膠粉瀝青混合料性能影響研究

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400041)

引言

膠粉瀝青混合料具有優(yōu)良的使用性能，但也有其局限性。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范以及標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)可行性都是在無(wú)摻加的瀝青混合料范圍內(nèi)，膠粉顆粒作為細(xì)集料加入級(jí)配，因?yàn)槠浔旧硭哂械母邚椥?，使得混合料難以壓實(shí)，因而其體積和性能參數(shù)的測(cè)定均有局限性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)和專(zhuān)著，還未就這個(gè)問(wèn)題提出根本的解決辦法。為了改善膠粉瀝青混合料不易壓實(shí)的特點(diǎn)，采用調(diào)整級(jí)配的方法，得出設(shè)計(jì)中較為良好的瀝青混合料的級(jí)配，并檢驗(yàn)其相關(guān)體積參數(shù)和性能指標(biāo)。

一、成型條件影響

橡膠瀝青起源于美國(guó)，路用橡膠瀝青材料的發(fā)展始于20世紀(jì)30年代，在同中期就已經(jīng)應(yīng)用于瀝青混合料中并評(píng)估了各種橡膠對(duì)石油瀝青性能的影響。70年代，研究表明橡膠瀝青混合料性質(zhì)變化的因素有：橡膠類(lèi)型、橡膠粒度、橡膠含量、瀝青類(lèi)型、反應(yīng)時(shí)間以及溫度等。隨后十幾年的時(shí)間美國(guó)建成了若干條橡膠瀝青混合料公路，聯(lián)邦公路局實(shí)施相關(guān)法案分為兩個(gè)階段，第一段是由佛羅里達(dá)州牽頭總結(jié)經(jīng)驗(yàn)[2]。第二段由俄勒岡牽頭確定橡膠瀝青混合料長(zhǎng)期性能以及評(píng)價(jià)可再生性[3]。威斯康星州運(yùn)輸部的研究不僅描述了廢膠粉瀝青的性質(zhì)，且其結(jié)果表明，廢膠粉的加入影響了混合料的空隙率和摩阻力。這與材料的性質(zhì)和密實(shí)程度有關(guān)[1]。

干法橡膠瀝青混合料是指將廢膠粉顆粒按照等體積法替換一部分細(xì)集料直接加入到集料中進(jìn)行混合，再與瀝青拌合得到的混合料。干法工藝中的橡膠顆粒作為集料加入，而不是作為瀝青的改性劑。由于橡膠的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于集料的密度。因而混合料設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意橡膠顆粒對(duì)瀝青混合料的體積參數(shù)的影響[4]。

廢膠粉瀝青混合料雖然可以消耗大量的廢膠粉，同時(shí)提高路面的路用性能、降低車(chē)輛行駛的噪音等性能，但由于瀝青和集料的粘結(jié)力不足，使混合料難以壓實(shí)，即空隙率過(guò)大，最終造成路面松散?？障堵?，是指顆粒之間的空隙以及石料的開(kāi)口孔隙占堆積體積的比例，在瀝青混合料性能方面有很大影響；空隙率過(guò)大或過(guò)小，瀝青混合料都會(huì)在一定程度上引起病害，對(duì)路用性能造成一定程度的損害[5]。已有的文獻(xiàn)就廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)的影響因素有了一定的分析，就廢膠粉瀝青混合料試件制備的內(nèi)因和外因，做了一定的分析。

(一)集料性能

薛小剛認(rèn)為，影響空隙率的因素主要在礦粉[6]。礦粉在瀝青混合料中起到非常重要的作用，可以影響混合料的強(qiáng)度、耐久性、變形能力、路用性能等多項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)他們所做的試驗(yàn)結(jié)果分析，隨著礦粉用量的加大，空隙率明顯減小。但到了一定量之后，加大礦粉用量并不會(huì)改善相關(guān)體積參數(shù)，并且過(guò)多的礦粉需加入較多的瀝青，還會(huì)影響混合料的粘附性。同時(shí),礦粉作為瀝青混合料中至關(guān)重要的原材料之一，如果使用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致瀝青膜厚度難以滿(mǎn)足要求，使得混合料變脆，容易開(kāi)裂造成早期損壞[7]。亞利桑那州、加州、佛羅里達(dá)州、俄勒岡州等的Pelham試驗(yàn)路以及PlusRide工程的道路成果均表明，礦粉的選擇對(duì)瀝青混合料體積參數(shù)有較大影響。

文獻(xiàn)表明，廢膠粉瀝青混合料的主要影響因素為基質(zhì)瀝青。瀝青用量過(guò)低，又會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料因粘結(jié)材料不足而無(wú)法成型。通過(guò)他們的試驗(yàn)結(jié)果表明，較軟的基質(zhì)瀝青與橡膠顆粒之間更容易相容，且瀝青粘度也會(huì)因影響膠粉的溶脹時(shí)間而改變混合料的性能。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)，低溫性能較差的基質(zhì)瀝青相比與低溫性能較好的瀝青來(lái)說(shuō)，膠粉加入的改善程度較大。同時(shí)，來(lái)源不同的同等級(jí)瀝青，也會(huì)因?yàn)闉r青分子量的函數(shù)不同導(dǎo)致膠粉瀝青混合料性質(zhì)不同。

至于粗細(xì)集料，文獻(xiàn)表明，保持4.75mm以上的集料總量一定，改變4.75～9.5mm和9.5～13.2mm的相對(duì)含量，發(fā)現(xiàn)隨著9.5mm以上的集料增多，膠粉作為填充空隙的細(xì)集料所能發(fā)揮的作用越大，導(dǎo)致空隙率逐漸減小。因而提升了混合料的性能[8]。

(二)膠粉性能

在以往的工程實(shí)踐中，廢膠粉的摻加量大約占18%～22%，大量工程選擇廢膠粉的摻加量為20%對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性。高摻量下必然會(huì)影響混合料的可壓實(shí)性，產(chǎn)生不易壓實(shí)和粘結(jié)力差等問(wèn)題。加入膠粉，會(huì)使得混合料的高溫抗車(chē)轍、低溫抗裂以及抗水損害能力均有所提高。很多文章證明，存在著膠粉越細(xì)。橡膠瀝青性能越好的趨勢(shì)[16]。但有些文獻(xiàn)學(xué)術(shù)研究認(rèn)為。目前在橡膠瀝青混合料中不斷的追求粒徑小的精細(xì)膠粉并不合理[9]。Lalwani報(bào)道，粗糙性隨著膠粉粒徑的降低而增加。導(dǎo)致改性瀝青性能降低[10]。

(三)拌和條件

李廉認(rèn)為影響廢膠粉改性瀝青混合料體積參數(shù)的主要因素是改性溫度[11]。通過(guò)試驗(yàn)以及總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，他們得出溶脹溫度應(yīng)控制在180～200℃之間為最佳。朱夢(mèng)良等人也認(rèn)為，溫度是極其重要的可調(diào)節(jié)因素，當(dāng)溫度降至160℃以下，在這個(gè)階段中拌和溫度可以改善壓實(shí)質(zhì)量?？障堵食尸F(xiàn)出“直線”的增大趨勢(shì)[12]。Lalwani和Jimenz以及很多文獻(xiàn)均表明，溫度對(duì)改性瀝青混合料至關(guān)重要。在高溫情況下，橡膠會(huì)發(fā)生脫硫和降解現(xiàn)象，且高的拌合溫度下沒(méi)有不利的粘度。車(chē)轍試驗(yàn)表明其仍然具有較好的粘彈性[13][14]。

Billiter以及鐘陽(yáng)等人的研究表明，較高的剪切速率可以改善、優(yōu)化粘合劑的中、低溫流變性質(zhì)。同時(shí)可以顯著的增加橡膠與瀝青之間的相互作用[15]。剪切速率越大，橡膠越容易分散，越有利于橡膠的溶脹，增加兩者之間的相互作用，從而改善粘合劑的性質(zhì)。

(四)擊實(shí)次數(shù)

裴建中等人認(rèn)為，認(rèn)為影響廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)的主要因素是擊實(shí)次數(shù)[17]。實(shí)驗(yàn)室制作馬歇爾試件通常選用雙面擊實(shí)75次的試件，凍融劈裂試驗(yàn)試件通常選用雙面擊實(shí)50次的試件。通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，75次馬歇爾擊實(shí)馬歇爾試件的空隙率比50次明顯偏小，且雙面擊實(shí)75次的試件的空隙率比加入橡膠粉的小，說(shuō)明橡膠粉的加入改變了混合料的空隙結(jié)構(gòu)，部分橡膠粉填料填充了混合料的空隙，使空隙率減小[5]。同時(shí)擊實(shí)次數(shù)也決定了成型試件的高度，如果擊實(shí)次數(shù)不足以使得混合料達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，造成空隙率過(guò)大，同樣會(huì)導(dǎo)致混合料出現(xiàn)病害。

(五)穩(wěn)定劑的選擇

穩(wěn)定劑是指能增加溶液、固體、混合物等穩(wěn)定性能的化學(xué)物質(zhì)，能夠減慢反應(yīng)、保持化學(xué)平衡等作用。在廢膠粉瀝青混合料中加入穩(wěn)定劑是為了改善基質(zhì)瀝青與橡膠粉之間的相容性，同時(shí)提高廢膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的界面性能，并起到增塑作用。高芳烴油在沒(méi)有破壞膠粉粒子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之外，在瀝青和膠粉之間起到“橋梁”作用，使得廢膠粉瀝青混合料的性能得以?xún)?yōu)化[15]。

(六)級(jí)配影響

設(shè)計(jì)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率不同的三組級(jí)配，了解級(jí)配對(duì)廢膠粉瀝青混合料的影響。對(duì)比發(fā)現(xiàn)其理論最大相對(duì)密度差異不大，但對(duì)比毛體積相對(duì)密度，較粗的密度較大，較細(xì)的較小，因?yàn)槊芏鹊挠绊懀苯訉?dǎo)致空隙率的不同。膠粉作為細(xì)集料的一部分被摻入到混合料之中，當(dāng)集料級(jí)配較粗時(shí)，膠粉雖然強(qiáng)度較低，但可以作為細(xì)集料的一部分填充粗骨料產(chǎn)生的空隙，并且其自身所具有的吸附功能，可以吸附一定量的瀝青，使得混合料“粘結(jié)”更加牢固。當(dāng)集料級(jí)配較細(xì)時(shí)，本身較多的細(xì)集料在填充粗骨料已有空隙的同時(shí)還有部分剩余，這部分剩余的細(xì)集料會(huì)使得骨架結(jié)構(gòu)被撐開(kāi)。而且膠粉的回彈性能，會(huì)在混合料壓實(shí)冷卻的過(guò)程中發(fā)生回彈，進(jìn)一步破壞混合料的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更多的空隙，反而使得密度下降，難以達(dá)到混合料自身強(qiáng)度狀態(tài)。

二、相關(guān)參數(shù)影響

發(fā)現(xiàn)加入膠粉使得瀝青混合料的體積參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其毛體積相對(duì)密度、理論最大相對(duì)密度在一定程度上有所增大，其空隙率減小，相關(guān)體積參數(shù)的優(yōu)化理論上會(huì)使得瀝青混合料的性能進(jìn)一步改善，說(shuō)明加入膠粉會(huì)使得混合料更加密實(shí)，不易產(chǎn)生空隙。但膠粉因自身強(qiáng)度性質(zhì)較差，且具有一定的彈性性能，摻入混合料后在一定程度上難以與替換的細(xì)集料承受等同的壓力，因而可能會(huì)使得混合料整體強(qiáng)度下降。

(一)高度變化

不摻加膠粉的混合料擊實(shí)后和脫模后的高度相同，而摻加膠粉的高度均發(fā)生變化。數(shù)據(jù)表明，膠粉在壓實(shí)混合料體系中依然具有回彈的性質(zhì)，使得混合料的高度發(fā)生變化。高度的增長(zhǎng)，使得混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙，密度減小。并且隨著油石比的增大，高度差均變小。瀝青用量增加，使得膠粉含量在整個(gè)體系中降低，宏觀表現(xiàn)為高度差減小。級(jí)配較粗，混合料留有較大空隙，膠粉的高彈性質(zhì)對(duì)混合料影響較小。

(二)空隙率

加入膠粉，使得混合料密實(shí)度不同程度減小。因?yàn)槟z粉的密度不足細(xì)集料的一半，等體積摻量下整個(gè)結(jié)構(gòu)密度降低，同時(shí)膠粉自身具有回彈性質(zhì)，混合料前后高度發(fā)生變化，也是密度變化的重要影響因素。

(三)間隙率

不摻加膠粉的混合料空隙率比摻加膠粉的小，說(shuō)明加入膠粉，增大了混合料各組分之間的空隙。膠粉具有彈性，混合料前后高度的變化一定會(huì)引起密度的變化，進(jìn)一步影響混合料空隙率。當(dāng)原本設(shè)計(jì)級(jí)配粗細(xì)搭配較為合理時(shí)，膠粉的加入會(huì)使得膠粉因?yàn)楹笃诨貜椥再|(zhì)將混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu) “撐開(kāi)”，導(dǎo)致間隙率增大。因而在設(shè)計(jì)混合料時(shí)，因考慮膠粉的回彈性質(zhì)，設(shè)計(jì)較粗的級(jí)配，讓膠粉成為粗集料之間的填料更佳。

(四)飽和度

加入膠粉的瀝青混合料飽和度大于不加膠粉的，說(shuō)明加入膠粉，骨架以外的空隙部分體積變小，膠粉起到填充的作用。且在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)下發(fā)現(xiàn)，細(xì)集料比例越大，飽和度對(duì)油石比的變化愈發(fā)敏感，數(shù)據(jù)波動(dòng)也較大。

(五)穩(wěn)定度、流值

加入膠粉的混合料穩(wěn)定度值遠(yuǎn)大于不加膠粉的混合料穩(wěn)定度值，說(shuō)明在受力模式下，即使膠粉作為填充材料，其自身的強(qiáng)度也會(huì)造成混合料產(chǎn)生強(qiáng)度損失；而對(duì)比不同級(jí)配下的混合料發(fā)現(xiàn)，較粗級(jí)配的毛體積相對(duì)密度大，空隙率，礦料間隙率等體積參數(shù)小，表現(xiàn)為穩(wěn)定度值大；而較細(xì)級(jí)配和中間級(jí)配的密度和空隙率等均因膠粉回彈作用的影響，最終表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度較低。再者，隨著油石比的增大，混合料的穩(wěn)定度都是先增大后減小，說(shuō)明瀝青用量較小時(shí)，混合料密實(shí)度較差，強(qiáng)度較低；在合適范圍內(nèi)加大瀝青用量，會(huì)使得穩(wěn)定度值增加，然而進(jìn)一步加大瀝青用量時(shí)，過(guò)多的瀝青會(huì)導(dǎo)致易變形和泛油現(xiàn)象，反而使強(qiáng)度降低。

混合料的流值，對(duì)比膠粉加入與否，發(fā)現(xiàn)加入膠粉使得變形量增大，說(shuō)明強(qiáng)度較差；與穩(wěn)定度不同的是，流值隨著油石比的增大也逐漸增大，沒(méi)有出現(xiàn)倒縮的現(xiàn)象。

三、結(jié)論

廢膠粉改性瀝青混合料的體積參數(shù)受到很多因素的影響，集料的性質(zhì)，膠粉的性能、剪切速率、攪拌溫度、擊實(shí)次數(shù)以及穩(wěn)定劑的選擇等。合適的瀝青用量及礦粉，合格的集料質(zhì)量以及適宜范圍內(nèi)的剪切速率和攪拌溫度、根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的擊實(shí)次數(shù)和穩(wěn)定劑都是對(duì)廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)至關(guān)重要的影響參數(shù)。但現(xiàn)有混合料相關(guān)性能檢測(cè)的規(guī)范和方法具有一定的局限性，使得檢驗(yàn)?zāi)z粉瀝青混合料的數(shù)據(jù)難以作為有力支撐，因而在做相關(guān)參數(shù)測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意選擇合適的手段和方法，以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可用性。