5 mm)∶礦粉=26%∶41%∶29%∶4%。

表6 AC-13合成級(jí)配

以4.7%為油石比中值，以0.5%為梯度確定4個(gè)油石比分別為3.7%、4.2%、5.2%、5.7%，以4%為目標(biāo)設(shè)計(jì)空隙率，分別成型熱解炭黑改性瀝青混合料馬歇爾試件，測(cè)定每組油石比試件的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、飽和度、穩(wěn)定度和流值，結(jié)果見表7。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》最終確定PCB改性瀝青混合料最佳油石比為4.7%。按照相同的試驗(yàn)和計(jì)算方法求得基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.6%。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 熱解炭黑改性瀝青混合料路用性能

2.1 高溫性能試驗(yàn)

室內(nèi)車轍試驗(yàn)用于測(cè)定瀝青混合料的高溫抗車轍能力，是評(píng)價(jià)瀝青混合料路用性能的重要指標(biāo)，其測(cè)試方法模擬了瀝青路面的車輛荷載作用。由于瀝青混合料是一種彈塑性材料，當(dāng)夏季高溫時(shí)，混合料中的瀝青變軟，導(dǎo)致瀝青路面強(qiáng)度和勁度模量降低，在車輛荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面的塑性變形也逐漸增大，從而容易形成車轍[11]。研究采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中瀝青混合料車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見:PCB改性瀝青在45 min的變形量和60 min的變形量均小于基質(zhì)瀝青，PCB改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為3 462次/mm，70#基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 624次/mm，PCB改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與基質(zhì)瀝青混合料相比提高了113%，由于PCB通過(guò)其改性機(jī)理提高了基質(zhì)瀝青的黏度和稠度，使瀝青混合料之間的結(jié)構(gòu)力更強(qiáng)，從而提高了瀝青混合料的抗車轍能力。

2.2 低溫抗裂性試驗(yàn)

瀝青路面的低溫抗裂性是指瀝青路面在低溫條件下抵抗溫度收縮而產(chǎn)生裂縫的能力。由于混合料中的瀝青在低溫環(huán)境下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度大幅度下降時(shí)，瀝青逐漸發(fā)硬并開始收縮，若溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)速度大于瀝青混合料的應(yīng)力松弛速度，則混合料的勁度模量將急劇增大，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變會(huì)大于瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致瀝青面層開裂[12-13]。

研究采用低溫彎曲試驗(yàn)，將成型好的車轍板切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，在試驗(yàn)溫度(-10±0.5) ℃條件下，以50 mm/min 的固定加載頻率對(duì)小梁試件進(jìn)行加載，具體結(jié)果見表9。

表9 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知:PCB改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變較基質(zhì)瀝青混合料有明顯的提高，彎曲勁度模量有所下降，抗彎拉強(qiáng)度較基質(zhì)瀝青混合料提高了8%，最大彎拉應(yīng)變提高了17%，勁度模量降低了8.3%， PCB改性瀝青可以有效改善瀝青混合料的低溫抗開裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

瀝青路面在水侵蝕和凍融循環(huán)的作用下，水進(jìn)入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使瀝青與集料之間的黏附性降低，造成瀝青從集料表面發(fā)生剝離，進(jìn)而形成剝落、松散、坑槽等病害，嚴(yán)重影響了路面的性能[14]。依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水飛散試驗(yàn)和APA浸水車轍試驗(yàn)分別評(píng)定兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表10～13所示。

表10 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表11 瀝青混合料凍融劈裂結(jié)果

表12 瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果

表13 瀝青混合料APA試驗(yàn)結(jié)果

由表10、11可知：通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，PCB改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和未凍融劈裂強(qiáng)度與基質(zhì)瀝青相比都有所增大，但浸水殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂比有所下降，說(shuō)明PCB改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性較基質(zhì)瀝青混合料有所下降。但表12浸水飛散試驗(yàn)得出，PCB改性瀝青混合料的浸水飛散損失小于基質(zhì)瀝青混合料，因此對(duì)于PCB改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性需進(jìn)一步驗(yàn)證。

APA車轍試驗(yàn)方法可以更加真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)荷載和環(huán)境狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)車轍存在良好的相關(guān)性[15]。通過(guò)浸水車轍深度、車轍比和試驗(yàn)過(guò)程中觀察試件表面礦料的剝落情況，可更合理地評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性[16-17]。

由表13可知:APA浸水車轍的深度明顯大于APA車轍深度，由于水沖刷和孔隙水壓力的聯(lián)動(dòng)作用，使得瀝青從集料表面剝離，造成礦料的松散。PCB改性瀝青混合料AC-13的車轍深度和浸水車轍深度都明顯小于基質(zhì)瀝青混合料AC-13，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青混合料試件表面輪跡帶范圍剝落現(xiàn)象較PCB改性瀝青混合料試件更為明顯。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為PCB改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性更優(yōu)。

2.4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0738方法分別制作AC-13(熱解炭黑改性瀝青)、AC-13(基質(zhì)瀝青)混合料試件，采用基本性能試驗(yàn)機(jī)(SPT)進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范推薦70#基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料在20 ℃、10 Hz條件下的的動(dòng)態(tài)模量范圍分別為8 000～12 000、8 500～12 500 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表14。

表14 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

由表14可知：基質(zhì)瀝青混合料和PCB改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量分別為9 056.2、10 932.2 MPa，在規(guī)定范圍內(nèi)。PCB改性瀝青混合料AC-13的動(dòng)態(tài)模量大于普通基質(zhì)瀝青混合料AC-13的動(dòng)態(tài)模量。由此可見PCB改性瀝青混合料有更好的抵抗車輛荷載變形的能力。

3 結(jié)論

(1) PCB改性瀝青混合料的車轍變形率和APA車轍深度均低于基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料有顯著的提高，表明PCB改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青；低溫彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：PCB改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均有所提高，因此認(rèn)為PCB改性瀝青混合料的低溫抗裂性優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

(2) 由瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)知，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)與浸水飛散試驗(yàn)和APA浸水車轍試驗(yàn)結(jié)論相反，PCB改性瀝青混合料的APA浸水車轍與車轍比均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中，基質(zhì)瀝青混合料試件表面輪跡帶范圍剝落現(xiàn)象較PCB改性瀝青混合料試件更為明顯。且APA浸水車轍試驗(yàn)方法可以更加真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)荷載和環(huán)境狀態(tài)，可更合理地評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，因此認(rèn)為PCB改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

(3) PCB改性瀝青混合料AC-13的動(dòng)態(tài)模量大于普通基質(zhì)瀝青混合料AC-13的動(dòng)態(tài)模量，PCB改性瀝青混合料有更好的抵抗車輛荷載變形的能力。