橡塑合金改性瀝青混合料路用性能研究

李寧利，王 猛，趙新坡

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300384)

近年來，廢輪胎、廢塑料堆積造成的環(huán)境污染問題受到社會的廣泛關(guān)注。實(shí)踐證明，2種廢舊高分子材料在高速公路路面材料中的應(yīng)用取得了較好成果[1-5]。但廢輪胎膠粉和廢塑料與瀝青的相容性較差[6-12]，有學(xué)者借鑒金屬材料中合金的概念[13]，預(yù)先將廢輪胎膠粉和廢塑料通過特定工藝，制備成橡塑合金改性劑，廢輪胎膠粉和廢塑料可以通過前期擴(kuò)散滲透，在改善與基質(zhì)瀝青相容性的同時，兼顧瀝青及其混合料的性能[14-15]。學(xué)者普遍采用雙螺旋桿擠出機(jī)制備橡塑合金，雙螺桿擠出機(jī)輸送性能和混合性能良好、生產(chǎn)能力強(qiáng)，但在使用過程中容易出現(xiàn)物料逆流的現(xiàn)象，大部分熱量要從料筒外部的加熱器傳入，這種特性會導(dǎo)致物料的熱降解，降低材料的使用性能[16]?；诖?，文中采用精密開煉機(jī)混煉所得的橡塑合金以及市售廢舊輪胎橡膠粉分別對倫特70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，選擇AC-13及SMA-13 2種級配類型，橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青2種瀝青拌制混合料并進(jìn)行試驗(yàn)，分析橡塑合金改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及低溫抗裂性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

倫特70#基質(zhì)瀝青：25 ℃針入度66(0.1 mm)，10 ℃延度37.1 cm，軟化點(diǎn)49.8 ℃，15 ℃密度1.028 g/cm3；廢舊輪胎橡膠粉：粒徑40目，密度1.18 Mg/m3，加熱減量0.6%，纖維含量0.3%；廢舊塑料(LDPE)：密度0.917 g/cm3，拉伸強(qiáng)度10 MPa，熔點(diǎn)110 ℃。增溶劑：糠醛抽出油，密度0.9～1.01 g/cm3，閃點(diǎn)>210 ℃；穩(wěn)定劑：硫磺，表觀密度0.8～1.0 g/cm3，熔點(diǎn)≥110 ℃，水分≤5%。

橡塑合金改性劑由精密開煉機(jī)制備，橡塑質(zhì)量比為7∶ 3。粗集料、細(xì)集料和礦粉物理力學(xué)指標(biāo)如表1～表3所示。選擇AC-13及SMA-13 2種級配類型，級配范圍及合成級配如表4、表5所示，級配曲線如圖1、圖2所示。

表1 粗集料物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of coarse aggregate

表2 細(xì)集料物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of fine aggregates

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of mineral powder

表4 AC-13級配范圍及合成級配Table 4 AC-13 gradation range and mixed gradation

圖1 AC-13級配曲線Fig 1 AC-13 gradation curve

表5 SMA-13級配范圍及合成級配Table 5 SMA-13 gradation range and mixed gradation

圖2 SMA-13級配曲線Fig. 2 SMA-13 gradation curve

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 橡塑合金改性瀝青的制備

取一定質(zhì)量的瀝青加熱至180 ℃，分批加入橡塑合金(外摻20%)、增溶劑(外摻2%)，手持玻璃棒快速攪拌直至橡塑合金全部溶于瀝青后，開啟高速剪切乳化機(jī)，在 3 500 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切1.5 h，加入穩(wěn)定劑(外摻9‰)，攪拌均勻后溶脹發(fā)育0.5 h，即可制得橡塑合金改性瀝青，路用技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

1.2.2 廢輪胎膠粉改性瀝青的制備

將稱重后的瀝青加熱至180 ℃，分批加入廢輪胎膠粉(外摻20%)，手持玻璃棒快速攪拌 15 min，當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉完全溶于瀝青時，在高速剪切乳化機(jī)中，以 3 500 r/min 的速度剪切1 h，加入穩(wěn)定劑(外摻3‰)，攪拌均勻后溶脹發(fā)育0.5 h，即可制得廢輪胎膠粉改性瀝青，路用技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青路用技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Technical index test results of rubber-plastic alloy modified asphalt and waste tire rubber powder modified asphalt

由表6可知，廢輪胎膠粉改性瀝青的離析現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不能滿足有關(guān)改性瀝青規(guī)范中關(guān)于離析軟化點(diǎn)差不超過5 ℃的要求[17]。而橡塑合金改性瀝青，離析軟化點(diǎn)差大幅降低，僅為1.6 ℃，能夠滿足要求,說明橡塑合金改性瀝青與廢輪胎膠粉改性瀝青相比，具有優(yōu)良的儲存穩(wěn)定性;與膠粉改性瀝青相比，橡塑合金改性瀝青的針入度減小、軟化點(diǎn)增大，延度減小，說明橡塑合金改性瀝青的稠度較大，高溫穩(wěn)定性較好，低溫抗裂性能較差。由此可知，膠粉改性瀝青適用于溫區(qū)，而橡塑合金改性瀝青適用于熱區(qū)，氣候分區(qū)見《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)附錄A[16]。

1.3 改性瀝青混合料成型參數(shù)

廢輪胎膠粉改性瀝青混合料采用馬歇爾設(shè)計方法，確定AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料最佳油石比為4.8%， SMA-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料最佳油石比為6.1%。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E20- 2011)擬定AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料拌和溫度170 ℃，擊實(shí)溫度165 ℃，擬定SMA-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料拌和溫度175 ℃，擊實(shí)溫度 160 ℃。

根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)，初擬AC-13橡塑合金改性瀝青混合料的油石比為4.8%，初擬SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料瀝青混合料的油石比為6.1%，分別以初擬油石比±0.5%分別制備馬歇爾試件。此外，由于廢輪胎膠粉彈性較好，含有膠粉的橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青彈性好、黏度高，且隨著橡塑合金中LDPE的加入還會提高瀝青混合料的拌和、擊實(shí)溫度。初擬AC-13橡塑合金改性瀝青混合料的拌和溫度為175 ℃、180 ℃和185 ℃，擊實(shí)溫度為165 ℃、170 ℃、175 ℃。由于SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料中礦粉用量較高，因此，SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料的初擬拌和溫度和擊實(shí)溫度需要適當(dāng)提高，初擬拌和溫度為180 ℃、185 ℃和190 ℃，擊實(shí)溫度為170 ℃、175 ℃和180 ℃。

1.3.1 基于正交試驗(yàn)的AC-13瀝青混合料成型參數(shù)

影響瀝青混合料性能的影響因素分別為油石比、拌和溫度和擊實(shí)溫度，每個因素又分為3個水平，因此選用三因素三水平正交表設(shè)計試驗(yàn)方案，通過馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率，確定最佳方案。AC-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平如表7所示，正交試驗(yàn)設(shè)計如表8所示。

表7 AC-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平Table 7 Forming factor level of AC-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

按照表8的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，每組方案進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，當(dāng)某個測定值與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.15倍時，則舍棄該值，取滿足誤差要求的試驗(yàn)結(jié)果，如表9所示。

表8 AC-13橡塑合金改性瀝青混合料正交試驗(yàn)設(shè)計表Table 8 Orthogonal experimental design of AC-13 rubber and plastic alloymodified asphalt mixture

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Results of orthogonal test

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，發(fā)現(xiàn)不同因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。由橡塑合金改性瀝青的路用性能可知，橡塑合金改性瀝青高溫穩(wěn)定性較好，低溫抗裂性較差，適用于炎熱地區(qū)。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[]對密級配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中夏炎熱區(qū)空隙率的要求，設(shè)定目標(biāo)空隙率為4%，穩(wěn)定度取較大值，流值取較小值。極差分析結(jié)果如表10所示。

表10 極差分析結(jié)果Table 10 Results of range analysis

由表10可知，影響穩(wěn)定度的因素排序?yàn)锳>B>C，影響流值的因素排序?yàn)锳>C>B，影響空隙率的因素排序?yàn)锳>B>C，表明油石比的大小是影響橡塑合金改性瀝青混合料穩(wěn)定度、流值和空隙率的主要因素，拌和溫度為次要因素，擊實(shí)溫度影響最小。綜上分析，可以確定的最佳組合為A2B2C1，即油石比4.8%，拌和溫度180 ℃，擊實(shí)溫度165 ℃。其體積參數(shù)接近目標(biāo)空隙率，說明A2B2C1組合可以作為最佳組合。

1.3.2 基于正交試驗(yàn)的SMA-13瀝青混合料成型參數(shù)

SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平、正交試驗(yàn)設(shè)計如表11、表12所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表13所示，極差分析結(jié)果如表14所示。

表11 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平Table 11 Forming factor level of SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

表12 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料正交試驗(yàn)設(shè)計表Table 12 Orthogonal test design of SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

表14 極差分析結(jié)果Table 14 Results of range analysis

由表14可知，影響穩(wěn)定度的因素排序?yàn)锳>C>B，影響流值的因素排序?yàn)锳>C>B,影響孔隙率的因素排序?yàn)锳>B>C，表明在所選3個因素中，油石比對于的試驗(yàn)結(jié)果的影響程度最為重要，拌和溫度和壓實(shí)溫度次之。按照表5.12中最優(yōu)者可得最佳方案為A2B2C1，試驗(yàn)結(jié)果空隙率接近目標(biāo)空隙率4%，說明A2B2C1，即油石比6.1%、拌和溫度185 ℃、擊實(shí)溫度170 ℃，為SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料的最佳制備工藝。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[18]對SMA瀝青混合料配合比設(shè)計的要求，對成型的馬歇爾試件，進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，測試結(jié)果如表15所示，均滿足規(guī)范要求。

表15 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料謝倫堡瀝青析漏和肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果Table 15 Results of Schellenburg asphalt leakage and Kentarburg dispersion test for SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

為方便敘述，下文將AC-13型橡塑合金改性瀝青混合料簡化為AC-13-A，AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料簡化為AC-13-R，同理，SMA-13型瀝青混合料相應(yīng)簡化為SMA-13-A、SMA-13-R。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面高溫條件下抵抗變形的能力[19]。由于室內(nèi)車轍試驗(yàn)設(shè)備操作簡單，試驗(yàn)結(jié)果直觀且與瀝青路面車轍的相關(guān)性較好，能夠模擬實(shí)際中車輛荷載在路面上行走形成車轍的過程，采用室內(nèi)車轍試驗(yàn)測試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,用輪碾成型機(jī)制備試件，試件尺寸為長300 mm×寬300 mm×厚50 mm，車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度結(jié)果如表16所示。

表16 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 16 Results of rutting test

由表16可知，橡塑合金改性瀝青、廢輪胎膠粉改性瀝青混合料均具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，AC-13-A型相比AC-13-R型瀝青混合料動穩(wěn)定度可提高22%，SMA-13-A型相比SMA-13-R型瀝青混合料動穩(wěn)定度可提高12%，說明橡塑合金改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能較好，可以推斷，與廢輪胎膠粉改性瀝青混合料相比，橡塑合金中的塑料成分的摻入，阻止了瀝青混合料的流動，明顯提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。雖然，制備橡塑合金的配比略有差異，同類研究也通過車轍試驗(yàn)表明，橡塑合金改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能[20-21]。橡塑合金加入到基質(zhì)瀝青中，瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)升高，橡塑合金在瀝青中形成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了瀝青的流動，瀝青混合料的黏度提高。橡塑合金對改性瀝青混合料在高溫時的穩(wěn)定性起著重要作用。

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青路面在使用過程中暴露于外界環(huán)境中，在水的作用以及車輛行駛產(chǎn)生的動態(tài)荷載作用，使得水分逐漸滲入混合料中集料與瀝青的界面之間，瀝青路面混合料空隙中的水不斷浸蝕、沖刷著混合料，降低了瀝青的黏附性并導(dǎo)致瀝青喪失黏結(jié)力，集料表面的瀝青膜剝離脫落，混合料表面松散、掉粒，最終使得瀝青路面產(chǎn)生坑槽、推擠變形等損壞現(xiàn)象。

文中采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)方法評價AC-13-A型、AC-13-R型、SMA-13-A型和SMA-13-R型瀝青混合料的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表17所示。

表17 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 17 Results of the immersion Marshall test

由表17可知，4種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，AC-13型和SMA型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比較接近，說明2種級配的混合料水穩(wěn)定性相近；級配類型相同時，橡塑合金改性瀝青混合料穩(wěn)定度高于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料，說明橡塑合金改性瀝青混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料。凍融劈裂試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)不同，試驗(yàn)條件更為嚴(yán)酷，使用最為廣泛。凍融劈裂試驗(yàn)過程中，馬歇爾試件會經(jīng)歷真空飽水、凍結(jié)和高溫水浴3個狀態(tài)。真空飽水狀態(tài)下水快速進(jìn)入混合料的空隙中，在壓力作用下侵入瀝青和集料的表面上，降低其黏附性。在低溫和高溫2個狀態(tài)循環(huán)時，空隙中水的體積會發(fā)生變化從而產(chǎn)生動水壓力。因此，凍融劈裂試驗(yàn)在短時間內(nèi)能較好地模擬路面實(shí)際狀況，凍融劈裂試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如表18所示。

表18 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 18 Results of freeze-thaw splitting test

由表18可知，對于AC-13-R、SMA-13-R 2種級配類型混合料，橡塑合金改性劑能分別提高瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比3.457%、5.065%，由此可知，與膠粉改性瀝青混合料相比，橡塑合金中的塑料成分能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。雖然，制備橡塑合金的配比略有差異，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)證明橡塑合金改性瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性[20-21]。

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料具有一定的應(yīng)力松弛能力，氣溫降低產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會因混合料的松弛能力而得到緩解。但氣溫降低速率較快時，瀝青混合料應(yīng)變的松弛相對于溫度應(yīng)力出現(xiàn)滯后，且低溫時瀝青混合料的松弛模量增大，松弛性能降低，溫度應(yīng)力不斷積累直至超過瀝青混合料的極限，混合料會開裂。采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，以抗彎拉強(qiáng)度RB、最大彎拉應(yīng)變εB、彎曲勁度模量SB作為瀝青混合料低溫性能的評定指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表19所示。

由表19可知，AC-13-A型瀝青混合料與AC-13-R型瀝青混合料相比，抗彎拉強(qiáng)度降低了7.3%，最大彎拉應(yīng)變降低了3.2%；SMA-13-A型瀝青混合料與SMA-13-R型瀝青混合料相比，抗彎拉強(qiáng)度降低了6.4%，最大彎拉應(yīng)變降低了4.3%，2種級配類型的瀝青混合料變化趨勢一致。說明隨著塑料成分的加入，瀝青混合料的低溫抗裂性會有一定程度的降低。

表19 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 19 Results of trabecular bending test

3 結(jié) 論

1)基于正交試驗(yàn)設(shè)計，以馬歇爾試驗(yàn)得到的體積參數(shù)為指標(biāo)可知橡塑合金改性瀝青混合料的成型參數(shù)，即AC-13改性瀝青混合料成型工藝為油石比4.8%、拌和溫度180 ℃、擊實(shí)溫度165 ℃；SMA-13型改性瀝青混合料的成型工藝為油石比6.1%、拌和溫度185 ℃、擊實(shí)溫度170 ℃。

2)與廢輪胎膠粉相比，橡塑合金能夠提高AC-13-A型瀝青混合料動穩(wěn)定度22%，SMA-13-A型瀝青混合料動穩(wěn)定度12%，表明橡塑合金改性瀝青混合料高溫性能優(yōu)于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料。

3)與廢輪胎膠粉相比，橡塑合金能夠小幅提高AC-13、SMA-13 2種級配類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但會小幅降低AC-13、SMA-13 2種級配類型瀝青混合料的低溫抗裂性。