膠粉瀝青混合料罩面層試驗(yàn)研究

樊冰心

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運(yùn)城北高速公路分公司，山西 運(yùn)城 044000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，2020年底已接近3億輛。汽車工業(yè)的發(fā)展一方面提高了人民生活水平，但同時(shí)也產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的環(huán)境影響，其中固體廢棄物例如廢舊輪胎每年新增2億條。輪胎屬于有機(jī)聚合物材料，較難降解，如何有效回收利用正成為工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。輪胎是一種典型的復(fù)合材料，包括3種主要成分：彈性體化合物、纖維和鋼絲。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，由于膠粉可以改善瀝青混合物的力學(xué)性能，所以已成為熱混合瀝青混合物中的常見添加劑。膠粉在瀝青混合料中的應(yīng)用方式，一般分為干法和濕法兩種。在濕法中，膠粉多用作瀝青改性劑，而在干法中，膠粉則用作細(xì)骨料的一部分[1]。研究表明，增加粉末狀膠粉含量會(huì)增加瀝青黏合劑的黏度[2-4]。黏度增加的好處是可以減少路面反射性裂縫、剝落和車轍的發(fā)生，同時(shí)改善瀝青對(duì)溫度變化和長(zhǎng)期耐久性的響應(yīng)[5]。Loderer等研究表明，膠粉顆粒的比表面積越大，膠粉改性瀝青的最終性能越好[6]。目前，大多數(shù)橡膠瀝青研究均使用濕法生產(chǎn)膠粉改性瀝青。但是，使用干法制備膠粉改性瀝青也具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可以將膠粉與集料以相同的方式添加，不需要額外的設(shè)備。另外，與濕法相比，干法允許在瀝青混合料中摻入更多的膠粉，所制備的瀝青混合料必須在較高的溫度下延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，以允許粒狀膠粉顆粒和瀝青之間發(fā)生充分的相互作用。

1 原材料性能

1.1 瀝青

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 橡膠粉

本文使用的30目膠粉是通過低溫研磨技術(shù)生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。已有學(xué)者研究指出，制備橡膠粉瀝青過程中，室內(nèi)設(shè)備難以對(duì)剪切速率、溫度等指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)控制[7]。如果采用外摻法，則膠粉摻量在17%～30%之間時(shí)可以獲得良好的和易性[8]。因此，膠粉添加方式采用干法外摻法，摻量為20%。

表2 膠粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 集料

集料由渾源縣瑞鼎石料加工廠生產(chǎn)，材質(zhì)為玄武巖碎石。表3為粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)。

表3 集料的技術(shù)指標(biāo)

1.4 礦粉

礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

2 膠粉瀝青罩面層混合料配合比設(shè)計(jì)

橡膠瀝青具有溶脹的特性，會(huì)對(duì)連續(xù)級(jí)配細(xì)料部分產(chǎn)生干涉，因此工程中較多地采用間斷級(jí)配。采用王小慶[9]論文中薄層罩面間斷級(jí)配范圍，同時(shí)為了增強(qiáng)路面抗滑性能，確定的合成級(jí)配設(shè)計(jì)偏下限，合成級(jí)配曲線如表5和圖1所示。

表5 合成級(jí)配篩孔通過率 %

圖1 合成級(jí)配曲線

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]預(yù)估膠粉瀝青罩面層的最佳油石比為6.5%，取5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%五個(gè)油石比，制備瀝青混合料馬歇爾試件，測(cè)定試件的各項(xiàng)體積指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算得到最佳油石比為6.3%。制備過程中，拌和溫度為165℃，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)至90 s。

3 性能評(píng)價(jià)

根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG 3450—2019）中 T0961—1995、T0964—2008、T0971—2019分別進(jìn)行構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)和滲水試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)檢測(cè)膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并進(jìn)行車轍性能試驗(yàn)。

3.1 抗滑性能

膠粉改性瀝青混合料采用間斷級(jí)配，構(gòu)造深度大。采用鋪砂法測(cè)量試件的構(gòu)造深度，用擺式儀檢測(cè)試件的抗滑系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 構(gòu)造深度

從表6可以看到，其構(gòu)造深度分別是0.93 mm、0.87 mm和0.84 mm，均值0.88 mm。較大的構(gòu)造深度顯示膠粉瀝青混合料可以為行駛車輛提供足夠的附著力。

3.2 滲水性能

水損壞對(duì)路面性能的影響非常明顯，特別是在雨水較多的地區(qū)，降水侵入路面結(jié)構(gòu)后使瀝青與集料的黏附性能減弱，進(jìn)而發(fā)生剝落，路面也因此變得松散，逐步形成較大的結(jié)構(gòu)破壞。因此，膠粉罩面層的滲水性能直接影響路面的使用壽命。表7為使用滲水儀對(duì)車轍板試件測(cè)試的結(jié)果，滲水系數(shù)均小于80 mL/min，顯示膠粉瀝青混合料具有較好的抗?jié)B性能，可以起到降低原路面水損害的風(fēng)險(xiǎn)。

表7 滲水性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 路用性能

由表8可見，膠粉瀝青混合料的檢測(cè)項(xiàng)目滿足規(guī)范要求，表明其水穩(wěn)定性能良好。從表9可見，膠粉瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大于規(guī)范要求，高溫性能良好。

表8 水穩(wěn)定性能結(jié)果 %

表9 車轍試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

采用干法外摻法，制備膠粉瀝青罩面層混合料，經(jīng)試驗(yàn)室性能檢測(cè)，分析抗滑性能、滲水性能和路用性能檢測(cè)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a）構(gòu)造深度檢測(cè)結(jié)果均值為0.88 mm，說明膠粉罩面層抗滑性能較好。

b）分析滲水試驗(yàn)結(jié)果，各試件滲水系數(shù)均小于80 mL/min，說明膠粉罩面層抗?jié)B性能較好，可明顯降低路面水損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

c）分析水穩(wěn)定性和車轍試驗(yàn)結(jié)果，各檢測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，膠粉瀝青罩面層高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)性能良好。