橡膠粉顆粒尺寸對瀝青混凝土高溫性能的影響

樊 衡,劉 濤

(1.葛洲壩集團(tuán)試驗檢測有限公司,宜昌 443002;2.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計院股份有限公司,武漢 430071)

半剛性基層和瀝青面層組成的道路結(jié)構(gòu)在我國等級公路建設(shè)中被廣泛采用[1]，其兼具高承載力和舒適性的特點(diǎn)。對于瀝青面層而言，其受交通荷載和環(huán)境因素的直接作用，因而易產(chǎn)生車轍、坑槽等一系列的病害[2]。車轍是路面失去抵抗變形的能力形成永久變形的一種現(xiàn)象，其嚴(yán)重威脅到行車安全。因此應(yīng)盡力保證瀝青路面具有較好的抗變形性能，尤其對于高溫地區(qū)的瀝青路面而言。

瀝青路面抵抗變形的能力主要來自兩個方面，一是集料顆粒通過相互嵌擠形成可提供承載力的骨架結(jié)構(gòu)[3]；二是瀝青膠漿將骨架粘結(jié)成一個整體，增強(qiáng)骨架的穩(wěn)定性。因此針對瀝青路面抗變形性能的研究主要圍繞集料顆粒形態(tài)、級配設(shè)計、瀝青膠漿等方面展開。大量研究表明，采用聚合物對瀝青進(jìn)行改性，可有效改善瀝青混凝土的高溫抗變形性能[4]。

我國目前積存了上億條的廢舊輪胎，且這一數(shù)量每年還在以8%～10%的速度增加，廢舊輪胎的高效處置一直是個難題。大量堆積的廢舊輪胎對環(huán)境保護(hù)、資源綜合利用均帶來極為不利的影響。廢舊輪胎是一種典型的高彈性聚合物材料，這為其作為瀝青改性劑使用提供了可能。同時考慮到道路行業(yè)對原材料具有高消耗的特點(diǎn)，如果能將廢舊輪胎大量使用到瀝青混凝土中，必將實現(xiàn)這一固廢的高效循環(huán)再生利用。

基于此，該研究考察了廢舊輪胎對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響：在實驗室內(nèi)將廢舊輪胎進(jìn)行研磨，制備不同尺寸的橡膠粉顆粒，進(jìn)而與基質(zhì)瀝青混合制備成膠粉改性瀝青；采用馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計瀝青混凝土，基于車轍試驗研究橡膠粉顆粒尺寸對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響。

1 原材料

該研究中采用的瀝青為AH-90基質(zhì)石油瀝青；粗集料和細(xì)集料均為石灰?guī)r；填料為石灰?guī)r磨制的礦粉。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對瀝青的針入度等基本性能指標(biāo)進(jìn)行測試[5]；根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對石灰?guī)r粗集料、細(xì)集料以及礦粉的密度等基本性能指標(biāo)進(jìn)行測試[6]。測試結(jié)果如表1～表3所示，可見研究中使用的原材料基本性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求[7]。此外，研究中還使用到橡膠粉，3種不同尺寸的橡膠粉顆粒(60目、100目和200目)通過在實驗室內(nèi)研磨廢舊輪胎獲取。

表1 AH-90基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)

表2 石灰?guī)r集料基本性能指標(biāo)

表3 填料基本性能指標(biāo)

2 試驗方法

制備膠粉改性瀝青：將AH-90基質(zhì)瀝青預(yù)加熱至160 ℃，逐步向基質(zhì)瀝青中添加橡膠粉，邊添加邊攪拌，橡膠粉與基質(zhì)瀝青的體積摻配比為1∶5。待橡膠粉添加完畢后，將膠粉改性瀝青置于高速剪切機(jī)下剪切30 min。對于60目、100目和200目3種不同尺寸的橡膠粉顆粒，均按此方法制備膠粉改性瀝青。設(shè)計瀝青混凝土：采用馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計瀝青混凝土。設(shè)計級配類型選用AC-13粗型，石灰石粗集料、細(xì)集料和礦粉在礦質(zhì)混合料中的質(zhì)量占比分別為65%、32%和3%，礦質(zhì)混合料的合成級配曲線如圖1所示。車轍試驗：成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的板狀瀝青混凝土試件，將其分別置于50 ℃、60 ℃和70 ℃環(huán)境下進(jìn)行車轍試驗。試驗時，通過鋼輪在試件表面的往復(fù)運(yùn)動模擬車載對瀝青路面的作用，輪碾荷載為0.7 MPa。鋼輪往返運(yùn)動速度為42次/min，對試件持續(xù)碾壓1 h。動穩(wěn)定度是反映瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)，按照式(1)進(jìn)行計算

(1)

式中，DS為瀝青混凝土的動穩(wěn)定度，次/mm；S為鋼輪往返運(yùn)動速度，次/min；l60和l45是碾壓時間分別對應(yīng)60 min和45 min時，瀝青混凝土試件的車轍變形，mm。

3 結(jié)果與討論

瀝青混凝土的車轍變形結(jié)果如圖2所示，可見，環(huán)境溫度和瀝青類型均對瀝青混凝土的抗變形能力產(chǎn)生顯著影響。具體來看，隨著溫度的升高，不管是膠粉改性瀝青混凝土還是基質(zhì)瀝青混凝土，其車轍深度都逐漸變大。這主要是因為瀝青是一種溫敏性材料，隨著溫度的升高，流動性增強(qiáng)，抗變形能力下降。膠粉改性瀝青混凝土與基質(zhì)瀝青混凝土的車轍深度在數(shù)值上存在較大區(qū)別，在相同測試溫度下，前者總是小于后者。且隨著測試溫度從50 ℃逐步升高至70 ℃，兩類瀝青混凝土車轍深度的差值也逐漸加大，從0.2～0.6 mm增加至1.8～2.5 mm。由此說明橡膠粉可顯著減輕瀝青混凝土路面的車轍病害。但對于含不同尺寸橡膠粉的瀝青混凝土而言，其車轍深度并未隨橡膠粉顆粒尺寸的增加或者減小而表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。例如，100目膠粉改性瀝青混凝土在50 ℃和60 ℃下的車轍深度略高于另外兩種膠粉改性瀝青混凝土；但當(dāng)測試溫度達(dá)到70 ℃時，情況則大為不同，100目膠粉改性瀝青混凝土的車轍深度是三者中最小的。

瀝青混凝土的動穩(wěn)定度計算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，溫度對4種瀝青混凝土的動穩(wěn)定度產(chǎn)生一致的影響，隨著溫度的升高，4種瀝青混凝土的動穩(wěn)定度均呈現(xiàn)快速下降的趨勢。當(dāng)溫度從50 ℃逐步升高至70 ℃，基質(zhì)瀝青混凝土、60目膠粉改性瀝青混凝土、100目膠粉改性瀝青混凝土和200目膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度分別下降了36%、22%、21%和19%。可見橡膠粉的摻入，同樣顯著減小了瀝青混凝土動穩(wěn)定度的喪失。同時，在相同的測試溫度下，膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度總是高于基質(zhì)瀝青混凝土，且前者的動穩(wěn)定度隨著橡膠顆粒尺寸的減小而持續(xù)增大。因此，就動穩(wěn)定度結(jié)果而言，橡膠粉顯著改善了瀝青混凝土的抗變形能力，且細(xì)顆粒橡膠粉對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善效果更佳。

4 結(jié) 論

針對廢舊輪胎使用率低、瀝青路面易發(fā)生車轍病害問題，該研究考察了60目、100目和200目3種不同尺寸的廢舊輪胎橡膠粉對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響。研究結(jié)果表明，將橡膠粉引入瀝青混凝土中可有效改善其高溫抗變形性能，相比于基質(zhì)瀝青混凝土，膠粉改性瀝青混凝土具有更小的車轍深度和更大的動穩(wěn)定度；且膠粉改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度隨著橡膠粉顆粒尺寸的減小而增大，表明細(xì)橡膠顆粒對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善效果更佳。