膠粉改性瀝青混合料路用性能研究

孫 杰，許 奎，游 烽，吳 江，楊 靜

(1.武漢科技大學城市建設學院，武漢 430046; 2.武漢市漢陽市政建設集團有限公司，武漢 430050)

0 前言

廢輪胎膠粉改性瀝青是將廢舊輪胎膠粉與瀝青在高溫下充分混合制成瀝青混合料，其中瀝青為分散劑、膠粉為改性劑[1]。廢舊輪胎由于橡膠本身不分解、不降解且焚燒會產(chǎn)生有害氣體造成二次污染，被稱為“黑色污染”[2]。把廢舊輪胎回收做成橡膠粉作為改性劑制備成橡膠瀝青，可大幅提升瀝青高低溫的穩(wěn)定性、抗老化性能、抗疲勞性等性能。

橡膠瀝青制備參數(shù)如橡膠目數(shù)、橡膠摻量、雙氧水摻量等對混合料的路用性能有重要影響。Memon研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，用雙氧水氧化后的膠粉制得的改性瀝青的穩(wěn)定性和流變性能均有所提高?；趪鴥?nèi)外學者的研究，膠粉摻入到瀝青中制得的改性瀝青混合料的路用性能有不同程度的提高，膠粉摻量、膠粉目數(shù)、雙氧水摻量的不同對路用性能的影響效果有一定差異[6-14]。本文通過車轍試驗和凍融劈裂試驗，研究了不同因素的膠粉改性瀝青混合料對路用性能的影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 主要原料

基質(zhì)瀝青，70#A級，宜昌宇源建設有限公司；

橡膠粉，850、425、250、180 μm，石家莊雨馨建筑材料有限公司；

雙氧水，質(zhì)量分數(shù)為30 %，武漢市江城化工有限責任公司；

輝綠巖，10～16 mm、5～10 mm、2.36～4.75 mm，鄭州誠意化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

馬歇爾電動擊實儀，GTJ-MJ3,河北高鐵建試驗儀器有限公司；

自動瀝青混合料拌和機，BH-20，北京航天科宇測試儀器有限公司；

電動脫模器，LD-141，北京中科德眾科技有限公司；

電熱鼓風烘箱，101-4A，無錫市華南實驗儀器有限公司；

電腦數(shù)控瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度測定儀，LWD-3，河北高鐵建試驗儀器有限公司；

全自動車轍試驗儀，HYCZ-1，北京航天科宇測試儀器有限公司；

液壓車轍試樣成型機，LHCX-1，北京航天科宇測試儀器有限公司。

1.3 樣品制備

雙氧水氧化廢舊輪胎膠粉：稱取100 g廢舊輪胎膠粉于不銹鋼碗中，用量筒量取280 mL水加入攪拌使其分散均勻，量取10 mL的雙氧水加入，混合均勻后置于恒溫水槽箱中80 ℃恒溫攪拌3 h，期間未加入任何界面改性劑，反應結(jié)束后將膠粉過濾烘干至質(zhì)量不再變化，得到氧化改性膠粉；

廢膠粉改性瀝青制備：按照實驗設計中的各個摻量稱取廢膠粉或氧化改性膠粉、基質(zhì)瀝青和雙氧水，將基質(zhì)瀝青加熱至190 ℃時緩慢的加入橡膠粉或氧化改性膠粉，邊加入邊用玻璃棒進行攪拌使膠粉均勻分布在瀝青中，攪拌30 min，等膠粉全部加入并融入瀝青后將其移至攪拌機上進行機械攪拌，中間嚴格控制攪拌溫度，90 min后取出樣品。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

瀝青測試：本文試驗選用70#A級道路石油瀝青，選定針入度、延度、黏度、軟化點等作為本文試驗所使用的基質(zhì)瀝青的技術指標，各項指標的技術指標要求和檢測結(jié)果如表1所示。

表1 70#A級道路石油瀝青技術指標及檢測結(jié)果

Tab.1 Technical indicators and test results of the 70# grade A road petroleum asphalt

膠粉測試：本文試驗選擇市售的斜交胎膠粉850、425、250、180 μm。以細膠粉425 μm為例，物理及化學技術指標及檢測結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 425 μm細膠粉的物理技術指標及檢測結(jié)果

Tab.2 Physical technical indicators and test results of the 425 μm fine rubber powder

表3 425 μm細膠粉的化學技術指標及檢測結(jié)果

Tab.3 Chemical technical indicators and test results of the 425 μm fine rubber powder

粗集料測試：本文試驗選用輝綠巖作為粗集料，對粗集料的表觀密度、吸水率和壓碎值等各項指標進行檢測，其技術指標和檢測結(jié)果如表4所示。

表4 輝綠巖粗集料的技術指標及檢測結(jié)果

Tab.4 Technical indicators and test results of diabase coarse aggregate

填料(礦粉)測試：本文試驗選用石灰?guī)r礦粉，對礦粉的表觀相對密度、含水量等各項指標進行檢測，其技術指標和檢測結(jié)果如表5所示。

表5 礦粉的技術指標及檢測結(jié)果

Tab.5 Technical indicators and test results of the mineral powder

2 結(jié)果與討論

2.1 車轍試驗結(jié)果分析

2.1.1膠粉摻量對高溫穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的膠粉摻量分別為15 %、18 %、21 %、24 %，按照膠粉不同摻量與動穩(wěn)定度的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，動穩(wěn)定度與膠粉摻量的關系如圖1所示。試驗所得的瀝青混合料的動穩(wěn)定度數(shù)值均大于3 000次/mm，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性。以只添加250 μm的膠粉為例，膠粉摻量由15 %增加至24 %的過程中，其動穩(wěn)定度由3 387次/mm增加至3 874次/mm，其他不同類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。膠粉的摻量對瀝青混合料的動穩(wěn)定度有一定的影響，相同條件下，隨著膠粉摻量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度也逐漸增加，這是因為膠粉摻量的增加使橡膠瀝青的黏度增大，以及橡膠粉填充在礦料之間膠粉摻量的增加致使礦質(zhì)集料間的嵌擠力和摩擦力也變大，兩者的作用都保證了瀝青混合料具有較高的彈性，因而隨著膠粉摻量的增加瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也得到了改善。以只添加425 μm膠粉為例，隨著膠粉摻量由15 %按照3 %的間隔逐漸增加至21 %時，其混合料的動穩(wěn)定度由3 247次/mm增加至3 705次/mm，曲線的增加幅度較大，膠粉摻量由21 %增加至24 %時，其混合料的動穩(wěn)定度由3 705次/mm增加至3 758次/mm，曲線增長幅度很小，幾乎趨于平穩(wěn)狀態(tài)。其他不同類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。相同條件下，瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨著膠粉摻量的增加而增加，當膠粉摻量增加到21 %以后增長幅度會減少，這是由于膠粉摻入到基質(zhì)瀝青中逐步達到飽和狀態(tài)，過多的膠粉摻入反而會降低瀝青混合料的強度，因此本文綜合分析推薦最佳的膠粉摻量為21 %。

●—850 μm雙氧水0 mL混合料 ■—425 μm雙氧水0 mL混合料▲—250 μm雙氧水0 mL混合料 ◆—180 μm雙氧水0 mL混合料○—850 μm雙氧水10 mL混合料 □—425 μm雙氧水10 mL混合料△—250 μm雙氧水10 mL混合料 ◇—180 μm雙氧水10 mL混合料 圖1 不同膠粉摻量的瀝青混合料車轍試驗結(jié)果Fig.1 Results of the rutting test of the asphalt mixture with different rubber powder contents

2.1.2膠粉目數(shù)對高溫穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的膠粉目數(shù)為850、425、250、180 μm，按照膠粉不同目數(shù)與動穩(wěn)定度的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，動穩(wěn)定度與膠粉目數(shù)的關系如圖2所示。可以看出，不同膠粉目數(shù)下的各種瀝青混合料的動穩(wěn)定度數(shù)值均大于3 000次/mm，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性。以只添加21 %的膠粉摻量為例，膠粉目數(shù)由850 μm增加至180 μm時，其混合料的動穩(wěn)定度由3 559次/mm增加至3 913次/mm，其他不同類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。膠粉目數(shù)對瀝青混合料的動穩(wěn)定度有一定的影響，相同條件下，隨著膠粉目數(shù)的增加，混合料的動穩(wěn)定度變大，這是由于膠粉顆粒越細，在基質(zhì)瀝青中分布的越均勻，以及其比表面積越大溶脹反應越充分，兩者對混合料的抗車轍能力都有一定的正面影響，使混合料的高溫穩(wěn)定性得到一定的改善。以只添加21 %膠粉摻量為例，膠粉目數(shù)由850 μm增加至250 μm時，其混合料的動穩(wěn)定度由3 559次/mm增加至3 865次/mm，增長趨勢較陡，而膠粉目數(shù)由250 μm增加至180 μm時，動穩(wěn)定度數(shù)僅增加了48，增長曲線幾乎趨于平穩(wěn)，其他不同類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。相同條件下，隨著膠粉目數(shù)的增加，混合料的動穩(wěn)定度曲線的切線值越來越小，即混合料的動穩(wěn)定度開始以大幅度增大，當膠粉目數(shù)超過250 μm后增長幅度會減少，這是由于過細的膠粉顆粒對構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)和脫硫降解反應都有不利的影響，因此本文綜合分析推薦最佳的膠粉目數(shù)為250 μm。

●—15 %雙氧水0 mL混合料 ■—18 %雙氧水0 mL混合料▲—21 %雙氧水0 mL混合料 ◆—24 %雙氧水0 mL混合料○—15 %雙氧水10 mL混合料 □—18 %雙氧水10 mL混合料△—21 %雙氧水10 mL混合料 ◇—24 %雙氧水10 mL混合料圖2 不同膠粉目數(shù)的瀝青混合料車轍試驗結(jié)果Fig.2 Asphalt mixture rutting test results of different rubber powder meshes

2.1.3雙氧水含量對高溫穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的雙氧水含量為0、10 mL，按照雙氧水含量與動穩(wěn)定度的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，以250 μm膠粉為例，其動穩(wěn)定度與雙氧水含量的關系如圖3所示。不同雙氧水含量下的各種瀝青混合料的動穩(wěn)定度數(shù)值均大于3 000次/mm，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性；對比相同摻量、相同目數(shù)、不同雙氧水含量的混合料的動穩(wěn)定度，比如250 μm膠粉、21 %摻量、加入10 mL的雙氧水后的動穩(wěn)定度為4 256次/mm，250 μm膠粉、21 %摻量、不添加雙氧水的動穩(wěn)定度為3 865次/mm，相差大概400次/mm，計算分析后得到所有經(jīng)過雙氧水氧化后的膠粉制備的膠粉改性瀝青混合料較普通的膠粉改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度都約有400次/mm的差距，有很大的提高，而動穩(wěn)定度越高瀝青混合料的抗車轍成能力越強，因此說明雙氧水能改善膠粉和瀝青之間的界面結(jié)合強度，促進膠粉和瀝青形成瀝青膠狀體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而提高改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

■—加入0 mL雙氧水 ●—加入10 mL雙氧水圖3 不同雙氧水含量的250 μm瀝青混合料車轍試驗結(jié)果Fig.3 Rutting test results of the 250 μm asphalt mixture with different hydrogen peroxide contents

2.2 凍融劈裂試驗結(jié)果分析

2.2.1膠粉摻量對水穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的膠粉摻量為15 %、18 %、21 %、24 %，按照膠粉不同摻量與劈裂強度比的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，劈裂強度比與膠粉摻量的關系如圖4所示。不同膠粉摻量下的各種瀝青混合料的凍融劈裂強度比數(shù)值均大于80 %，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。以250 μm膠粉、不添加雙氧水為例，隨著膠粉摻量以3 %的間隔增加，凍融劈裂強度比呈先上升后下降的趨勢，即在膠粉摻量由15 %增加到21 %的過程中混合料的凍融劈裂強度比值逐漸增大至最大值83.5 %，在從21 %增加到24 %的過程中，凍融劈裂比值為82.9 %反而有一定程度的減少。其他類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。膠粉摻量對混合料的凍融劈裂強度比有一定的影響，相同條件下隨著膠粉摻量的增加，其凍融劈裂強度比呈先增加到一定程度后再下降的趨勢，這是由于隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的黏度變大，混合料的水穩(wěn)定性增強，當膠粉摻量增加到21 %時，游離的基質(zhì)瀝青分子越來越少橡膠瀝青逐步變成了半固體連續(xù)相體系，黏度降低；隨著膠粉摻量的增加，吸收的基質(zhì)瀝青越多，礦料表面的瀝青膜的厚度降低，橡膠瀝青與集料、石料與石料間的黏附性降低；膠粉顆粒過多時，在負溫度冷凍的過程中，膠粉顆粒收縮體積變小，致使混合料的空隙率變大，以上原因綜合在一起就會對凍融劈裂強度比造成下降的不利影響。因此本文綜合分析推薦最佳的膠粉摻量為21 %。

●—15 %雙氧水0 mL混合料 ■—18 %雙氧水0 mL混合料▲—21 %雙氧水0 mL混合料 ◆—24 %雙氧水0 mL混合料○—15 %雙氧水10 mL混合料 □—18 %雙氧水10 mL混合料△—21 %雙氧水10 mL混合料 ◇—24 %雙氧水10 mL混合料圖5 不同膠粉目數(shù)的瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.5 Results of the freeze-thaw splitting test of asphalt mixtures with different rubber powders meshes

2.2.2膠粉目數(shù)對水穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的膠粉目數(shù)為850、425、250、180 μm，按照膠粉不同目數(shù)與劈裂強度比的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，劈裂強度比與膠粉目數(shù)的關系如圖5所示。不同膠粉目數(shù)下的各種瀝青混合料的凍融劈裂強度比均大于80 %，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。以21 %摻量且不添加雙氧水為例，850、425、250、180 μm時動穩(wěn)定度分別為82.4 %、82.7 %、83.5 %、83.9 %，呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，其他不同類型的混合料表現(xiàn)出相同的趨勢。相同條件下，隨著膠粉目數(shù)的增加，混合料的凍融劈裂強度比會逐步增加，這是由于膠粉目數(shù)越小，膠粉顆粒體積越大，當膠粉顆粒體積較大時，膠粉顆粒的熱脹冷縮作用不可忽略，試驗過程中的冷凍和熱水浴過程會對瀝青混合料的強度形成不利影響，因此膠粉顆粒越細，這種負面影響越小，凍融劈裂強度比越大。因此本文綜合分析推薦最佳的膠粉目數(shù)為250 μm。

2.2.3雙氧水含量對水穩(wěn)定性的影響

本文試驗選用的雙氧水含量為0、10 mL，按照雙氧水含量與劈裂強度比的對應關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，以250 μm為例，其劈裂強度比與雙氧水含量的關系如圖6所示。不同雙氧水摻量下的各種瀝青混合料的凍融劈裂強度比均大于80 %，試驗結(jié)果均滿足相關設計和規(guī)范的要求，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。

對比相同摻量、相同目數(shù)、不同雙氧水含量的混合料的凍融劈裂強度比，例如250 μm膠粉、21 %膠粉摻量、10 mL的雙氧水的凍融劈裂強度比為88.1 %，不添加雙氧水的凍融劈裂強度比為83.5 %，分析所有試驗數(shù)據(jù)得到所有經(jīng)過雙氧水氧化后的膠粉制備的膠粉改性瀝青混合料較普通的膠粉改性瀝青混合料的凍融劈裂強度有很大的提高，說明雙氧水能改善膠粉和瀝青之間的界面結(jié)合強度，促進膠粉和瀝青形成瀝青膠狀體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

■—加入0 mL雙氧水 ●—加入10 mL雙氧水圖6 不同雙氧水含量的250 μm瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.6 Results of the freeze-thaw splitting test of a 250 μmasphalt mixture with different hydrogen peroxide contents

4 結(jié)論

(1)隨著膠粉摻量和膠粉目數(shù)的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨之增強，當膠粉摻量超過21 %和膠粉目數(shù)增加超過250 μm時，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提升幅度會減小，因此本文推薦的最佳膠粉摻量為21 %、最佳膠粉目數(shù)為250 μm；

(2)加入雙氧水的膠粉改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度要明顯高于普通改性瀝青混合料，這說明雙氧水對提升混合料的高溫穩(wěn)定性有正面影響；當膠粉摻量由15 %增加至21 %時，瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸上升至最高值，當膠粉摻量超過21 %時其混合料的凍融劈裂強度比反而下降，這表明膠粉摻量對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的影響超過21 %時甚至出現(xiàn)不利影響，基于試驗現(xiàn)象本文推薦的最佳摻量為21 %；隨著膠粉目數(shù)的增加，混合料的凍融劈裂強度比曲線的切線值逐漸變小，這表明隨著膠粉目數(shù)的增加對提升混合料的水穩(wěn)定性幅度在減小，比較試驗結(jié)果和達到的試驗效果本文推薦的膠粉目數(shù)為250 μm；

(3)對比分析加入雙氧水和未加雙氧水的凍融劈裂試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙氧水對改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有一定的影響。