硫酸鹽腐蝕再生橡膠顆粒瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

張勤玲,楊保存,王　成

(塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾　843300)

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硫酸鹽腐蝕再生橡膠顆粒瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

張勤玲,楊保存,王成

(塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾843300)

摘要：針對(duì)國內(nèi)外硫酸鹽腐蝕環(huán)境中再生橡膠顆粒瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)鮮有研究的現(xiàn)狀,采用10%Na2SO4溶液加速劣化下的真空飽水凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn),研究在硫酸鹽腐蝕介質(zhì)中,橡膠顆粒的粒徑和摻量對(duì)再生橡膠顆粒瀝青混合料的抗凍融性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,再生瀝青混合料的TSR值逐漸降低,空隙率逐漸增大,高濃度飽和硫酸鹽腐蝕環(huán)境加速劣化了再生瀝青混合料的性能;在凍融循環(huán)次數(shù)一致的條件下,摻加小橡膠顆粒的再生瀝青混合料的TSR值優(yōu)于普通再生瀝青混合料的TSR值和摻加大橡膠顆粒再生瀝青混合料的TSR值。在最佳橡膠顆粒摻量下,摻加小橡膠顆粒的再生瀝青混合料的抗凍融性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：道路工程;再生橡膠顆粒瀝青混合料;硫酸鹽腐蝕;劈裂試驗(yàn)

目前，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通等各行業(yè)發(fā)展迅速，各類公路交通工具也飛速增長。因此，日益增長的廢舊橡膠輪胎的數(shù)量不但惡化我們賴以生存的環(huán)境，更威脅著人類的健康。廢舊橡膠輪胎在道路工程中的應(yīng)用已成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-3]。以往對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料的試驗(yàn)研究主要集中于新拌混合料[4-7],較少研究再生橡膠顆粒瀝青混合料性能，尤其是對(duì)硫酸鹽腐蝕介質(zhì)中再生橡膠顆粒瀝青混合料抗凍融性能的研究則更少了。

在南疆鹽漬土區(qū)，鹽漬土的鹽脹-凍脹循環(huán)嚴(yán)重削弱了瀝青混凝土路面的抗凍融性能。本文以南疆新建城市阿拉爾市主干道大學(xué)路翻挖、銑刨下來的瀝青面層材料為研究對(duì)象[8]，采用馬歇爾試驗(yàn)確定再生橡膠顆粒瀝青混合料的最佳橡膠顆粒摻量及其相應(yīng)的新瀝青摻量[9]，以此為基準(zhǔn)制備試件，采用濃度為10%的Na2SO4溶液加速劣化下的真空飽水凍融劈裂試驗(yàn)探究再生橡膠顆粒瀝青混合料的抗凍融性能，以凍融劈裂強(qiáng)度比和空隙率兩項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)再生橡膠顆粒瀝青混合料的抗凍融性能。

1試驗(yàn)材料

1.1回收瀝青路面材料

本試驗(yàn)所用再生回收瀝青路面材料(reclaimed asphalt pavement, RAP)取自南疆小城阿拉爾市內(nèi)主干道大學(xué)路翻挖下來的瀝青路面面層。據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[10]中T0722—1993和T0725—2000試驗(yàn)得到RAP級(jí)配(表1), RAP的級(jí)配已不滿足規(guī)范[11]要求， 需要摻加新集料加以調(diào)整[9]。 再生混合料采用AC-13級(jí)配， 以現(xiàn)行規(guī)范[11]規(guī)定的AC-13級(jí)配范圍中值為目標(biāo)級(jí)配， 合成礦料級(jí)配(表1)。

1.2新瀝青

為了恢復(fù)RAP中舊瀝青性能和確保舊瀝青性能的穩(wěn)定， 使用標(biāo)號(hào)高于舊瀝青標(biāo)號(hào)的新瀝青摻入到RAP中[8-9]。結(jié)合工程實(shí)際，本試驗(yàn)選用產(chǎn)于新疆克拉瑪依的A級(jí)90號(hào)道路石油瀝青作為新瀝青[8-9]。其各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

表1　RAP級(jí)配Table 1　Gradation of RAP

表2　克拉瑪依90#道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2　Technical standards of road No.90 petroleum asphalt of Karamay

1.3橡膠顆粒

本試驗(yàn)采用的橡膠顆粒(rubber particles,RP)是由廢舊輪胎在常溫下粉碎而成的。 根據(jù)粒徑大小可分為1～2.5 mm小橡膠顆粒(small rubber particles,SRP)和4～5 mm大橡膠顆粒(big rubber particles,BRP)兩種類型。其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3　橡膠顆粒的技術(shù)指標(biāo)Table 3　Technical standards of rubber particles

2馬歇爾試驗(yàn)

2.1試件成型工藝

增加拌和時(shí)間可使得容重較小的橡膠顆粒在再生混合料中分散的更為均勻。先將備好的RAP放置于烘箱中加熱至其軟化;然后將已軟化的RAP和稱量好的橡膠顆粒倒進(jìn)攪拌缸進(jìn)行拌和；最后依次加入新集料、新瀝青和礦粉，總拌和時(shí)間控制在4 min之內(nèi)。其中，RAP在烘箱的加熱溫度為100 ℃，在攪拌缸中的拌和溫度170 ℃。再生橡膠顆粒瀝青混合料主要用于城市次干路和支路，所以采用雙面擊實(shí)50次的方法進(jìn)行一次成型[8-10]。其拌和流程如圖1所示。

2.2橡膠顆粒最佳摻量的確定

為了研究橡膠顆粒的粒徑和摻量對(duì)再生瀝青混合料的影響，對(duì)橡膠顆粒摻量分別為0、1%、2%、3%四種情況的再生橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[8-9]。據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，再生瀝青混合料中瀝青的用量應(yīng)比新拌瀝青混合料中瀝青用量略高一些[12]。為了方便比較分析試驗(yàn)結(jié)果，選擇RAP摻量為40%的單一摻量。

試驗(yàn)步驟：①據(jù)已有研究，初估未摻加RP時(shí)，普通再生瀝青混合料中新瀝青用量為1.5%， 以0.5%的間隔遞增成型5組(即新瀝青摻量分別為1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%、 3.5%)馬歇爾試件，按照試驗(yàn)規(guī)程[10]中T0705—2011和T0709—2011測定試件的毛體積密度和理論最大相對(duì)密度，計(jì)算空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等物理指標(biāo)，然后進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測定其穩(wěn)定度和流值[8-9]，由馬歇爾試驗(yàn)法[11]可確定出普通再生瀝青混合料的最佳新瀝青摻量為3.13%。②當(dāng)外摻RP時(shí)，再生橡膠顆粒瀝青混合料中的新瀝青摻量以普通再生瀝青混合料中最佳新瀝青摻量為基準(zhǔn)，以0.5%的間隔遞增(即新瀝青摻量分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.5%、6.0%)成型試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖1　再生橡膠顆粒瀝青混合料拌和流程Fig.1　Mixing process of recycled rubber particles asphalt

再生混合料類型RP摻量/%新瀝青最佳摻量/%毛體積密度ρf/(g·cm-3)空隙率VV/%礦料間隙率VMA/%有效瀝青飽和度VFA/%穩(wěn)定度MS/kN流值FL/0.1mm再生SRP瀝青混合料03.132.2764.014.05171.2126.1524.014.132.3173.712.89771.7228.5423.625.002.3493.811.97368.4424.5327.635.132.2523.515.23274.6125.0725.2再生BRP瀝青混合料03.132.2764.014.05171.2126.1524.014.932.3114.113.83070.7827.7224.725.132.2723.814.99974.2426.6125.735.732.2424.416.17873.1425.9426.2規(guī)范要求-3～6-60～75>4.0-

從試驗(yàn)結(jié)果可知,由馬歇爾試驗(yàn)法[11]可確定橡膠顆粒的最佳用量。其方法是以橡膠顆粒摻量為橫坐標(biāo),分別以穩(wěn)定度、流值、毛體積密度、空隙率、飽和度及新瀝青最佳摻量為縱坐標(biāo),繪制橡膠顆粒摻量與這些指標(biāo)之間的關(guān)系曲線(圖略)。 取曲線圖中ρf和MS最大值、 VV和VFA范圍中值的瀝青用量, 以四者的平均值作為最佳瀝青用量的初始值OAC1, 根據(jù)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求, 確定瀝青用量范圍OACmin值和OACmax值, 計(jì)算其平均值得到OAC2, 取OAC1與 OAC2兩者的平均值即可作為再生橡膠顆粒瀝青混合料的最佳新瀝青用量[8-9]。經(jīng)計(jì)算,可確定出再生SRP瀝青混合料的最佳橡膠顆粒摻量為1.5%,相應(yīng)的新瀝青摻量為4.52%;摻加再生BRP瀝青混合料的最佳橡膠顆粒摻量為1.2%,相應(yīng)的新瀝青摻量為5.08%。

3凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)

采用10%Na2SO4溶液加速劣化條件下凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)來探究再生橡膠顆粒瀝青混合料的抗凍融性。同時(shí),為了提高鹽腐蝕溶液對(duì)試件侵蝕程度,采用真空飽水法往復(fù)加壓、減壓使腐蝕溶液不斷地進(jìn)出試件內(nèi)部,試驗(yàn)采用真空壓98.13 kPa,加減壓次數(shù)15次[8-14]。

3.1試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

基于現(xiàn)有的研究成果[15-16], 通過UMC1200高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱模擬再生橡膠顆粒瀝青混合料在自然環(huán)境中的凍融情況, 結(jié)合試驗(yàn)規(guī)程[10]中T0729—2000的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn), 進(jìn)行再生橡膠顆粒瀝青混合料凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

以最佳橡膠顆粒摻量下的再生瀝青混合料礦料組成為配合比,按照?qǐng)D1再生橡膠顆粒瀝青混合料的拌和流程制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,每組不少于8個(gè)試件。將制備好的試件進(jìn)行真空飽水后,隨機(jī)分成兩組:一組在25 ℃恒溫水槽中浸水不少于2 h后測其最大破壞荷載PT1;另一組在25 ℃恒溫水槽浸水0.5 h后裝入塑料袋,注10 mL水后密封,放入環(huán)境試驗(yàn)箱中,設(shè)置凍結(jié)溫度20 ℃,凍結(jié)時(shí)間為12 h;融解溫度為20 ℃,融解時(shí)間為12 h,此為一個(gè)凍融循環(huán)。

制備多組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,分別進(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)為1、5和10次的再生瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)。待各循環(huán)結(jié)束后,取出試件放入25 ℃恒溫水槽中不少于2 h后測其最大破壞荷載PT2;由試驗(yàn)規(guī)程[10]中式T0729-1和T0729-2計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度,按式T0729-3計(jì)算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度。再生SRP瀝青混合料和再生BRP瀝青混合料的凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)過程同普通再生瀝青混合料,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

可知,無論是摻入小粒徑橡膠顆粒的再生混合料還是摻入大粒徑橡膠顆粒的再生混合料，在最佳配比下,經(jīng)過0、1、5和10次凍融循環(huán)后,凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)均能達(dá)到規(guī)范[11]要求。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

為了較為直觀地分析再生橡膠顆粒瀝青混合料的空隙率和TSR與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,分別繪制了空隙率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖(圖2)和TSR與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖(圖3)。

由圖2可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,在兩種試驗(yàn)環(huán)境中,再生瀝青混合料空隙率均呈增大趨勢,腐蝕環(huán)境中再生瀝青混合料的空隙率要大于清水環(huán)境中的;在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下,隨著橡膠顆粒摻量的增加和粒徑的增大,再生橡膠顆粒瀝青混合料的空隙率也隨之增大。

表5　真空飽水凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5　Data of vacuum water saturation of freeze-thaw splitting test

圖2　不同試驗(yàn)環(huán)境中空隙率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.2　Relations between void ratio and freezing thawing cycles in different test environments

由圖3可知,在兩種試驗(yàn)環(huán)境中，再生瀝青混合料的TSR均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出不同程度下降。在腐蝕環(huán)境中，再生瀝青混合料TSR值下降速率較大；在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下， 由于橡膠顆粒摻量和粒徑大小的不同， 摻加小粒徑橡膠顆粒的再生瀝青混合料的TSR值要大于摻加大粒徑橡膠顆粒的再生瀝青混合料和普通再生瀝青混合料。

圖3　不同試驗(yàn)環(huán)境中TSR與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.3　Relations between TSR and freezing thawing cycles in different test environments

其原因分析:(1)進(jìn)行真空飽水試驗(yàn)的試件內(nèi)部空隙充滿溶液,在低溫-20 ℃條件下,試件內(nèi)部空隙由于自由水凍結(jié)成冰體積的增大而增大;同時(shí),凍融循環(huán)將進(jìn)一步降低瀝青和集料間的粘結(jié)力和再生混合料的強(qiáng)度。(2)橡膠顆粒自身的“輕質(zhì)高彈”特點(diǎn),在試件擊實(shí)過程中,代替部分骨料摻入再生瀝青混合料中的橡膠顆粒將吸收部分沖擊力,致使試件的密實(shí)程度低于普通再生瀝青混合料試件,而在試件冷卻成型過程中,由于橡膠顆粒的高回彈特性致使空隙率進(jìn)一步增大。再生混合料中橡膠顆粒摻量越多,粒徑越大,試件的回彈效應(yīng)越大。再者,空隙率的增大在一定程度上降低了再生橡膠顆粒瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度[17],致使試件的抗凍融能力進(jìn)一步降低。

4結(jié)論

(1)通過馬歇爾試驗(yàn)可知,不同粒徑和摻量的橡膠顆粒對(duì)再生瀝青混合料馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)均有一定影響,再生橡膠顆粒瀝青混合料中橡膠顆粒的摻量存在一個(gè)最佳值。摻加小粒徑橡膠顆粒的再生橡膠顆粒瀝青混合料的最佳橡膠顆粒摻量為1.5%,新瀝青摻量為4.52%;摻加大粒徑橡膠顆粒的再生橡膠顆粒瀝青混合料的最佳橡膠顆粒摻量為1.2%,新瀝青摻量為5.08%。

(2)凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明:在最佳橡膠顆粒摻量下,再生橡膠顆粒瀝青混合料的TSR值均滿足規(guī)范要求,摻加小橡膠顆粒的再生瀝青混合料的抗腐蝕凍融性能最優(yōu)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同橡膠顆粒粒徑和摻量的再生橡膠顆粒瀝青混合料TSR值呈現(xiàn)出不同程度的下降,空隙率逐漸增大,高濃度飽和硫酸鹽腐蝕環(huán)境加速劣化了再生瀝青混合料的性能;在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下,摻加再生SRP瀝青混合料的TSR值略高。

(3)由馬歇爾試驗(yàn)和凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)可知,小顆粒的橡膠顆粒更適合作為再生瀝青混合料的外摻物。但是,基于室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)確定的橡膠顆粒最佳摻量僅為一參考值,有待于結(jié)合其路用性能試驗(yàn)作進(jìn)一步驗(yàn)證。

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文章編號(hào):1674-9057(2016)02-0289-05

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.015

收稿日期：2015-06-02

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168042); 塔里木大學(xué)校長基金創(chuàng)新群體研究項(xiàng)目(TDZKPY201401)

作者簡介：張勤玲(1982—),女,碩士,講師,研究方向:道路建筑新材料的研究與應(yīng)用,zhqling20031010@163.com。

通訊作者：楊保存,碩士,副教授,1256334257@qq.com。

中圖分類號(hào)：U414.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Splitting test of recycled rubber particles asphalt mixture under freeze-thaw and sulfate corrosion

ZHANG Qin-ling, YANG Bao-cun, WANG Cheng

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University,Alar 843300,China)

Abstract:Few research has been done on the splitting test of recycled rubber particles asphalt mixture under the effect of freeze-thaw and sulfate corrosion at home and abroad. In order to study the effects of particle size and content of rubber particles on freezing and thawing properties of recycled rubber particles in asphalt mixture, accelerated deterioration tests were carried out through vacuum water saturated freeze-thaw cycles splitting test in 10% of Na2SO4 solution. The test results show that with increasing number of freeze-thaw cycles,the TSR value of recycled asphalt mixture gradually decreases and the porosity increases gradually. The high concentration of saturated sulfate corrosion environment accelerates the deterioration of the performance of recycled asphalt mixture. Under the condition of freezing thawing cycles,the TSR value of recycled asphalt mixture with small rubber particles is better than that of ordinary recycled asphalt mixture TSR value and TSR value of recycled asphalt mixture.Under the optimum condition of rubber particles,with the optimal dosage of rubber particles, the freeze-thaw resistance of recycled small rubber particles asphalt mixture is optimal.

Key words:road engineering;recycled rubber particles asphalt mixture; sulfate corrosion; splitting test

引文格式：張勤玲,楊保存,王成.硫酸鹽腐蝕再生橡膠顆粒瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(2):289-293.