基于瀝青混合料性能評(píng)價(jià)的干法膠粉粒徑優(yōu)選研究

為優(yōu)選干法橡膠瀝青混合料中膠粉的最優(yōu)粒徑，文章選取100目、40目與20目三種典型粒徑膠粉，采用干法工藝制備成橡膠瀝青混合料，與未摻膠粉的對(duì)照組進(jìn)行體積試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及不同溫度劈裂試驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果顯示：摻入膠粉后，瀝青混合料最佳油石比較對(duì)照組增大，且隨膠粉粒徑增大而降低；混合料相對(duì)密度、空隙率、瀝青飽和度較對(duì)照組減小，且隨著膠粉粒徑增大而增大；小粒徑膠粉可提升瀝青混合料穩(wěn)定度與抗壓強(qiáng)度，但穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度均較對(duì)照組小，且隨膠粉粒徑增大各力學(xué)指標(biāo)均降低；但干法工藝可提升瀝青混合料抗永久變形能力，且粒徑越小效果越好。綜合而言，考慮膠粉粒徑對(duì)干法瀝青混合料性能影響的復(fù)雜性，膠粉粒徑應(yīng)視服役環(huán)境要求進(jìn)行綜合遴選。

道路工程；膠粉；干法；力學(xué)性能；瀝青混合料

U416.03A020044

基金項(xiàng)目：

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號(hào)：桂科ZY21195043）

作者簡(jiǎn)介：

譚楷模（1982—），工程師，主要從事道路檢測(cè)與技術(shù)咨詢(xún)工作。

0" 引言

國(guó)家“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略對(duì)各行各業(yè)可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求［1］。其中，廢舊輪胎等橡膠制品導(dǎo)致的“黑色污染”嚴(yán)重危害著生態(tài)環(huán)境與人類(lèi)健康［2］。近年來(lái)，將廢舊輪胎制備成橡膠顆粒并用于道路工程瀝青材料改性，已被證明具有良好的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益［3］。橡膠瀝青混合料的制備一般采用濕法工藝，即提前將橡膠粉與瀝青通過(guò)混熔剪切制備成橡膠瀝青，然后將其作為改性瀝青與集料、填料混合制備成瀝青混合料［4］。目前對(duì)濕法工藝橡膠瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了較為廣泛的研究，已證明該方法可有效提升瀝青路面的高溫抗車(chē)轍、抗疲勞以及抗老化等綜合性能［5］。但濕法工藝消耗廢胎膠粉能力有限（一般為瀝青質(zhì)量的15%～25%），且制備工藝復(fù)雜、儲(chǔ)存穩(wěn)定性不佳［6］。而干法工藝可將膠粉與礦料一起直接拌和進(jìn)行瀝青混合料制備，且膠粉摻量一般可達(dá)到礦料質(zhì)量的2%左右［7］。目前也有較多學(xué)者對(duì)干法工藝進(jìn)行了研究，如張?bào)憷颍?］研究了高摻（礦粉質(zhì)量的10%～50%）細(xì)膠粉對(duì)瀝青混合料性能的影響；余苗等［9］采用等體積替代法對(duì)干法瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究；李燕［10］對(duì)膠粉粒徑和用量對(duì)多孔瀝青混合料路用性能的影響進(jìn)行了分析。但上述研究多為瀝青混合料常規(guī)路用性能驗(yàn)證，對(duì)干法瀝青混合料性能缺乏系統(tǒng)研究，這也是干法橡膠瀝青未被廣泛推廣的原因之一。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究擬從瀝青混合料體積指標(biāo)及力學(xué)性能入手，系統(tǒng)考查膠粉粒徑對(duì)其綜合影響。擬選取100目、40目與20目3種粒徑膠粉，采用干法制備成橡膠瀝青混合料，并與對(duì)照組進(jìn)行瀝青混合料體積試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及不同溫度劈裂試驗(yàn)對(duì)比分析。期望為干法橡膠瀝青混合料的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1" 原材料與試驗(yàn)方法

1.1" 原材料

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料選用玄武巖集料，粒徑分別為5～10 mm、10～15 mm。細(xì)集料選用石灰?guī)r細(xì)集料，粒徑為0～5 mm。填料選用石灰?guī)r研磨礦粉。集料及礦粉技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）規(guī)范技術(shù)要求［11］。合成級(jí)配如表2、圖1所示。

綜合調(diào)研［12］，選取3種典型粒徑橡膠粉進(jìn)行干法橡膠瀝青混合料試件制備，膠粉粒徑分別為100目（0.15 mm）、40目（0.425 mm）、20目（0.83 mm）。采用膠粉替代部分0～5 mm細(xì)集料，替代質(zhì)量為集料總質(zhì)量的2%。膠粉加入采用干法技術(shù)，即進(jìn)行混合料拌和時(shí)，與加入的集料一起進(jìn)行制備。

基于瀝青混合料性能評(píng)價(jià)的干法膠粉粒徑優(yōu)選研究/譚楷模，曾俐豪

1.2" 試驗(yàn)方法

1.2.1" 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)規(guī)程）中的T 0709-2011進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)［13］，試驗(yàn)得到馬歇爾試件穩(wěn)定度（MS）與流值（FL）。馬歇爾穩(wěn)定度與流值分別表示混合料在承受荷載時(shí)抵抗破壞能力以及破壞時(shí)的最大變形量。其中，流值一般應(yīng)在合適的范圍，過(guò)大表示瀝青混合料的抗變形能力差，過(guò)小則表示瀝青混合料的剛度過(guò)大、彈性性能不足。每組試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

1.2.2" 70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)

參照試驗(yàn)規(guī)程中的T 0719-2011方法進(jìn)行混合料車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)得到車(chē)轍試件動(dòng)穩(wěn)定度與車(chē)轍深度。為評(píng)價(jià)試件在高溫環(huán)境下抗車(chē)轍性能，將試驗(yàn)溫度由60 ℃提高至70 ℃。每組試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

1.2.3" 單軸壓縮試驗(yàn)

參照試驗(yàn)規(guī)程中的T 0713-2000方法進(jìn)行圓柱體混合料試件單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20 ℃，加載速率為2 mm/min。每組試樣進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

1.2.4" 劈裂試驗(yàn)（ITS）

參照試驗(yàn)規(guī)程中的T 0716-2011方法進(jìn)行混合料劈裂試驗(yàn)（又稱(chēng)間接拉伸試驗(yàn)，ITS），試驗(yàn)溫度分別選取常規(guī)的15 ℃以及25 ℃，加載速率為50 mm/min。劈裂強(qiáng)度又稱(chēng)間接拉伸強(qiáng)度，相較于單軸壓縮強(qiáng)度，該試驗(yàn)通過(guò)劈裂條使試件破壞形式呈現(xiàn)拉伸破壞，可表征瀝青混合料拉伸強(qiáng)度。每組試樣進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 體積指標(biāo)

在干法橡膠瀝青混合料力學(xué)分析前應(yīng)進(jìn)行各混合料最佳油石比確定。采用馬歇爾設(shè)計(jì)法，確定的各組瀝青混合料最佳油石比（OAC）及各體積指標(biāo)參數(shù)，如表3所示。

（1）摻入膠粉后，瀝青混合料最佳油石比增大，且隨膠粉粒徑增大油石比呈降低趨勢(shì)，但均較無(wú)膠粉對(duì)照組大。與干法橡膠瀝青混合料相比，對(duì)照組中集料與瀝青只存在簡(jiǎn)單的裹覆作用。而摻入膠粉后，在高溫拌和作用下，少量膠粉會(huì)與瀝青融合，與瀝青形成橡膠-瀝青混合物，會(huì)消耗部分瀝青。因此，干法膠粉工藝一定程度上會(huì)增大瀝青混合料最佳油石比。但隨著膠粉粒徑增大，膠粉比表面積減小，其與瀝青作用效果和集料-瀝青作用效果接近，使得最佳油石比呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

（2）隨粒徑變化，干法橡膠瀝青混合料相對(duì)密度與瀝青飽和度（VFA）呈現(xiàn)相似變化規(guī)律。即隨膠粉粒徑增大兩個(gè)指標(biāo)均增大，但均較無(wú)膠粉的對(duì)照組小。這是由于干法摻入膠粉后，膠粉作為“集料”發(fā)揮作用，但由于其密度遠(yuǎn)小于真實(shí)集料，因此摻膠粉瀝青混合料相對(duì)密度較對(duì)照組小。此外，摻入膠粉后隨著膠粉粒徑增大混合料“骨架”效果更加明顯，此時(shí)將引起礦料間隙率（VMA）增大，根據(jù)VFA計(jì)算公式，在空隙率變化較小時(shí)，VMA的增加將導(dǎo)致VFA的提升。

2.2 "馬歇爾試驗(yàn)

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料穩(wěn)定度與流值試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖2所示。

（1）相較對(duì)照組，100目膠粉瀝青混合料穩(wěn)定度增大，但隨著膠粉粒徑增大混合料穩(wěn)定度呈降低趨勢(shì)。100目、40目與20目膠粉瀝青混合料穩(wěn)定度較對(duì)照組變化幅度分別為+8.3%、-3.0%、-12.1%（+為增加、-為降低）。這是由于小粒徑橡膠摻入后可與瀝青發(fā)生一定程度的混融，部分瀝青轉(zhuǎn)換為粘彈性更好的橡膠瀝青，進(jìn)而增強(qiáng)混合料抗變形能力。而隨著膠粉粒徑增大，由于拌和時(shí)間有限，大粒徑膠粉與瀝青混融作用降低，導(dǎo)致其穩(wěn)定度呈現(xiàn)顯著的降低趨勢(shì)。

（2）相較對(duì)照組，100目與40目干法橡膠瀝青混合料流值基本與其相當(dāng)。但20目膠粉瀝青混合料的流值急劇增大，已不滿(mǎn)足規(guī)范2～4 mm的限定要求。這可能是由于采用20目膠粉等體積替代細(xì)集料后，大粒徑的膠粉由于拌和混融時(shí)間有限，相較原集料而言其與瀝青粘附作用減弱，進(jìn)而使對(duì)應(yīng)的瀝青混合料穩(wěn)定度與流值顯著降低。

2.3" 70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料高溫（70 ℃）車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

（1）采用干法工藝摻入膠粉后，各混合料動(dòng)穩(wěn)定度均降低，且隨膠粉粒徑增大，降幅更加顯著。相較對(duì)照組，摻入膠粉后各粒徑橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別降低6.3%、7.4%與10.4%。該結(jié)果表明，干法工藝會(huì)對(duì)橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響，但整體而言，其降幅仍在可控范圍，各試樣在70 ℃的溫度條件下的動(dòng)穩(wěn)定度均高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件（60 ℃）限定值（≥1 000次/mm）。

（2）相較對(duì)照組，摻入膠粉后各混合料車(chē)轍深度值均減小，且100目膠粉瀝青混合料車(chē)轍深度最小，表明干法工藝可在一定程度上減小瀝青混合料的永久變形量。這是由于膠粉具有良好的彈性性能，可在一定程度上增強(qiáng)瀝青混合料的彈性能力。但由于本研究干法拌和采用的類(lèi)似直投法進(jìn)行混合料試件制備，導(dǎo)致膠粉與瀝青混融效果有限［14］。因此，當(dāng)膠粉粒徑增大時(shí)，混合料車(chē)轍深度變大。但整體而言，仍較未摻膠粉混合料的試樣小。

綜合分析，干法橡膠瀝青混合料不同高溫性能指標(biāo)變化規(guī)律存在一定差異，但動(dòng)穩(wěn)定度降幅較小，仍可滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定要求。同時(shí)，干法膠粉工藝可顯著降低瀝青混合料永久變形量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)工程需求進(jìn)行針對(duì)性工藝優(yōu)化。

2.4" 單軸壓縮試驗(yàn)

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)（20 ℃）結(jié)果如圖4所示。

摻入小粒徑膠粉后，瀝青混合料抗壓強(qiáng)度增大，但隨粒徑增加抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。與前述馬歇爾試驗(yàn)穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律一致，隨著膠粉粒徑增大，瀝青混合料抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，表明膠粉粒徑對(duì)瀝青混合料大部分力學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)一致的影響規(guī)律。但粒徑為100目、40目的膠粉對(duì)應(yīng)的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)照組，提高幅度分別為6.3%與2.3%，表明干法橡膠瀝青混合料不同力學(xué)指標(biāo)對(duì)膠粉粒徑敏感性不一致。但整體而言，在本研究所采用制備工藝下，大粒徑（20目）膠粉對(duì)瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)存在不利影響。

2.5" 劈裂試驗(yàn)

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料在不同溫度下的劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

干法摻入膠粉后，瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低，隨著粒徑增大降幅增大，且不同溫度條件下的劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。相較對(duì)照組，15 ℃與25 ℃條件下的劈裂強(qiáng)度分別為6.7%～23.9%、6.4%～40.1%。劈裂強(qiáng)度采用劈裂條進(jìn)行端點(diǎn)施壓，是一種間接拉伸試驗(yàn)方法，表明干法工藝對(duì)瀝青混合料抗拉強(qiáng)度具有不利影響。這可能是由于膠粉摻入后降低了瀝青與集料間粘結(jié)強(qiáng)度所致的［15］。

2.6" 綜合對(duì)比分析

為綜合分析膠粉粒徑對(duì)干法工藝瀝青混合料力學(xué)性能影響，對(duì)不同粒徑膠粉瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行熱圖排序，如圖6所示。

注：排序值越小，顏色越深，此時(shí)對(duì)應(yīng)力學(xué)指標(biāo)性能越好

（1）整體而言，干法摻入膠粉后，隨著膠粉粒徑增大，瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)呈降低趨勢(shì)。這是由于拌和時(shí)間有限，大粒徑膠粉無(wú)法與瀝青有效融合形成良好的混融結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致混合料力學(xué)指標(biāo)降低。但干法膠粉摻入對(duì)車(chē)轍深度具有積極影響，即膠粉的高彈屬性有效提升了瀝青混合料抗永久變形性能。

（2）綜合分析，小粒徑（100目）膠粉可提升瀝青混合料抗壓力學(xué)性能，但干法瀝青混合料抗拉強(qiáng)度均較對(duì)照組小。因此工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體工況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3" 結(jié)語(yǔ)

為研究不同粒徑膠粉對(duì)干法橡膠瀝青混合料力學(xué)性能影響，選取100目、40目與20目3種粒徑膠粉，采用干法制備成橡膠瀝青混合料，與無(wú)膠粉的對(duì)照組進(jìn)行瀝青混合料體積試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及不同溫度劈裂試驗(yàn)對(duì)比分析。得到如下結(jié)論：

（1）相較不摻膠粉的對(duì)照組，摻入膠粉后瀝青混合料最佳油石比增大，且隨膠粉粒徑增大而降低；而混合料相對(duì)密度、空隙率、瀝青飽和度相較對(duì)照組減小，且隨著膠粉粒徑增大而增大。

（2）干法摻入膠粉后，小粒徑膠粉瀝青混合料穩(wěn)定度與抗壓強(qiáng)度均較對(duì)照組提升，但隨膠粉粒徑增大，上述兩個(gè)力學(xué)指標(biāo)均降低，且逐漸小于對(duì)照組。而摻入膠粉可使車(chē)轍深度降低，且粒徑越大改善越顯著。

（3）干法工藝瀝青混合料在不同溫度下劈裂強(qiáng)度均較對(duì)照組降低，且隨膠粉粒徑增大，劈裂強(qiáng)度降幅增大。

［1］中共中央，國(guó)務(wù)院.關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm，2021-10-24.

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20240312