礦粉對(duì)橡膠瀝青混合料路用性能的影響

唐乃膨，黃衛(wèi)東，鄭 茂,2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2. 四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000)

0 引 言

在美國(guó)，橡膠瀝青混合料的級(jí)配與規(guī)范起源于亞利桑那州，之后在加州和德州也得到了廣泛的應(yīng)用?？v觀這幾個(gè)州，橡膠瀝青混合料級(jí)配與常規(guī)混合料級(jí)配在礦粉使用上有很大差別，如，美國(guó)亞利桑那州的斷級(jí)配完全不用礦粉[1]，而加州和德州的橡膠瀝青級(jí)配中也是不用或僅使用少量礦粉[2-3]，填料主要是消石灰或者水泥。在我國(guó)的橡膠瀝青使用指南中，要求加入大量礦粉[4]。無(wú)論是美國(guó)幾個(gè)州還是我國(guó)的指南，對(duì)于為什么不用礦粉或者為什么多加礦粉，均無(wú)相關(guān)的研究與結(jié)論。因此，橡膠瀝青混合料中是否需要加礦粉，礦粉加入的量對(duì)橡膠瀝青混合料性能有什么影響等，是亟待研究的問(wèn)題。

礦粉的使用能有效地降低橡膠瀝青混合料的空隙率，使用礦粉是控制橡膠瀝青混合料空隙率的有效手段[5]，但礦粉的使用會(huì)對(duì)橡膠瀝青混合料的性能產(chǎn)生一定的影響。一方面，礦粉吸收瀝青裹覆集料的能力較之細(xì)集料更強(qiáng)，必然導(dǎo)致瀝青混合料中的瀝青膜厚度減小，這不利于瀝青混合料的耐久性；另一方面，礦粉用量的增加，必然導(dǎo)致生產(chǎn)施工中的成本增大。因此，研究礦粉對(duì)橡膠瀝青混合料性能的影響，對(duì)工程應(yīng)用具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，在保證空隙率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，?duì)加礦粉和不用礦粉的橡膠瀝青混合料的黏結(jié)性能、抗水損害性能進(jìn)行對(duì)比；并通過(guò)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)不同礦粉摻量的橡膠瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料

1.1 集 料

試驗(yàn)所用集料粒徑組成為13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0.075 mm。2.36 mm以上的集料，采用江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)玄武巖；2.36～0.075 mm集料，采用江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)石灰?guī)r。集料的基本性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集料的基本性能

1.2 橡膠瀝青

采用中海70 # 基質(zhì)瀝青，40目膠粉，膠粉摻量為內(nèi)摻18%，在(185 ± 5)℃條件下，高速攪拌90 min，制備得到橡膠瀝青，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)

2 礦粉對(duì)瀝青膜厚度的影響

W.H.Campen，等[6]及P.S.Kandhal，等[7]研究認(rèn)為，瀝青膜較厚時(shí)，混合料柔性佳，更耐久；而瀝青膜較薄時(shí)，混合料偏脆，易于發(fā)生開(kāi)裂、剝落，會(huì)降低混合料使用壽命。瀝青膜厚度在6～8 μm之間，混合料性能最佳。

根據(jù)國(guó)外資料[7]建議，通常情況下連續(xù)密集配瀝青混合料的瀝青膜有效厚度不宜小于6 μm，密實(shí)式瀝青碎石混合料的有效瀝青膜厚度不宜小于5 μm。

對(duì)于橡膠瀝青混合料，由于橡膠瀝青中含有膠粉顆粒，在計(jì)算瀝青膜厚度的時(shí)候，這些膠粉顆粒應(yīng)該計(jì)入瀝青部分或是集料部分尚無(wú)定論。級(jí)配設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。筆者將膠粉顆粒分別計(jì)入瀝青部分(算法1)和集料部分(算法2)，得出瀝青膜厚度見(jiàn)表4。

表3 集料設(shè)計(jì)級(jí)配

注：1.試驗(yàn)所用級(jí)配中0.075 mm以下粉塵均被篩除，并用礦粉(或水泥)代替，(下同)；2.級(jí)配1、級(jí)配3、級(jí)配5、級(jí)配7的填料使用礦粉，其中1.5%采用水泥替代；其余級(jí)配填料使用1.5%水泥，不使用礦粉；3.所有級(jí)配均為雙面擊實(shí)各50次。

表4 瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果

在橡膠瀝青體系中，部分橡膠顆粒會(huì)溶于橡膠瀝青中，因此，理論上橡膠瀝青混合料的瀝青膜厚度應(yīng)該是處于算法1與算法2計(jì)算結(jié)果之間。由表4可知，摻加礦粉的級(jí)配1、級(jí)配3、級(jí)配5、級(jí)配7的瀝青膜厚度基本都是低于6～8 μm；瀝青用量為5.5%時(shí)，不用礦粉的級(jí)配2、級(jí)配4的瀝青膜厚度基本處于6～8 μm的范圍內(nèi)，當(dāng)瀝青用量增大，不用用礦粉的級(jí)配的瀝青膜厚度均大于8 μm。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 飛散試驗(yàn)

如果瀝青膜較薄，則較易被進(jìn)入路面內(nèi)部的空氣氧化，而使得瀝青混合料變脆、開(kāi)裂造成早期損壞[8]。由表4可見(jiàn)，使用礦粉的級(jí)配1、級(jí)配3、級(jí)配5、級(jí)配7的橡膠瀝青混合料，其瀝青膜厚度基本難以達(dá)到6～8 μm。筆者根據(jù)JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)級(jí)配1、級(jí)配2的橡膠瀝青混合料進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，以驗(yàn)證橡膠瀝青的黏結(jié)性能。瀝青用量選用5.5%，6.0%，6.5%，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 飛散試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)JTG F 40—2004《公路瀝青路面技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求，SMA改性瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)飛散損失≯15%。表5中，3種瀝青用量條件下的飛散損失均滿足規(guī)范要求。隨著瀝青用量的增大，橡膠瀝青混合料的黏結(jié)性能增強(qiáng)，兩種級(jí)配的混合料飛散損失亦遞減。

但試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種瀝青用量下，摻加礦粉級(jí)配的橡膠瀝青混合料其飛散損失均略低于不用礦粉的級(jí)配。而根據(jù)瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果，不用礦粉級(jí)配的橡膠瀝青混合料的瀝青膜厚度處于6～8 μm，理論上應(yīng)該有較低的飛散損失。此處飛散試驗(yàn)結(jié)果與瀝青膜計(jì)算厚度結(jié)果并不相符。

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

瀝青膜厚度不足，瀝青對(duì)集料裹覆不足，易引起瀝青混合料的水損壞。筆者對(duì)級(jí)配3～級(jí)配8進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)礦粉對(duì)橡膠瀝青混合料抗水損害性能的影響。選用3種瀝青用量5.5%，6.0%，6.5%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

Table6Moisturedamageresistancetestresults

瀝青用量/%集料級(jí)配空隙率/%瀝青膜厚/μm劈裂值/kN凍融循環(huán)常溫放置TSR/%5．537．54．18～5．764．215．0383．747．76．97～10．534．435．2284．96．056．84．60～6．608．6610．2184．867．38．91～12．669．4311．7880．06．576．74．57～6．809．419．9894．386．39．68～13．988．9510．6484．1

在3種瀝青用量下，通過(guò)盡量合適的合成級(jí)配，使得橡膠瀝青混合料的空隙率相當(dāng)，在這樣的條件下再進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。由表6可知，所有級(jí)配的混合料TSR均大于80%，滿足《規(guī)范》要求。瀝青用量為5.5%時(shí)，不用礦粉的級(jí)配4對(duì)應(yīng)的TSR值大于加礦粉的級(jí)配3；在6.0%和6.5%的瀝青用量條件下，摻加礦粉的級(jí)配，其混合料TSR均大于不用礦粉的級(jí)配；在6.0%和6.5%的瀝青用量下，試驗(yàn)結(jié)果與由瀝青膜厚得出的理論推斷也不相符合。

3.3 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用BFA進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，疲勞破壞判據(jù)為勁度模量降為初始勁度模量的50%。根據(jù)目前路面車載情況，分別選取應(yīng)變?yōu)?00，1 000，1 500 με的3種加載水平以模擬不同輕重交通荷載的情況。疲勞試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表7，疲勞試驗(yàn)所用集料級(jí)配見(jiàn)表8，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表7 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

表8 疲勞試驗(yàn)所用級(jí)配

表9疲勞試驗(yàn)結(jié)果

Table9Fatiguetestresults

依據(jù)廣泛使用的疲勞模型：

(1)

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到式(2)：

lgNf=lgk1-k2lgε

(2)

根據(jù)式(2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到疲勞擬合曲線見(jiàn)圖1，擬合方程見(jiàn)表10。

圖1 疲勞擬合曲線Fig.1 Fatigue fitting curves

瀝青用量/%集料級(jí)配擬合方程相關(guān)系數(shù)5．5ⅠlgNf=-1．4829lgε+8．5561R2=0．9357ⅡlgNf=-1．4032lgε+8．3533R2=0．9316ⅢlgNf=-1．5787lgε+9．0198R2=0．9475

(續(xù)表10)

瀝青用量/%集料級(jí)配擬合方程相關(guān)系數(shù)6．0ⅠlgNf=-1．4450lgε+8．5121R2=0．9913ⅡlgNf=-1．4077lgε+8．4313R2=0．9997ⅢlgNf=-1．2907lgε+8．3034R2=0．99926．5ⅠlgNf=-1．3817lgε+8．3924R2=0．9991ⅡlgNf=-1．2383lgε+7．9806R2=0．9780ⅢlgNf=-1．2823lgε+8．4373R2=0．9944

從圖1可以看出，未使用礦粉的級(jí)配Ⅲ疲勞性能明顯優(yōu)于使用礦粉的級(jí)配Ⅰ和級(jí)配Ⅱ。此外，雖然級(jí)配I和級(jí)配Ⅱ的礦粉用量不同，但它們的疲勞性能較為接近。

4 結(jié) 論

1)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：摻加礦粉的橡膠瀝青混合料，瀝青膜厚度基本都是低于6～8 μm；瀝青用量為5.5%時(shí)，不用礦粉的橡膠瀝青混合料，其瀝青膜厚度基本處于6～8 μm的范圍內(nèi)，當(dāng)瀝青用量增大，瀝青膜厚度均大于8 μm。

2)飛散試驗(yàn)結(jié)果顯示：3種瀝青用量下，摻加礦粉級(jí)配的橡膠瀝青混合料其飛散損失均略低于不含礦粉的級(jí)配。

3)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果顯示：瀝青用量為5.5%時(shí)，不用礦粉的級(jí)配對(duì)應(yīng)的TSR值大于加礦粉的級(jí)配；而6.0%和6.5%瀝青用量下，不用礦粉的級(jí)配對(duì)應(yīng)的TSR值均小于加礦粉的級(jí)配。

4)疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，未使用礦粉的級(jí)配疲勞性能明顯優(yōu)于使用礦粉的兩種級(jí)配。此外，雖然使用礦粉的兩種級(jí)配的礦粉用量不同，但它們的疲勞性能較為接近。

5)從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，橡膠瀝青混合料中礦粉的使用，對(duì)黏結(jié)性能和抗水損害性能有稍許提高，但對(duì)疲勞性能是不利的。考慮到疲勞性能是橡膠瀝青最重要的性能，建議橡膠瀝青混合料不用或少用礦粉。

[1] Standard Specifications for Road and Bridge Construction [S].Arizona: Arizona DOT, 2008: 328-324.

[2] Standard Specifications[S].California:California DOT, 2010: 411-416.

[3] Standard Specifications for Construction and Maintenance of Highways, Streets and Bridges [S].Texas: Texas DOT, 2004: 265-278.

[4] 交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

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