級(jí)配類(lèi)型對(duì)橡膠改性瀝青混合料路用性能的影響分析

余麗平

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來(lái)，橡膠粉應(yīng)用于瀝青路面作為交通運(yùn)輸部重點(diǎn)推廣應(yīng)用成果之一，也是世界各國(guó)處理廢舊輪胎的主要方法。將輪胎加工為橡膠粉應(yīng)用于公路建設(shè)，不僅節(jié)約瀝青材料，也能降低污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境具有重要意義。相對(duì)于傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青，橡膠粉改性瀝青對(duì)路面性能改善具有顯著作用，開(kāi)展對(duì)橡膠粉改性瀝青的體系研究具有重要意義。董大偉等分析了利用橡膠粉制備高黏瀝青的主要比例，指出采用活化膠粉能夠顯著提高高黏瀝青的性能，且成本也顯著下降[1]。許新權(quán)等研究了粉膠比變化對(duì)橡膠瀝青膠漿的高低溫性能的影響，利用水泥、消石灰等材料作為添加劑分析對(duì)瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性和低溫性能的影響，指出二者均對(duì)高溫性能具有改善效果，對(duì)低溫性能具有劣化作用[2]；陳文生研究了橡膠粉、SBS改性劑復(fù)合改性瀝青的各項(xiàng)性能，提出了SBS和橡膠粉的最佳摻量[3]；黃慶慶等研究了粉膠比變化對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，指出不同粉膠比對(duì)瀝青混合料路用性能貢獻(xiàn)不同，對(duì)于AC-16級(jí)配，粉膠比宜選擇1.0左右[4]；褚付克等研究了“Ⅰ法”“貝雷法”級(jí)配對(duì)橡膠瀝青混合料路用性能的影響，提出了集料關(guān)鍵篩孔通過(guò)率，為斷級(jí)配應(yīng)用提供了指導(dǎo)[5]。

綜上所述，橡膠改性瀝青應(yīng)用成果主要涉及橡膠瀝青的制備、施工技術(shù)等方面，對(duì)級(jí)配適應(yīng)性研究較少，且橡膠瀝青路用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文研究分析連續(xù)密級(jí)配、骨架嵌擠級(jí)配和間斷級(jí)配成型瀝青混合料路用性能，為橡膠瀝青推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 原材料及級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 原材料

集料選擇輝綠巖，礦粉為石灰?guī)r磨制，由廣西百色市程景砂石加工有限公司提供。瀝青選擇殼牌70#基質(zhì)瀝青，由(殼牌)天津石油化工有限公司提供。橡膠粉由武漢合得利橡膠粉有限公司提供，粒徑為40目。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 集料檢測(cè)結(jié)果表

表2 70#基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果表

表3 橡膠粉檢測(cè)結(jié)果表

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

研究選擇連續(xù)密級(jí)配AC-13C、間斷級(jí)配AR-AC13和S型級(jí)配進(jìn)行對(duì)比分析。3種級(jí)配曲線見(jiàn)圖1；馬歇爾試驗(yàn)基本參數(shù)見(jiàn)表4(膠粉摻量20%)。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的分析可知，AC-13C的最佳油石比和S級(jí)配相接近，在5.0左右，而AR-AC13的最佳油石比為5.8%，且礦料間隙率、空隙率均最大，依次為AC-13C

圖1 三種不同合成級(jí)配曲線圖

表4 3種不同級(jí)配最佳油石比下馬歇爾參數(shù)表

2 高溫性能分析

研究采用60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行高溫性能驗(yàn)證，并選擇膠粉摻量為15%的膠粉瀝青進(jìn)行對(duì)比(低溫彎曲破壞試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)也進(jìn)行該摻量下的性能分析)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 3種級(jí)配瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

圖3 3種級(jí)配瀝青混合料最大車(chē)轍深度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖2～3可知：

(1)對(duì)橡膠瀝青混合料而言，級(jí)配變化對(duì)高溫性能影響顯著，骨架嵌擠型級(jí)配高溫性能最佳，AC-13C級(jí)配居中，AR-AC13級(jí)配最差。動(dòng)穩(wěn)定度值關(guān)系：S級(jí)配>AC-13C>AR-AC13，S級(jí)配屬于骨架嵌擠型，AR-AC13屬于間斷級(jí)配，動(dòng)穩(wěn)定度值大小與級(jí)配類(lèi)型相關(guān)。間斷級(jí)配中礦料間隙率大，且0.075 mm以下的集料偏少，整個(gè)級(jí)配難以形成良好的骨架填充效果，導(dǎo)致高溫性能偏低。

(2)膠粉摻量增加也顯著提高了動(dòng)穩(wěn)定度值，3種瀝青混合料高溫性能均得到改善，其中S級(jí)配改善效果最佳，AR-AC13次之，AC-13C最差，動(dòng)穩(wěn)定度改善幅度分別為76.9%、46.1%和41.2%。膠粉摻量增加，有效提高了瀝青膠結(jié)料的體積比，瀝青的黏度更大，在骨架類(lèi)型級(jí)配中填充效果更為顯著，彌補(bǔ)之前整個(gè)級(jí)配結(jié)構(gòu)的不足，而密級(jí)配結(jié)構(gòu)中空隙率低，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起粘結(jié)效果。

(3)根據(jù)最終車(chē)轍深度試驗(yàn)結(jié)果，AR-AC13的車(chē)轍深度最大，在4 mm以上，S級(jí)配最小，在3mm左右，且隨膠粉用量的增加，車(chē)轍深度均有所下降，說(shuō)明瀝青混合料的抗車(chē)轍能力有所提高，這與動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律相一致。

3 低溫抗裂性能分析

低溫彎曲破壞試驗(yàn)主要用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料在低溫狀態(tài)下的抗變形能力。試件尺寸為(250×30×35) mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。根據(jù)試件變形的跨中撓度可推出最大彎拉破壞應(yīng)變及勁度模量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～5。

圖4 最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果柱狀圖

圖5 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖4～5可以看出：

(1)級(jí)配類(lèi)型對(duì)橡膠瀝青混合料低溫抗變形能力影響顯著。AC-13C的最大彎拉應(yīng)變值最大，S級(jí)配次之，AR-AC13最小，但均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，這與高溫性能變化規(guī)律不同，密級(jí)配瀝青混合料低溫抗變形能力優(yōu)于骨架嵌擠S級(jí)配。膠粉摻量由15%～20%增加，3種級(jí)配的最大彎拉應(yīng)變值均有所提高，說(shuō)明膠粉含量的增加提高了瀝青混合料低溫抗裂性能，其中AR-AC13改善效果最好，S級(jí)配次之，AC-13C最差，分別提高了17.5%、15.6%和11.8%。

(2)3種級(jí)配的抗彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律與最大彎拉應(yīng)變相一致，即AC-13C的抗彎拉強(qiáng)度值最大，AR-AC13的最小，S級(jí)配居中。隨膠粉用量的增加，抗彎拉強(qiáng)度也有所提高，但改善幅度低于最大彎拉應(yīng)變。

4 水穩(wěn)定性能分析

選擇浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害能力，按照(JTG E20-2011)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[6]中相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)圖6～9。

圖6 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖7 48 h穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖6～7可知：

(1)3種不同級(jí)配的瀝青混合料水穩(wěn)定性能存在較大差異，AC-13C、S級(jí)配的水穩(wěn)定性能相接近，而AR-AC13的水穩(wěn)定性能較差，殘留穩(wěn)定度分別為84%、81%和72%。間斷級(jí)配AR-AC13的抗水損害能力較差，抵抗水剝離的能力小，這與橡膠瀝青膠漿裹覆集料效果有關(guān)，間斷級(jí)配中細(xì)集料偏少，瀝青膠結(jié)料對(duì)粗集料表面的粘附效果不足。

(2)膠粉含量增加到20%，殘留穩(wěn)定度值均顯著提高，其中AC-13C和S級(jí)配殘留穩(wěn)定度達(dá)到85%以上，AR-AC13殘留穩(wěn)定度值為80%，分別提高了6.1%、8.2%和12.5%。膠粉含量增加，間斷級(jí)配AR-AC13的水穩(wěn)定性能改善效果最佳。

(3)浸水48 h后的穩(wěn)定度值變化與殘留穩(wěn)定度值變化規(guī)律相一致，對(duì)于AR-AC13，穩(wěn)定度值下降了39.8%(膠粉摻量為15%，與AC-13C相比)，隨膠粉摻量增加到20%，穩(wěn)定度值為9.78 kN，下降了32.5%(與AC-13C相比)，說(shuō)明膠粉含量增加對(duì)AR-AC13的48 h穩(wěn)定度具有促進(jìn)作用。

為進(jìn)一步分析瀝青混合料水穩(wěn)定性變化規(guī)律，開(kāi)展了凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8～9。

圖8 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖9 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

(4)級(jí)配變化對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比的影響與殘留穩(wěn)定度相接近，AC-13C的劈裂強(qiáng)度比最大，S級(jí)配次之，AR-AC13最小，說(shuō)明AR-AC13的抗凍融性能最差，這與間斷級(jí)配設(shè)計(jì)空隙率大有關(guān)，實(shí)測(cè)瀝青混合料的空隙率為6.6%，吸水飽和后受凍脹作用影響較大，導(dǎo)致穩(wěn)定度值偏低。隨膠粉用量的增加，凍融劈裂強(qiáng)度比均有所改善，其中AR-AC13的改善幅度最大，AC-13C改善幅度最小，分別為14.6%、14.6%和6.2%，說(shuō)明膠粉用量增加到20%后對(duì)AR-AC13、S級(jí)配瀝青混合料的抗凍融效果改善顯著，與浸水殘留穩(wěn)定度變化規(guī)律相一致。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于橡膠瀝青混合料，連續(xù)密級(jí)配AC-13C、骨架嵌擠S級(jí)配和間斷級(jí)配AR-AC13的馬歇爾參數(shù)存在顯著差異，隨粗集料含量增加，礦料間隙率、空隙率呈增加趨勢(shì)，瀝青飽和度、穩(wěn)定度呈下降趨勢(shì)。

(2)級(jí)配類(lèi)型對(duì)橡膠瀝青混合料路用性能影響顯著，S級(jí)配的抗車(chē)轍能力最佳，AR-AC13的抗車(chē)轍能力最差，AC-13C的低溫抗裂性能最佳，AR-AC13的最差。對(duì)于水穩(wěn)定性能，AC-13C和S級(jí)配殘留穩(wěn)定度相接近，AR-AC13殘留穩(wěn)定度最小。

(3)從整體分析，膠粉用量增加到20%時(shí)，能夠顯著改善瀝青路用性能，而AR-AC13的各項(xiàng)路用性能均低于AC-13C，且隨著膠粉用量的增加，對(duì)低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能改善效果最顯著，對(duì)高溫性能改善效果一般。