拌和與擊實(shí)溫度對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的影響研究

李成

【摘要：】為研究溫拌橡膠瀝青混合料拌和與擊實(shí)溫度的確立方法及其對(duì)混合料路用性能的影響，文章在溫拌橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)建立不同擊實(shí)溫度條件下空隙率的變化曲線和擬合方程，以熱拌橡膠瀝青混合料的空隙率作為目標(biāo)空隙率，求出溫拌橡膠瀝青混合料的最佳拌和與擊實(shí)溫度，并進(jìn)行該成型條件下的路用性能對(duì)比分析。結(jié)果表明：溫拌橡膠瀝青混合料的成型溫度較熱拌橡膠瀝青混合料顯著下降，其最佳擊實(shí)溫度和拌和溫度控制在146 ℃和156 ℃;就路用性能表現(xiàn)而言，其高溫性能明顯增加，水穩(wěn)定性保持穩(wěn)定，低溫性能出現(xiàn)略微衰減，可有效滿足道路使用要求。

【關(guān)鍵詞：】溫拌橡膠瀝青混合料;拌和與擊實(shí)溫度;性能指標(biāo)

U416.03A250763

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展背景下，實(shí)現(xiàn)瀝青路面的可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)道路建設(shè)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。而橡膠瀝青既能消納大量廢舊輪胎制成的膠粉，又能有效提升瀝青的路用性能，在我國(guó)作為一種綠色環(huán)保材料受到廣泛關(guān)注[1]。但在橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)溫度較高，會(huì)產(chǎn)生較多的碳排放以及有害氣體，不僅污染環(huán)境，對(duì)瀝青也會(huì)造成一定程度的老化，使其混合料性能受損，這也是當(dāng)前橡膠瀝青混合料推廣受限的主要因素。而溫拌技術(shù)能夠有效降低混合料的施工溫度，如果兩者相結(jié)合可將橡膠瀝青升級(jí)成更全面的“綠色”道路建設(shè)新材料，對(duì)其應(yīng)用推廣將有極大的促進(jìn)意義[2-5]。

目前相關(guān)研究主要集中在溫拌橡膠瀝青路用性能方面，而對(duì)混合料的拌和與擊實(shí)溫度這一質(zhì)量關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)研究較少。因此，本文基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料拌和與擊實(shí)溫度的確立方法及其對(duì)混合料路用性能的影響進(jìn)行相關(guān)研究，為今后同類型工程的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

采用殼牌70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，以常州榮奧化工新材料有限公司產(chǎn)的20～60目橡膠粉作為橡膠粉原材料，粗、細(xì)集料分別采用玄武巖及石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉采用磨細(xì)石灰?guī)r，纖維采用木質(zhì)素纖維，采用有機(jī)降粘型溫拌劑Sasobit作為溫拌劑原材料。主要材料技術(shù)指標(biāo)如表1～2所示。

1.2 溫拌橡膠瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)后，加入設(shè)計(jì)摻量的橡膠粉，普通攪拌1 h后再高速剪切10 min即可制得橡膠瀝青。在橡膠瀝青基礎(chǔ)上加入設(shè)計(jì)摻量的溫拌劑普通攪拌5 min即可制得溫拌橡膠瀝青。整個(gè)加工過程溫度維持在180 ℃～190 ℃，普通攪拌速率為500 rad/min，高速剪切速率為4 000～5 000 rad/min。各組分質(zhì)量比為基質(zhì)瀝青∶橡膠粉∶溫拌劑=100∶20∶3。

1.3 試驗(yàn)方案

在溫拌橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)建立混合料在不同擊實(shí)溫度條件下的空隙率變化曲線并求得擬合方程，以熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比條件下的空隙率作為目標(biāo)空隙率，求出溫拌橡膠瀝青混合料的最佳拌和與擊實(shí)溫度，并在該成型條件下進(jìn)行混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)等路用性能對(duì)比試驗(yàn)。

拌和與擊實(shí)溫度對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的影響研究/李 成

2 溫拌橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

通過前期試驗(yàn)及綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)工程分析，確定采用SMA-13作為熱拌橡膠瀝青混合料的級(jí)配類型，選定的合成級(jí)配及其限定范圍如圖1所示。

參考同類型施工經(jīng)驗(yàn)，選取6.1%、6.6%、7.1%和7.6%四個(gè)不同油石比制備熱拌橡膠瀝青混合料SMA-13馬歇爾試件，其制備方法及要求依據(jù)《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）進(jìn)行控制，其拌和溫度范圍控制在185 ℃，擊實(shí)溫度控制在175 ℃。相關(guān)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

以目標(biāo)空隙率5.2確定熱拌橡膠瀝青混合料SMA-13的最佳瀝青用量為6.6%。研究表明，溫拌劑的加入不會(huì)使得混合料的瀝青用量產(chǎn)生明顯變化，同時(shí)溫拌橡膠瀝青混合料的級(jí)配與瀝青用量一般是沿用熱拌橡膠瀝青混合料相關(guān)參數(shù)。為便于分析溫拌橡膠瀝青混合料路用性能在拌和溫度與擊實(shí)溫度影響下的變化，本文選定熱拌瀝青混合料的配合比相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)作為溫拌橡膠瀝青混合料的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 溫拌橡膠瀝青混合料拌和與擊實(shí)溫度的確定

基于粘溫曲線測(cè)定拌和與擊實(shí)溫度是普通熱拌瀝青混合料測(cè)定成型溫度的常用方法，但橡膠瀝青并不適用該方法，這是因?yàn)槠洳牧橡ざ冗^大導(dǎo)致測(cè)定的成型溫度會(huì)較大幅度超出實(shí)際溫度。為準(zhǔn)確測(cè)定溫拌橡膠瀝青混合料的拌和與擊實(shí)溫度，本文通過測(cè)定溫拌橡膠瀝青混合料在不同擊實(shí)溫度條件下的空隙率變化曲線，以熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比條件下的空隙率為目標(biāo)值求得溫拌橡膠瀝青混合料的擊實(shí)溫度，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，溫拌橡膠改性瀝青混合料的空隙率隨著擊實(shí)溫度增加而不斷降低。這主要是因?yàn)闇匕柘鹉z瀝青的黏度隨著擊實(shí)溫度升高而降低，此時(shí)溫拌橡膠瀝青在集料顆粒間能夠起到很好的潤(rùn)滑作用，使得混合料在擊實(shí)作用下能夠達(dá)到較高的擠壓密實(shí)程度，最終降低空隙率。擊實(shí)溫度較低的話會(huì)導(dǎo)致瀝青較硬不便于壓實(shí)，導(dǎo)致瀝青空隙率過高，溫度過高也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性過高，對(duì)混合料的壓實(shí)起到反面效果，所以必須確立混合料的最佳擊實(shí)溫度。通過對(duì)空隙率-擊實(shí)溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合可得到相關(guān)線性方程y=-0.079 5x+16.785，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987，說明該公式可很好地用于表征空隙率與擊實(shí)溫度之間的關(guān)系。以目標(biāo)空隙率代入擬合公式可以計(jì)算出溫拌橡膠瀝青混合料的擊實(shí)溫度為146 ℃。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法提升10 ℃作為拌和溫度，推測(cè)其拌和溫度為156 ℃。溫拌橡膠瀝青混合料的擊實(shí)溫度與拌和溫度可在熱拌橡膠瀝青混合料基礎(chǔ)上下降29 ℃。

4 溫拌橡膠瀝青混合料路用性能研究

4.1 高溫、低溫性能

對(duì)兩種混合料分別進(jìn)行車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)及低溫彎曲試驗(yàn)，以60 ℃溫度及0.7 MPa輪壓條件下測(cè)定的動(dòng)穩(wěn)定度值和-10 ℃及50 mm/min加載速率下測(cè)定的彎曲勁度模量分別作為高溫抗車轍能力評(píng)價(jià)指標(biāo)和低溫抗開裂能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。

從表5可以看出，兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值及彎曲勁度模量均符合規(guī)范限定要求，溫拌橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度在熱拌橡膠瀝青混合料的基礎(chǔ)上增加約30%，而彎曲勁度模量則降低約8%。這說明溫拌橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍能力更強(qiáng)，但低溫抗開裂性能較差。這是因?yàn)椴捎昧艘杂袡C(jī)蠟為主要成分的有機(jī)降粘型溫拌劑后，雖然提升了溫拌橡膠瀝青混合料的高溫性能，但在低溫情況下瀝青會(huì)因?yàn)橛袡C(jī)蠟成分結(jié)晶析出導(dǎo)致瀝青變脆，使集料與瀝青之間無法進(jìn)行有效粘附，從而使得混合料的低溫性能降低。

4.2 水穩(wěn)定性

對(duì)兩種混合料分別進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)，以25 ℃及50 mm/min加載速率下測(cè)定的水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比作為水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體結(jié)果如表6、表7所示。

從表6、表7可以看出，兩種瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比與殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范限定要求，這表明兩種瀝青混合料均滿足了路面抗水損害要求。從試驗(yàn)數(shù)值而言，溫拌橡膠瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度與浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度較熱拌橡膠瀝青混合料分別下降了2%和1.3%，兩種瀝青混合料之間的差異并不明顯，說明瀝青混合料采用溫拌的形式不會(huì)對(duì)水穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

5 結(jié)語

（1）基于溫拌橡膠瀝青混合料在不同擊實(shí)溫度條件下的空隙率變化曲線以及熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比條件下的空隙率可求得溫拌橡膠瀝青混合料的擊實(shí)溫度為146 ℃，拌和溫度為156 ℃。采用溫拌形式可使得瀝青混合料的擊實(shí)溫度與拌和溫度下降29 ℃。

（2）與熱拌橡膠瀝青混合料相比，在推算成型溫度條件下成型的溫拌橡膠瀝青混合料具備更好的高溫性能，水穩(wěn)定性也較為穩(wěn)定，但低溫性能有所下降。

（3）溫拌橡膠瀝青混合料可在保證路用性能條件下實(shí)現(xiàn)施工溫度的顯著降低，有效減少碳排放，積極促進(jìn)廢舊輪胎循環(huán)使用，可作為環(huán)保節(jié)能施工技術(shù)進(jìn)行有效推廣。

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