粗橡膠顆粒瀝青混合料室內(nèi)成型工藝及路用性能

王修云，余 苗，吳國(guó)雄

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

近年來(lái)，隨著中國(guó)汽車保有量的急劇攀升，汽車制造業(yè)所產(chǎn)生的固體廢棄物對(duì)環(huán)境的危害已逐漸顯現(xiàn)。其中一項(xiàng)重要污染源就是大量堆積的廢舊輪胎。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2010年中國(guó)每年廢棄的橡膠輪胎累計(jì)達(dá)2億多條［1］。輪胎是一種難以降解的高分子材料，這些黑色垃圾無(wú)論是采用堆放，填埋還是焚燒的方法處理都將造成新的污染、占用土地資源，而且容易滋生蚊蟲，傳播疾病。因此，合理的回收利用廢舊橡膠輪胎已成為現(xiàn)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。在道路工程中，利用廢橡膠粉鋪筑橡膠瀝青混合料路面通常有濕法和干法2種形式［2-6］。目前在實(shí)際應(yīng)用中以濕法為主，然而由于濕法橡膠瀝青制備工藝復(fù)雜，普通干法雖然能消耗更多廢舊輪胎，卻存在著混合料體積變形較大、不易壓實(shí)、易松散，路用性能不佳及耐久性差等問(wèn)題，不利于大范圍推廣。筆者綜合分析傳統(tǒng)橡膠瀝青混合料的優(yōu)缺點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)方案比選，現(xiàn)擬采用粗橡膠顆粒替換掉相同體積粗集料的方法，力求在簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)找出合理的成型碾壓工藝，使粗橡膠顆粒瀝青混合料能在充分利用廢舊橡膠的前提下，同時(shí)保持甚至增強(qiáng)道路整體路用性能，延長(zhǎng)道路的使用壽命。

1 粗橡膠顆粒瀝青混合料成型工藝初步研究

橡膠顆粒與瀝青混合后會(huì)吸收瀝青中一些輕質(zhì)油分而產(chǎn)生溶脹反應(yīng)，容易導(dǎo)致混合料難以壓實(shí)，繼而出現(xiàn)剝落、松散等病害，降低路面使用性能及使用壽命［5］。為減少傳統(tǒng)工藝中干法橡膠顆粒瀝青混合料的這些弊端，需從材料選擇階段即進(jìn)行研究。

1.1 原材料的選擇

為確保橡膠顆粒的路用性能，經(jīng)試驗(yàn)比選之后，選取紹爾硬度大于60度的廢舊輪胎胎面膠，并經(jīng)常溫切割粉碎制備成試驗(yàn)用橡膠顆粒。選用SBS改性瀝青。粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，均滿足現(xiàn)行公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范相關(guān)指標(biāo)要求。

1.2 試驗(yàn)混合料級(jí)配組成

研究成果表明［2-4］，無(wú)論是濕法還是干法的橡膠瀝青混合料，在級(jí)配的選擇上都應(yīng)選用斷級(jí)配以提供較大的VMA來(lái)容納橡膠的體積變形，這樣可減小加入橡膠顆?；蛳鹉z粉后對(duì)級(jí)配本身骨架結(jié)構(gòu)的影響。級(jí)配以骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以張肖寧提出的CAVF法為理論基礎(chǔ)［5］，結(jié)合粗集料逐級(jí)搗實(shí)與細(xì)集料逐級(jí)振實(shí)的工藝，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)比選，最終確定粗橡膠顆粒瀝青混合料的基準(zhǔn)級(jí)配如表1。

表1 橡膠顆粒瀝青混合料用基準(zhǔn)級(jí)配Tab.1 Basic gradation for coarse rubber granule asphalt mixture

該基準(zhǔn)級(jí)配最佳油石比為5.8%，木質(zhì)素纖維摻量為0.3%，其各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 基準(zhǔn)級(jí)配瀝青混合料基本性能Tab.2 Performance of basic gradation asphalt mixture

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，試驗(yàn)確定橡膠的摻入方式以等體積替代集料，橡膠級(jí)配組成如表3。

表3 橡膠級(jí)配Tab.3 Rubber gradation

1.3 擊實(shí)方案的初步確定

橡膠顆粒具有密度小、彈性形變能力強(qiáng)的特性，與形成混合料骨架的石料特性差異巨大，基準(zhǔn)級(jí)配以體積替代法摻入級(jí)配橡膠顆粒之后，橡膠顆粒瀝青混合料的壓實(shí)特性與普通瀝青混合料壓實(shí)特性相比發(fā)生較大改變。如按普通瀝青混合料馬歇爾擊實(shí)方法一次成型，高溫下瀝青結(jié)合料表現(xiàn)出較強(qiáng)的流體性質(zhì)，其黏性較弱不足以束縛粗橡膠顆粒的彈性變形，因而成型的試件容易產(chǎn)生隆起、松散等現(xiàn)象(表4)，不能滿足路用性能要求。

表4 成型方法對(duì)混合料體積參數(shù)的影響Tab.4 Effect of molding method on volume parameters

由于橡膠顆粒具有自黏性與互黏性，在混合料不易拌和均勻，故要求先將橡膠顆粒與集料先干拌30 s后再進(jìn)行下一步拌和。同時(shí)，為模擬路面攤鋪時(shí)的振動(dòng)壓實(shí)工藝，經(jīng)比選，確定采用振動(dòng)擊實(shí)與大馬歇爾二次擊實(shí)相結(jié)合的工藝來(lái)進(jìn)行粗顆粒橡膠瀝青混合料的試件成型:首先，在恒定激震力為5 500 kN的可調(diào)頻率、時(shí)間的振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)上進(jìn)行首次成型，該階段成型初始溫度控制為170℃左右;然后，再進(jìn)行大馬歇爾二次擊實(shí)成型。與標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾成型法相比，其總擊實(shí)次數(shù)不作改變，僅將標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾的雙面各擊實(shí)110次分解為2次不同溫度下一定次數(shù)的雙面擊實(shí)。具體流程可見圖1。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Diagram of experiment process

2 粗橡膠顆粒瀝青混合料成型工藝正交試驗(yàn)研究

2.1 正交試驗(yàn)安排

以空隙率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析成形效果影響因素。由于壓實(shí)成型效果影響因素眾多，故本次試驗(yàn)中重點(diǎn)選取了5方面因素進(jìn)行研究:橡膠摻量、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、二次擊實(shí)溫度及與其對(duì)應(yīng)的擊實(shí)次數(shù)。其中每個(gè)因素又結(jié)合前期成果及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)選取了4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［8］，見表5。

表5 正交試驗(yàn)安排Tab.5 Orthogonal experiment schedule

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用表5因素4水平L16(45)正交試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果即每組試 件平均空隙率列于表6。

表6 L16(45)正交試驗(yàn)Tab.6 L16(45)orthogonal experiment schedule

通過(guò)極差分析(表 7)可以發(fā)現(xiàn):R橡膠摻量＞R擊實(shí)溫度＞R振動(dòng)時(shí)間＞ R振動(dòng)頻率＞ R擊實(shí)次數(shù)?？梢妼?duì)于壓實(shí)效果控制指標(biāo)空隙率來(lái)講，橡膠摻量是影響粗橡膠顆粒瀝青混合料壓實(shí)性能的主要因素，擊實(shí)溫度、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率依次次之，擊實(shí)次數(shù)分布影響最小。單從橡膠摻量對(duì)成型效果影響來(lái)講，橡膠摻量與空隙率關(guān)系如圖2，在橡膠顆粒體積代換量低于5.5%時(shí)，橡膠摻量對(duì)混合料的壓實(shí)性能影響顯著，但當(dāng)橡膠摻量達(dá)到5.5%以后影響效果減小，基本維持不變。

表7 極差分析Tab.7 Range analysis

圖2 橡膠摻量與空隙率關(guān)系Fig.2 Relationship between rubber dosage and voidage

從擊實(shí)溫度對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料影響來(lái)講，合理的溫度組合對(duì)混合料的壓實(shí)效果影響較大，溫度太高瀝青結(jié)合料難以束縛橡膠的彈性變形，混合料壓實(shí)后易產(chǎn)生較大空隙及回彈。溫度太低，擊實(shí)阻力增大，壓實(shí)效果也不理想。由試驗(yàn)得出最佳擊實(shí)溫度組合為140℃+90℃。

振動(dòng)時(shí)間與振動(dòng)頻率對(duì)混合料的擊實(shí)性能有一定程度上的影響，但在固定激振力5 500 kN作用下頻率與時(shí)間變化對(duì)壓實(shí)性能影響規(guī)律不明顯，有待進(jìn)一步做激振力變化情況下的研究。2次擊實(shí)次數(shù)分配對(duì)擊實(shí)性能影響不大，但適當(dāng)增加低溫條件下?lián)魧?shí)次數(shù)對(duì)混合料成型效果有積極影響。

3 混合料路用性能分析

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析，得出橡膠顆粒瀝青混合料的優(yōu)化成型工藝為:橡膠摻量3%;振動(dòng)頻率28.7 Hz;振動(dòng)時(shí)間90 s;二次擊實(shí)(140℃擊實(shí)20次 +90℃擊實(shí)92次)。

利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(MTS)，在溫度40℃、矩形波應(yīng)力為100 kPa、加載頻率為0.5 Hz、加載時(shí)間為2 h條件下，對(duì)不加橡膠的基礎(chǔ)級(jí)配和添加5.5%橡膠的混合料在上述最佳成型工藝條件下成型的大馬歇爾試件(圖3)進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

由于具有較低模量的橡膠摻入，混合料嵌擠模式由石-石接觸［圖3(a)］變化為石-橡膠-石接觸［圖3(b)］，瀝青混合料蠕變模量變化明顯，下降約50%(圖4)。在滿足路面基礎(chǔ)性能的前提下，路面柔性的適當(dāng)增加有利于在一定荷載下能形成更深的彎沉盆，增大輪胎與瀝青路面附著區(qū)面積，提高路面與輪胎之間的附著阻力，對(duì)提高長(zhǎng)大陡坡下坡路段路面抗滑性能有積極地影響［9］。

粗橡膠顆粒瀝青混合料嵌擠方式改變及動(dòng)態(tài)模量的降低必然會(huì)對(duì)混合料路用性能產(chǎn)生較大影響。車輛在長(zhǎng)大陡坡路面頻繁制動(dòng)使混合料內(nèi)部長(zhǎng)期受強(qiáng)剪應(yīng)力影響，導(dǎo)致推移和擁包成為陡坡路段的典型病害，在高溫條件下尤其更甚。因此，筆者重點(diǎn)從路面高溫性能出發(fā)，利用車轍儀對(duì)添加不同數(shù)量橡膠的瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)車轍板進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試。以4%為目標(biāo)空隙率控制壓實(shí)次數(shù)，按規(guī)范要求成型試件(表8)，動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果如圖5。

表8 動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試Tab.8 Test results of Dynamic stability

圖5 不同橡膠摻量下動(dòng)穩(wěn)定變化Fig.5 Test results of Dynamic stability with different rubber admixture

從圖5可知，隨著橡膠顆粒摻入量的增加，混合料高溫穩(wěn)定性有一定程度的提高，但當(dāng)橡膠摻入量大于5.5%后，動(dòng)穩(wěn)定度下降明顯。經(jīng)計(jì)算得知，在橡膠摻量為3%時(shí)(VCAMIX=35.3%)≤(VCADRC=35.5%)，混合料嵌擠骨架以回彈模量高的粗玄武巖集料為主，在恒定溫度60℃環(huán)境中周期性荷載下，瀝青路面變形較小，瀝青混合料內(nèi)部橡膠顆粒位置與形態(tài)變化也較小，橡膠具有應(yīng)變滯后于應(yīng)力的特性，在卸載之后，一定數(shù)量橡膠顆粒的存在有助于將受荷載作用下導(dǎo)致的瀝青混合料內(nèi)部微小變形恢復(fù)到受力前的位置，使混合料高溫性能在一定程度上有所提高。但當(dāng)橡膠摻量大于5.5%時(shí)，混合料骨架開始由粗集料和粗橡膠顆粒共同組成，在較強(qiáng)荷載作用下，模量較小的橡膠顆粒產(chǎn)生較大變形使原有的嵌擠結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原本假設(shè)主骨架集料形狀固定的條件不存在，粗橡膠顆粒形狀隨變形后的粗玄武巖顆粒所構(gòu)架的骨架空隙形狀變化，更傾向于充當(dāng)填料的“角色”，使混合料中實(shí)際意義上的細(xì)集料增加。其中 (VCAMIX=36.3%)≥(VCADRC=35.5%)，粗集料形成的骨架被細(xì)集料所撐開，骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)演變成懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度明顯衰減。鑒于長(zhǎng)大陡坡路段對(duì)高溫性能的較高要求，建議將橡膠摻加量控制在5.5%以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)的5因素4水平正交大馬歇爾試驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了橡膠顆粒瀝青混合料成型工藝，得到如下結(jié)論:

1)通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了不同橡膠摻量、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間，壓實(shí)溫度和壓實(shí)次數(shù)對(duì)混合料壓實(shí)性能的影響，以空隙率為控制指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，得出對(duì)混合料壓實(shí)性能影響因素從大到小的順序?yàn)?橡膠摻量＞擊實(shí)溫度＞振動(dòng)時(shí)間＞振動(dòng)頻率＞擊實(shí)次數(shù)。并且得出了優(yōu)化后的成型工藝:橡膠摻量在5.5%以內(nèi);振動(dòng)頻率為28.7 Hz;擊實(shí)條件:140℃條件下?lián)魧?shí)次數(shù)為20次，90℃條件下為92次。

2)對(duì)成型的大馬歇爾試件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)摻加了5.5%橡膠的混合料蠕變模量降低至未摻加橡膠之前的1/2左右;由車轍試驗(yàn)結(jié)果得出:橡膠摻量超過(guò)5.5%之后，動(dòng)穩(wěn)定度下降較多，為滿足路面綜合路用性能，建議橡膠摻量應(yīng)控制在5.5%之內(nèi)。

3)參照骨架嵌擠型級(jí)配SMA施工方法［10］，結(jié)合室內(nèi)成型方法研究成果，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，建議采用振動(dòng)壓路機(jī)與非振動(dòng)壓路機(jī)組合方式進(jìn)行碾壓，在170～175℃采用雙輪鋼筒式碾壓機(jī)進(jìn)行初壓1～2遍，復(fù)壓采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓4遍(碾壓溫度大于140℃，振動(dòng)頻率28.7Hz)，最后用雙輪鋼筒式碾壓機(jī)進(jìn)行終壓1～2遍即可。

4)關(guān)于橡膠瀝青混凝土成型中激振力與振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間對(duì)壓實(shí)效果的影響有待進(jìn)一步研究，同時(shí)普通瀝青混合料最佳油石比確定方法及性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)是否適用于粗橡膠顆粒瀝青混合料，有待進(jìn)一步研究探討。

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