溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性研究

尹志鋼

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

綠色交通、可持續(xù)交通、和諧交通已經(jīng)成為我們這個(gè)時(shí)代和行業(yè)發(fā)展的主題，橡膠瀝青路面就是在這樣的背景下發(fā)展而來的一種新型綠色路面材料。橡膠瀝青路面在消耗大量廢舊輪胎的同時(shí)，可以顯著提高瀝青路面使用性能，延長使用壽命。但是，膠粉的加入使得橡膠瀝青的黏度顯著提高、工作性變差，這意味著橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)需要更多的能耗、加速瀝青老化、污染環(huán)境、影響施工人員健康、施工質(zhì)量控制難度加大。這些缺點(diǎn)成為制約橡膠瀝青路面技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。隨著溫拌技術(shù)的興起，我們似乎找到了一種解決橡膠瀝青路面上述短板的切入點(diǎn)。如何有效實(shí)現(xiàn)橡膠瀝青與溫拌技術(shù)的結(jié)合，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、變廢為寶和增加道路使用年限的三贏，這是我們面臨的問題[1]。

本文將研究溫拌劑的加入對(duì)橡膠瀝青混合料壓實(shí)特性的影響。與馬歇爾擊實(shí)儀相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀采用揉搓壓實(shí)成型方式，更能夠模擬實(shí)際路面的壓實(shí)狀態(tài)[2-4]。因此，本文利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，通過壓實(shí)能量指數(shù)CEI、交通密度指數(shù)TDI來評(píng)價(jià)溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

殼牌70號(hào)基質(zhì)瀝青的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，它滿足道路石油瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 膠粉

采用40目的廢舊輪胎膠粉，將廢舊輪胎通過常溫剪切、除雜、篩分、脫硫等工藝制得，摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20%，其技術(shù)性能如表2所示。

表2 廢舊輪胎膠粉技術(shù)性能

1.3 溫拌劑

市場上的溫拌劑主要分為三類：表面活性劑型、泡沫溫拌劑型、有機(jī)添加劑型。其中市場最常見的Sasobit屬于第三種，它本質(zhì)上是一種低熔點(diǎn)的有機(jī)蠟，屬于白色晶體狀，在110℃左右通過簡單攪拌就可以很容易地溶解在瀝青中，降低瀝青混合料施工溫度10℃～30℃[5-6]。

1.4 橡膠瀝青

70號(hào)基質(zhì)瀝青與40目的廢舊輪胎膠粉在180℃下高速剪切60 min讓膠粉充分溶脹得到橡膠瀝青。

1.5 溫拌橡膠瀝青

70號(hào)基質(zhì)瀝青與40目的廢舊輪胎膠粉在180℃下高速剪切60 min得到橡膠瀝青，橡膠瀝青在160℃加入橡膠瀝青質(zhì)量3%的Sasobit攪拌10 min得到溫拌橡膠瀝青。

1.6 集料和礦粉

集料采用石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r磨制而成，其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 集料和礦粉的性能指標(biāo)

2 溫拌橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

為了保證溫拌橡膠瀝青混凝土中間有足夠的空隙填放溶脹的膠粉顆粒，本文采用間斷級(jí)配，如表4所示。通過SGC法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得到4%空隙率對(duì)應(yīng)的最佳油石比是5.3%。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，橡膠瀝青混凝土采用同樣的級(jí)配和油石比。

表4 溫拌橡膠瀝青混凝土級(jí)配

3 瀝青混合料壓實(shí)特性

3.1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線

采用PINE公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行混合料的壓實(shí)成型，拌和溫度統(tǒng)一取185℃，壓實(shí)溫度分別采用160℃和185℃。設(shè)定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的旋轉(zhuǎn)角為1.25°，垂直壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)速率30 r/min。儀器自動(dòng)記錄不同壓實(shí)次數(shù)下的試件密實(shí)度，得到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線如圖1和圖2所示。

圖1 160℃的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線

圖2 185℃的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線

由圖1和圖2可以得到：

a）在相同的壓實(shí)溫度下，溫拌橡膠瀝青混合料比橡膠瀝青混合料更容易壓實(shí)，主要是由于Sasobit的熔點(diǎn)較低為100℃，它在橡膠瀝青100℃的時(shí)候就會(huì)溶解，并附著、融合瀝青中的飽和組分，降低橡膠瀝青的黏度，形成穩(wěn)定的溫拌瀝青。

b）與185℃相比，在較低的160℃下，溫拌橡膠瀝青混合料與橡膠瀝青混合料的工作性差距更大，說明溫拌劑的加入對(duì)降低橡膠瀝青混合料的施工溫度還是非常有效的。結(jié)合試件空隙率和壓實(shí)狀態(tài)來看，160℃更適合作為溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)溫度，185℃更適合作為橡膠瀝青混合料的壓實(shí)溫度。

采用公式（1）來擬合不同溫度下橡膠瀝青混合料和溫拌橡膠瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線?；貧w分析得到的回歸系數(shù)如表5所示。

式中：r為密實(shí)度比，%；N為壓實(shí)次數(shù)，次；a、b為回歸系數(shù)。

表5 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線回歸系數(shù)

3.2 壓實(shí)能量指數(shù)CEI

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積代表壓實(shí)瀝青混合料所需要做的功。壓實(shí)能量指數(shù)CEI代表初始?jí)簩?shí)次數(shù)與竣工驗(yàn)收壓實(shí)度93%之間的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積值[7]。CEI值越小，表示瀝青混合料工作性越好，越容易壓實(shí)。

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線進(jìn)行積分得到兩種不同溫度下溫拌橡膠瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的CEI值，如圖3所示。

圖3 不同溫度下橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)

由圖3可以知道：

a）對(duì)于同一種瀝青混合料，隨著壓實(shí)溫度的升高，壓實(shí)能量指數(shù)減小。185℃溫拌橡膠瀝青的壓實(shí)能量指數(shù)比160℃的減小39.3%；185℃橡膠瀝青的壓實(shí)能量指數(shù)比160℃的減小66.1%，主要是由于溫度升高降低了瀝青的黏度，瀝青混合料會(huì)表現(xiàn)出更優(yōu)越的工作性。壓實(shí)溫度從160℃增加到185℃，對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料的工作性影響不大，再提高壓實(shí)溫度對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料而言顯得并不經(jīng)濟(jì)。而且160℃溫拌橡膠瀝青混合料與185℃橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)相當(dāng)，說明160℃作為溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)溫度更加合適。

b）對(duì)于同一壓實(shí)溫度，溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)小于橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)，這一差別在壓實(shí)溫度為160℃時(shí)顯得更加突出。160℃橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)是溫拌橡膠瀝青混合料的3.7倍，185℃橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)是溫拌橡膠瀝青混合料的2.1倍，說明溫拌劑的加入對(duì)橡膠瀝青混合料低溫條件下工作性的改善效果更好。

3.3 交通密實(shí)指數(shù)TDI

瀝青路面開放交通后，在車輛荷載作用會(huì)進(jìn)一步壓實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)空隙率4%。交通密度指數(shù)TDI代表竣工驗(yàn)收壓實(shí)度93%與目標(biāo)壓實(shí)度96%之間的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積值。TDI值越大，代表瀝青混合料抵抗永久變形的能力越好。

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線進(jìn)行積分得到兩種不同溫度下溫拌橡膠瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的TDI值，如圖4所示。

圖4 不同溫度下橡膠瀝青混合料的交通密實(shí)指數(shù)

由圖4可以知道：

a）160℃的橡膠瀝青混合料即使在最大壓實(shí)次數(shù)下也無法達(dá)到96%的壓實(shí)度，無法計(jì)算160℃的橡膠瀝青混合料對(duì)應(yīng)的交通密實(shí)指數(shù)。160℃對(duì)于橡膠瀝青混合料而言壓實(shí)溫度過低。

b）185℃橡膠瀝青混合料的交通密實(shí)指數(shù)均大于185℃和160℃溫拌橡膠瀝青混合料的交通密實(shí)指數(shù)，溫拌劑的加入稍微影響了橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，但影響不大。

c）對(duì)于溫拌橡膠瀝青混合料，溫度從160℃到185℃變化時(shí)，交通密實(shí)指數(shù)減小，混合料抵抗行車荷載進(jìn)一步壓密的能力有所降低，但變化并不明顯。說明當(dāng)溫度大于160℃時(shí)，溫度變化對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料在行車荷載作用下進(jìn)一步壓實(shí)所需能量并不敏感。

4 結(jié)論

通過本文的研究，主要得到以下結(jié)論：

a）在相同的壓實(shí)溫度下，溫拌橡膠瀝青混合料比橡膠瀝青混合料的壓實(shí)能量指數(shù)小，混合料更容易壓實(shí)。對(duì)于同一種瀝青混合料，隨著壓實(shí)溫度的升高，壓實(shí)能量指數(shù)減小，混合料更容易壓實(shí)。

b）160℃更適合作為溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)溫度，185℃更適合作為橡膠瀝青混合料的壓實(shí)溫度。

c）185℃橡膠瀝青混合料的交通密實(shí)指數(shù)均大于185℃和160℃溫拌橡膠瀝青混合料的交通密實(shí)指數(shù)，溫拌劑的加入稍微影響了橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，但影響不大。

d）對(duì)于溫拌橡膠瀝青混合料，溫度從160℃到185℃變化時(shí)，交通密實(shí)指數(shù)減小，混合料抵抗行車荷載進(jìn)一步壓密的能力有所降低，但變化并不明顯。