廢膠粉改性SMA瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

杜沖

作者簡(jiǎn)介：杜?沖（1990—），工程師，主要從事公路設(shè)計(jì)工作。

為研究廢膠粉對(duì)于改性SMA瀝青混合料路用性能的影響，文章通過(guò)車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等一系列室內(nèi)試驗(yàn)，分析了不同廢膠粉用量（12%、14%、16%、18%、20%）對(duì)改性SMA瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，適量的廢膠粉能夠提高提高瀝青-集料界面粘附力，增強(qiáng)改性SMA瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力、低溫應(yīng)力松弛能力和抗水損害能力；綜合各方面路用性能，建議廢膠粉用量為16%。

廢膠粉；SBS改性瀝青；瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）；路用性能

U414.1A230833

0?引言

隨著大量廢舊輪胎的不斷產(chǎn)生，由此帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，減少輪胎“黑色污染”成為當(dāng)下亟須解決的關(guān)鍵難題。研究表明［1-2］，廢舊輪胎膠粉可以作為瀝青改性劑，不僅提高瀝青路面性能，同時(shí)降低環(huán)境污染。實(shí)踐表明［3］，采用基質(zhì)瀝青鋪筑的路面在高溫下容易軟化形成車轍，且與集料的粘附性較差，冬季容易產(chǎn)生脆性開(kāi)裂，而將20-100目數(shù)的廢舊輪胎膠粉以一定比例加入到基質(zhì)瀝青中，可以明顯改善瀝青的溫度敏感性和耐久性能。王鐵慶［4］通過(guò)針入度、延度、軟化點(diǎn)等常規(guī)技術(shù)指標(biāo)分析橡膠瀝青的技術(shù)性能，并由此確定最佳橡膠瀝青用量為17%，最后利用車轍試驗(yàn)、彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等驗(yàn)證橡膠改性瀝青混合料具有較好的路用性能。譚憶秋等［5］通過(guò)BBR試驗(yàn)研究橡膠改性瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)瀝青的低溫性能隨橡膠粉摻量的增加顯著提升。李曉娟等［6］研究脫硫橡膠改性瀝青的性能，并探究加入SBS后對(duì)脫硫橡膠改性瀝青性能的影響，結(jié)果表明，脫硫橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、車轍因子等指標(biāo)較高，提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，同時(shí)SBS加入后增強(qiáng)了瀝青的高溫和低溫性能，且彈性恢復(fù)能力及短期老化能力得到明顯改善。肖龍等［7］通過(guò)將廢胎膠粉與SBS復(fù)合，并摻入一定量的助劑研究了改性瀝青混合料路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出高彈性和高延展性的良好性能，同時(shí)表現(xiàn)出了較好的路用性能。

1?原材料與配合比

1.1?原材料

試驗(yàn)采用成品SBS-I-D改性瀝青，SBS改性劑摻量為3.5%，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，廢膠粉為陜西產(chǎn)30目常溫研磨粉碎的子午輪胎膠粉，其物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。粗集料選用質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙和抗磨耗性強(qiáng)的玄武巖。細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為天然石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，經(jīng)檢測(cè)，粗細(xì)集料及填料的各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)要求。

1.2?配合比

實(shí)踐表明［8-9］，廢膠粉改性瀝青混合料使用間斷級(jí)配的路用性能較好，其中SMA級(jí)配通過(guò)粗集料形成嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，瀝青膠結(jié)料、細(xì)集料和填料填充于骨架間隙中，形成一種骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的瀝青瑪蹄脂瀝青混合料，這種結(jié)構(gòu)通常用于粘結(jié)性高的瀝青膠結(jié)料，能夠?qū)⒋旨瞎羌芘c細(xì)集料形成更好的粘結(jié)性，發(fā)揮較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能。SMA-13型合成級(jí)配見(jiàn)表3所示。

參考以往相關(guān)學(xué)者研究成果［10］，初步擬定五組油石比為5.0%、5.4%、5.8%、6.2%、6.6%，采用以上油石比分別制備馬歇爾試件，測(cè)試馬歇爾試件的穩(wěn)定度與流值、密度、空隙率和飽和度等系列參數(shù)。通過(guò)各力學(xué)體積參數(shù)與油石比的關(guān)系確定廢膠粉/SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為6.2%。同理可得到SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為5.5%。

2?試驗(yàn)方案

為研究廢膠粉與SBS復(fù)合后對(duì)SMA混合料路用性能的影響，并以此確定廢膠粉的最佳用量，首先將12%、14%、16%、18%和20%五種不同用量的廢膠粉分別與成品SBS改性瀝青復(fù)合制備廢膠粉/SBS改性瀝青，并拌和SMA混合料用于驗(yàn)證SMA混合料的路用性能。同時(shí)以不摻廢膠粉的SBS改性瀝青混合料作為對(duì)照組。采用300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，利用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)SMA混合料的高溫抗永久變形能力。采用經(jīng)車轍板試件切割而成250 mm×30 mm×35 mm的試件進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)SMA混合料的低溫抗裂性，指標(biāo)為彎拉應(yīng)變和勁度模量。采用101.6 mm（直徑）×63.5 mm（高度）標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，評(píng)價(jià)SMA混合料的抗水損害性能，指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比。

3?試驗(yàn)結(jié)果

3.1?高溫穩(wěn)定性

瀝青作為一種溫度敏感性材料，受熱易變軟，瀝青路面在長(zhǎng)期荷載及高溫條件下，會(huì)逐漸發(fā)生擁包、推移及車轍等永久變形現(xiàn)象，危及行車安全。普通車轍試驗(yàn)是一種接近瀝青路面實(shí)際受荷狀況且用于評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍性能的試驗(yàn)方法，采用車轍試驗(yàn)對(duì)改性瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，動(dòng)穩(wěn)定度隨著廢膠粉的用量增加先增大后減小，在16%用量時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到4 773次/mm，其值最大。當(dāng)廢膠粉用量為12%、14%、16%、18%和20%時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度分別比SBS改性瀝青提高了10.9%、14.8%、23.5%、20.7%、18.1%，說(shuō)明一定用量廢膠粉可明顯提升改性SMA瀝青混合料的抗車轍能力，但用量過(guò)多對(duì)于抗永久變形能力也存在一定的制約。這是由于適量的廢膠粉在瀝青膠結(jié)料中不僅起到增加黏度，增強(qiáng)瀝青與集料粘附性的作用，而且可以起到填充空隙增加密實(shí)度的作用［11］，但用量過(guò)多后廢膠粉會(huì)產(chǎn)生集聚作用，反而會(huì)對(duì)瀝青-集料界面粘結(jié)性不利，降低其粘附性。

3.2?低溫抗裂性

在冬季溫度突然變化時(shí)，瀝青路面會(huì)因結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫差形成溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)材料所能承受的閾值時(shí)便會(huì)開(kāi)裂形成溫縮裂縫，因此北方地區(qū)對(duì)于瀝青路面的低溫性能要求較高，需要具有良好的抗裂抗變形能力和應(yīng)力松弛能力。本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)廢膠粉/SBS改性SMA混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著廢膠粉用量的增加，改性SMA瀝青混合料彎曲應(yīng)變先增大后減小，在廢膠粉用量為16%時(shí)，彎曲應(yīng)變?yōu)? 621 με，其值最大，當(dāng)廢膠粉用量為12%、14%、16%、18%和20%時(shí)的彎曲應(yīng)變分別比SBS改性瀝青提高了6.4%、14.3%、18.6%、15.6%、14.4%，說(shuō)明適量的廢膠粉可以顯著增加改性SMA瀝青混合料的低溫柔韌性，降低其低溫脆硬性。勁度模量隨廢膠粉用量增加而呈現(xiàn)先略微減小后逐漸增大現(xiàn)象，且整體上在廢膠粉用量超過(guò)16%以后勁度模量的增長(zhǎng)幅度有所加速。一方面由于廢膠粉摻入后增加了瀝青與集料界面粘結(jié)性，形成更為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)體系；另一方面廢膠粉顆粒自身特性能夠針對(duì)外力起到一定緩沖作用，具有吸收外部能量的特性，從而提高改性SMA瀝青混合料的低溫抗裂性。但用量超過(guò)一定限度后過(guò)多的廢膠粉會(huì)聚集在一起，在低溫外部荷載條件下會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致試件出現(xiàn)過(guò)早開(kāi)裂情況［12］。

3.3?水穩(wěn)定性

在北方積雪和南方多雨地區(qū)，雪水或雨水會(huì)通過(guò)路面裂縫、滲透等方式到達(dá)路面內(nèi)部，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙水在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力或負(fù)壓抽吸作用。這種作用力會(huì)對(duì)集料表面的瀝青薄膜產(chǎn)生沖刷或切削，使瀝青逐漸剝離脫落，最終形成坑槽等水損害現(xiàn)象。本文采用國(guó)內(nèi)推薦的凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)用于廢膠粉/SBS改性SMA混合料抗水損害性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著廢膠粉用量的增加，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)先增大后降低現(xiàn)象，并在用量為16%時(shí)達(dá)到最大值。這說(shuō)明適量廢膠粉可以明顯改善改性SMA瀝青混合料的抗水損害能力，但廢膠粉用量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生不利影響，可能是由于廢膠粉用量過(guò)多時(shí)產(chǎn)生集聚現(xiàn)象，降低了瀝青-集料的界面粘結(jié)力。

4?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)改性SMA瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，廢膠粉可以增加瀝青膠結(jié)料的黏度，提高瀝青-集料界面粘附力，增強(qiáng)改性SMA瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力，且在16%用量時(shí)效果最好。

（2）通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)廢膠粉用量增加時(shí)，改性SMA瀝青混合料試件破壞時(shí)的彎拉應(yīng)變先增加后降低，在摻量16%時(shí)最大，且勁度模量先輕微減小后明顯增大，廢膠粉的加入一定程度增強(qiáng)了改性SMA瀝青混合料在低溫時(shí)的應(yīng)力松弛能力，提高了SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（3）通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比隨著廢膠粉用量增加呈先增大后降低趨勢(shì)，16%時(shí)最大。說(shuō)明適量廢膠粉可以明顯改善改性SMA瀝青混合料的抗水損害能力。

（4）綜合各方面路用性能，建議廢膠粉最佳用量為16%。

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