廢輪胎顆粒改性的路面瀝青混合料配比設計及路用性能研究

摘 要：文章通過干法工藝制備廢輪胎顆粒，以內(nèi)摻法將其添加至瀝青混合料中，采用反映高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能和抗飛散性能的試驗對混合料進行綜合性能評價，評估其在提高道路材料性能和降低維護成本方面的潛力。結(jié)果表明，適量添加廢輪胎顆?？梢燥@著提高混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能，但過多摻量會影響水穩(wěn)定性能和抗飛散性能；廢輪胎顆粒改性瀝青混合料具有廣闊的應用前景，但在實際工程應用中需注意摻量控制以及工藝優(yōu)化等問題。

關鍵詞：瀝青混合料；廢輪胎顆粒；馬歇爾試驗；路用性能

中圖分類號：U416.217A220783

0"引言

隨著汽車使用量的增加，廢輪胎的處理成為一個日益嚴重的環(huán)境問題。廢棄的輪胎不僅占據(jù)著大量的場地，還會造成環(huán)境污染和資源浪費［1］。因此，尋找有效的廢輪胎處理方法成為了當務之急。廢輪胎顆粒作為一種潛在的再利用資源，吸引了研究者們的廣泛關注［2］。利用廢輪胎顆粒改性路面瀝青混合料是一種創(chuàng)新的應用途徑，通過將廢棄資源轉(zhuǎn)化為有用的材料，既能有效解決廢輪胎處理問題，又能為路面材料的改良提供新思路［3］。廢輪胎顆粒的添加可以改良瀝青混合料的性能，提高路面的耐磨性、抗裂性和耐久性，延長路面的使用壽命，降低維護成本［4］。相比傳統(tǒng)的瀝青混合料，廢輪胎顆粒改良的瀝青混合料在材料成本方面可能更具競爭力，可以降低路面施工的總體成本。

目前，國內(nèi)外已有部分學者針對廢輪胎顆粒改性路面瀝青混合料進行了研究。吳國雄等［5］基于SMA-13瀝青混合料，采用內(nèi)摻法以橡膠顆粒替代相應的集料，探究橡膠顆粒對瀝青路面抗滑性能的影響，通過簡單性能試驗和抗滑性能試驗發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒后，瀝青混合料的粘彈性能得到提高，動態(tài)摩擦系數(shù)增大，從而提高了瀝青路面的抗滑性能；王廣文［6］通過馬歇爾試驗，研究發(fā)現(xiàn)摻加6%粒狀橡膠和優(yōu)質(zhì)粘結(jié)劑的瀝青混合料具有良好的抗車轍能力，這有助于環(huán)保處理廢舊輪胎并改進道路性能，抵御車轍現(xiàn)象；于凱等［7］采用廢輪胎膠粉和廢PE材料對石油瀝青進行復合改性，并考察了不同廢輪胎膠粉顆粒大小和不同廢PE材料用量對復合改性瀝青的性能影響。綜上，針對輪胎顆粒在瀝青混合料中的應用已進行了大量的探索，但系統(tǒng)研究廢輪胎顆粒瀝青混合料的配合比設計以及廢輪胎顆粒摻量對瀝青混合料路用性能的影響較少。

因此，本文旨在研究廢輪胎顆粒摻量對改性瀝青混合料路用性能的影響，具體包括高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和耐久性等方面，通過系統(tǒng)的試驗設計和綜合性能測試，探究不同摻量廢輪胎顆粒改性瀝青混合料在不同條件下的性能表現(xiàn)，為提高道路材料性能、實現(xiàn)廢輪胎資源的有效利用提供科學依據(jù)和工程指導。

1"原材料及試驗方案

1.1"原材料

（1）廢輪胎顆粒：廢輪胎顆粒是在通過廢舊輪胎的處理過程中獲取的。廢舊輪胎首先被收集起來，然后進行破碎、粉碎或者切割等處理，將廢輪胎整體或部分轉(zhuǎn)化為顆粒狀物料。本研究中采用的廢輪胎顆粒由150目（粒徑尺寸為0.1 mm）、80目（粒徑尺寸為0.18 mm）及5目（粒徑尺寸為4.0 mm）這3種粒徑按照比例1∶3∶6的級配組合而成。廢輪胎顆粒經(jīng)切削成型，切面明顯，棱角強，有利于與瀝青粘結(jié)。選用胎面膠作為重要組成材料，以提高瀝青混合料的力學性能。通過內(nèi)摻方式保持骨架結(jié)構(gòu)緊密［8］。

（2）集料：粗集料選擇玄武巖集料，細集料選擇石灰石研磨成礦粉?；旌狭系募壟淙绫?所示。

（3）瀝青：瀝青選擇使用SBS改性瀝青，具體參數(shù)如表2所示。

1.2"廢輪胎顆粒改性路面瀝青混合料設計

將廢輪胎顆粒用于改性路面瀝青混合料中時主要存在干法和濕法兩種工藝，早在1960年前后，美國就針對這2種工法進行了對比研究［9］。濕法工藝相對簡單，通常不需要高溫干燥過程，能耗較低，并且通過濕法工藝能將廢輪胎顆粒均勻分散于瀝青中。而干法工藝生產(chǎn)速度較快，且不易使廢輪胎顆粒吸收水分，不影響混合料性能。因此本研究采用干法工藝在瀝青混合料中添加廢輪胎顆粒。

使用內(nèi)摻法進行混合料的制備，通過體積比轉(zhuǎn)換的方式添加輪胎顆粒，即在混合料中通過橡膠顆粒替代等體積的集料。具體替代方法如下：

X=M1M1+M2－ρ1ρ2M1×100%（1）

Y=ρ1ρ2M1（2）

式中：X——輪胎顆粒摻量（%）；

M1——需要摻加輪胎顆粒質(zhì)量（g）；

M2——混合料總質(zhì)量（g）；

Y——需要替代的集料質(zhì)量（g）。

基于上述方法，本研究中添加的廢輪胎顆粒摻量分別為0、1%、2%和3%，通過內(nèi)摻法的方式等體積替換混合料中相對應的集料顆粒。在此基礎上，通過馬歇爾試驗測定不同輪胎顆粒摻量下的最佳油石比。共設計4組工況的廢棄輪胎顆粒改性瀝青混合料試驗，如表3所示。

2"試驗結(jié)果分析與討論

2.1"廢輪胎顆粒摻量對高溫穩(wěn)定性的影響

本文采用車轍試驗對改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行分析。主要采用動穩(wěn)定度DS對改性瀝青混合料的耐高溫性能進行表征，計算方法如下：

DS=（t2－t1）×42d2-d1·c1·c2（3）

式中：DS——改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度（次/mm）；

t2和t1——試驗時間，一般取為60 min和45 min；

d1和d2——車轍試驗試件的變形量（mm）；

c1、c2——修正系數(shù)。

圖1為不同廢輪胎顆粒摻量下試樣的動穩(wěn)定度。根據(jù)圖1可知，隨著廢輪胎顆粒摻量的逐漸增加，動穩(wěn)定度DS的值逐漸增加，這表明向瀝青混合料中添加廢輪胎顆粒能夠有效提升混合料的抗車轍性能。以工況1#試驗為基礎，當廢輪胎顆粒摻量分別為1%、2%和3%時，其動穩(wěn)定度DS的值分別為1 398.6次/mm、1 503.7次/mm和1 650.8次/mm，分別提升了5.8%、13.7%和24.9%。通過對試驗數(shù)據(jù)擬合分析可知，廢輪胎顆粒摻量與動穩(wěn)定度DS的關系近似滿足二次函數(shù)關系，其回歸關系式為：

y=17.65x2+56.17x+1 322.77（4）

式中：y——動力穩(wěn)定度（次/mm）；

x——廢輪胎顆粒摻量（%）。

該回歸方程的R2可達0.9 995，擬合效果非常好。

2.2"廢輪胎顆粒摻量對低溫抗裂性能的影響

本文采用低溫彎曲小梁試驗對改性瀝青混合料的低溫抗裂性能進行研究，試驗過程嚴格按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTG E20-2011）進行［10］。通過小梁試驗破壞彎拉應變進行研究，具體計算方法如下：

εB=6hdL2（5）

式中：εB——試樣破壞時最大的彎拉應變；

L——試樣長度（mm）；

h——試件的中部高度（mm）；

d——試樣發(fā)生破壞時中部撓度（mm）。

廢輪胎顆粒摻量對抗裂性能的影響結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著廢輪胎顆粒摻量的逐漸增加，改性瀝青混合料的低溫抗裂性能逐漸提升。這是由于廢輪胎顆粒通常具有較高的彈性模量和延展性，添加到瀝青混合料中可以增強混合料的整體彈性，從而提高低溫下的抗裂性能。輪胎顆粒摻量與破壞時的彎拉應變近似呈線性回歸關系，關系式為：

y1=204.4x+2 342.4（6）

式中：y1——試樣破壞時的彎拉應變；

x——廢輪胎顆粒摻量（%）。

2.3"廢輪胎顆粒摻量對水穩(wěn)定性的影響

本研究中通過浸水馬歇爾試驗研究了廢輪胎顆粒摻量對改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，分別對不同廢輪胎顆粒摻量混合料的空隙率和浸水殘留穩(wěn)定度進行了研究。浸水殘留穩(wěn)定度的計算方法如下：

MS0=MS48MS0.5×100%

（7）

式中：MS48和MS0.5——試樣浸水48 h和0.5 h的穩(wěn)定度值（%）；

MS0——試樣浸水殘留穩(wěn)定度（%）。

浸水馬歇爾試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著廢輪胎顆粒摻量的增加，改性瀝青混合料的空隙率呈單調(diào)遞增趨勢，而浸水殘留穩(wěn)定度呈逐漸遞減的趨勢。但值得注意的是，當廢輪胎顆粒摻量達到3%時，其浸水殘留穩(wěn)定度降低至74.4%，而根據(jù)我國相關規(guī)范要求，殘留穩(wěn)定度必須≥75%，因此3%摻量改性瀝青混合料無法滿足規(guī)范需求。

2.4"廢輪胎顆粒摻量對抗飛散性能的影響

為評估瀝青混合料中顆粒的穩(wěn)定性和瀝青與顆粒之間的粘附性，本文通過肯塔堡飛散試驗進行研究。通過該試驗，可以更好地了解混合料在使用過程中的表現(xiàn)，并為改進混合料配方和施工工藝提供參考。飛散試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著廢輪胎顆粒摻量的逐漸增加，改性瀝青混合料的飛散損失率逐漸遞增，表明混合料的抗飛散性越差。當摻量為2%時，飛散損失率為19.8%。我國相關規(guī)范中要求瀝青混合料的飛散損失率≤20%，而當摻量達到3%時，混合料的抗飛散性已無法滿足規(guī)范要求。

3"結(jié)語

本研究通過對廢輪胎顆粒改性瀝青混合料的一系列試驗分析，得出了以下結(jié)論：

（1）廢輪胎顆粒的加入可以有效提高改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。隨著廢輪胎顆粒摻量的增加，混合料的動穩(wěn)定度和低溫抗裂性能均呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢。

（2）廢輪胎顆粒摻量-動穩(wěn)定度DS關系符合二次函數(shù)關系式，而廢輪胎顆粒摻量-破壞時的彎拉應變關系符合線性關系。

（3）當廢輪胎顆粒摻量達到3%時，改性混合料的殘留穩(wěn)定度和飛散損失率均無法滿足規(guī)范要求。

綜上所述，廢輪胎顆粒是一種潛在的優(yōu)良改性劑，可以改善瀝青混合料的性能。然而，在實際應用中，需要根據(jù)具體情況合理控制顆粒摻量，以保證混合料的綜合性能達到最優(yōu)。未來的研究方向可以進一步探究廢輪胎顆粒改性瀝青混合料的配方設計和施工工藝優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的工程應用效果。

參考文獻：

［1］王協(xié)群，張"伊，彭"琛，等.廢舊橡膠輪胎顆粒-水泥改性強膨脹土的長期路用性能研究［J］.公路，2023，68（6）：362-370.

［2］周"銳，王保田，王斯杰，等.不同粒徑組廢舊輪胎橡膠顆粒改良膨脹土性能試驗研究［J］.長江科學院院報，2023，40（10）：115-122.

［3］岳紅亞，畢玉峰，徐"潤，等.廢舊輪胎在道路工程中的應用研究進展［J］.材料導報，2022，36（16）：76-86.

［4］游慶龍，叢卓紅，鄭南翔.廢輪胎橡膠粉改性瀝青對混合料空隙結(jié)構(gòu)的影響［J］.武漢理工大學學報，2011，33（6）：54-58.

［5］吳國雄，葉新雨，余"苗，等.基于黏彈性的橡膠改性瀝青路面抗滑性能研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（2）：81-86.

［6］王文廣.道路施工中柔性瀝青混合料車轍現(xiàn)象的試驗研究［J］.建筑機械，2023（5）：37-41.

［7］于"凱，劉"力，余"強，等.廢輪胎膠粉和廢PE復合改性瀝青性能研究［J］.環(huán)境工程學報，2010，4（3）：689-692.

［8］周燦鋒，吳偉峰，夏"娟，等.SBR改性乳化瀝青的制備方法與性能研究［J］.石油瀝青，2012，26（1）：49-52.

［9］余"苗，曉"寧，海"峰，等.橡膠顆粒改性瀝青混合料黏彈性研究［J］.公路交通科技，2023，40（2）：1-7.

［10］JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.20240318