廢膠粉改性排水瀝青混合料配合比的設(shè)計(jì)研究

李秀清

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

近年來，公路橋梁因忽視橋面瀝青混凝土鋪裝層排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，致使橋面積水無法迅速排出，因橋面鋪裝層破損、滲漏水導(dǎo)致橋梁預(yù)期壽命減短。如何提高改性瀝青路面的路用性已引起了設(shè)計(jì)、研究單位的普遍重視[1-2]。

呂虎娃[3]、劉向東[4]分別采用硅藻土、木質(zhì)素基聚氨酯改性瀝青后，改善了瀝青混合料的低溫性能。吳正光等[5]發(fā)現(xiàn)不同級配的聚丁二烯改性瀝青混合料，可以提高瀝青混合料性能。筆者通過對中鐵三局霍永高速公路廢膠粉改性排水瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)方案的多次反復(fù)研究對比發(fā)現(xiàn)，通過制備新型廢膠粉排水瀝青混凝土，可以建立一種滿足排水瀝青路面表面功能和耐久性雙重要求的混合料合理級配方案，利用廢膠粉排水瀝青混凝土內(nèi)部的多空隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)行排水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，能夠克服普通排水瀝青路面易堵塞的缺陷，實(shí)現(xiàn)橋面良好的排水防水功能，解決中國大量廢舊輪胎的回收利用問題。

1 原料

1.1 瀝青

采用山西榆次宇通修文瀝青公司70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，分別對其針入度、5 ℃延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)率4 項(xiàng)主要性能進(jìn)行測試，結(jié)論是：依據(jù)T0604—2011 國標(biāo)測試法對瀝青進(jìn)行針入度測試，測得針入度結(jié)果為4.8 mm；按照T0605—2011 國標(biāo)測試法，在環(huán)境溫度5 ℃條件下測得瀝青延度結(jié)果為20.1 cm；按照T0606—2011 國標(biāo)環(huán)球法測得瀝青軟化點(diǎn)為87 ℃；按照T0615—2011 國標(biāo)測試法，在環(huán)境溫度25 ℃下測得瀝青彈性恢復(fù)率為92.7%。

1.2 集料

本實(shí)驗(yàn)研究中使用了石灰?guī)r，公稱粒徑分別為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[6]測得的技術(shù)性質(zhì)滿足技術(shù)要求。

1.3 礦粉

OGFC 混合料用礦粉為石灰?guī)r礦粉，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 礦粉（細(xì)集料）主要性能指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 確定目標(biāo)空隙率

查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，綜合考慮耐久性、排水、降噪和抗滑等功能，將大空隙廢膠粉改性排水瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的目標(biāo)空隙率初定推薦空隙率，數(shù)值為20%。

2.2 礦料級配

考慮到本項(xiàng)目所研制的廢膠粉改性瀝青排水混凝土（OGFC）將運(yùn)用于橋面鋪裝下面層（根據(jù)《霍永高速公路永和至永和關(guān)段地質(zhì)特征》[7]路面施工圖設(shè)計(jì)說明修改說明，橋面鋪裝層采用4 cm 細(xì)粒式SMA-13 改性瀝青瑪蹄脂碎石，上面層加6 cm 中粒式AC-20 改性瀝青混凝土，下面層加10 cm 防水混凝土）。開級配排水瀝青OGFC 混合料需采用中粒式OGFC-20 混合料推薦級配范圍。國內(nèi)的規(guī)范中沒有OGFC-20 混合料的推薦級配范圍，參照美國新一代開級配抗滑表面層和日本的《排水性路面技術(shù)指針》中級配特點(diǎn)，并結(jié)合多年研究經(jīng)驗(yàn)，確定OGFC-20 混合料的級配上下限，并在此上下限內(nèi)選擇3 組不同2.36 mm 篩孔質(zhì)量通過率的初選級配。

OGFC-20 初選級配表如表2 所示。

表2 OGFC-20 初選級配表

2.3 計(jì)算初始瀝青用量（油石比）

對每組初選級配，計(jì)算集料表面積A和每組OGFC混合料的初始瀝青用量Pb。

式（1）（2）中：A為礦料總表面積；a～g分別為4.75 mm，…，0.075 mm 篩孔的質(zhì)量通過百分率。

按照J(rèn)TG E20—2011《公路瀝青試驗(yàn)規(guī)程》制作馬歇爾試件，雙面擊實(shí)50 次，并用體積法測定試件的空隙率，得到2.36 mm 篩孔通過率與試件空隙率的關(guān)系如表3 和圖1 所示。

表3 馬歇爾試件空隙率與2.36 mm 篩孔通過率

圖1 空隙率與2.36 mm 篩孔通過率關(guān)系圖

2.4 確定最佳油石比

礦料級配得以確定以后，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》選定混合料的油石比分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。通過計(jì)算空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、謝倫堡析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)等。繪制油石比與其關(guān)系曲線，繼而確定最佳油石比。

謝倫堡析漏損失主要用來確定最大瀝青用量，肯塔堡飛散主要用來確定最少瀝青用量，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖可知，析漏損失隨油石比的增加而逐漸增大。當(dāng)油石比處于3.5%～4.5%范圍內(nèi)，隨著油石比的增加，析漏損失的變化較為平緩；當(dāng)油石比處于4.5%～5.5%范圍時(shí)，析漏損失隨著油石比的增加顯著上漲。因此，油石比處于3.5%～4.7%范圍內(nèi)，OGFC混合料滿足JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》析漏損失小于等于0.3%的要求。而飛散損失隨油石比的增加而逐漸降低，當(dāng)油石比處于4.5%～5.5%范圍內(nèi)，飛散損失的減小趨于平緩。因此，油石比處于3.5%～5.5%范圍內(nèi)，OGFC 混合料均滿足JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》飛散損失小于等于20%的要求。

圖2 飛散損失、析漏損失與油石比關(guān)系曲線

圖3 呈現(xiàn)出混合料的馬歇爾穩(wěn)定度及空隙率與油石比的關(guān)系曲線。當(dāng)油石比為4.0%～4.5%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度隨油石比的增加而增大，并于4.5%時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)油石比繼續(xù)增大時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度開始衰減，當(dāng)油石比處于5.0%～5.5%范圍內(nèi)，減小的趨勢開始放緩。因此，油石比處于3.5%～5.5%范圍內(nèi)，馬歇爾穩(wěn)定度均滿足JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》大于等于3.5 kN的要求，并且處于4.0%～5.0%范圍內(nèi)馬歇爾穩(wěn)定度較佳?；旌狭峡障堵孰S油石比的增加而逐漸減小，且根據(jù)《JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》對OGFC 混合料空隙率（18%～25%）的要求，油石比處于3.5%～5.5%范圍內(nèi)，混合料空隙率均滿足規(guī)范要求。

圖3 馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率與油石比關(guān)系曲線

綜上所述，根據(jù)肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡析漏試驗(yàn)確定的最小及最大油石比分別是3.5%和4.7%；根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度確定的最佳油石比范圍為4.0%～5.0%；根據(jù)空隙率需滿足不超過目標(biāo)空隙率±1.0%的規(guī)范要求，確定最佳油石比為4.2%～5.4%；根據(jù)期望目標(biāo)空隙率為20%，故選擇所對應(yīng)的油石比4.5%，且該值都處在飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)所確定最小和最大油石比范圍內(nèi)。再根據(jù)實(shí)際使用效果，在油石比為4.5%進(jìn)行微量調(diào)整，最終確定最佳油石比為4.6%。

3 OGFC 混合料路用性能評價(jià)

通常國外（美國、日本等國家）的排水瀝青路面常用高黏瀝青作為結(jié)合料鋪筑。為了對項(xiàng)目自制的廢膠粉改性瀝青OGFC 混合料路用性能進(jìn)行全面評價(jià)，選擇項(xiàng)目前期研究所得的最優(yōu)配方自制的廢膠粉改性瀝青、市售的橡膠瀝青（洛陽宛?；ぃ┮约癟PS 高黏瀝青（日本大有公司）作為結(jié)合料，在廢膠粉改性排水瀝青混凝土（OGFC）的最佳級配（級配2）和最佳油石比（4.6%）的基礎(chǔ)之上，分別拌制OGFC 混合料并進(jìn)行路用性能檢測與評價(jià)。

3.1 OGFC 混合料的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

分別使用自制廢膠粉改性瀝青、市售橡膠瀝青和TPS 高黏瀝青，以油石比為4.6%，按級配2 拌制OGFC混合料。參照J(rèn)TG E20—2011《試驗(yàn)規(guī)程》要求制作車轍試件，在（60±1）℃，（0.7±0.05）MPa 條件下，進(jìn)行OGFC 混合料的車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同種類瀝青OGFC 混合料車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖4 可知，3 種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為：自制橡膠瀝青大于高黏瀝青大于市售橡膠瀝青。3 組OGFC混合料的動(dòng)穩(wěn)定度皆滿足JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》大于等于3 000 次/mm 的要求。且自制廢膠粉改性瀝青OGFC 混合料也能滿足《霍永高速公路永和至永和關(guān)段》[7]YY1 標(biāo)段路面施工圖設(shè)計(jì)說明，中面層用瀝青混凝土車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的技術(shù)要求（4 000 次/mm）。自制橡膠瀝青OGFC 混合料具有優(yōu)異的高溫抗車轍能力。

3.2 OGFC 混合料的低溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

在-10 ℃條件下進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，以抗彎拉強(qiáng)度、彎拉勁度模量和破壞應(yīng)變?yōu)樵u價(jià)混合料低溫性能的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 不同種類瀝青OGFC 混合料抗彎拉強(qiáng)度結(jié)果圖

圖6 不同種類瀝青OGFC 混合料破壞應(yīng)變結(jié)果圖

由圖5、圖6 可知，3 種瀝青作為結(jié)合料制作的OGFC 混合料的抗彎拉強(qiáng)度大小依次為：自制橡膠瀝青大于市售橡膠瀝青大于TPS 高黏瀝青。橡膠瀝青中起加筋作用的膠粉顆粒由于自身的黏彈特性會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，使橡膠瀝青的耐沖擊強(qiáng)度得到一定程度的提升。自制的橡膠瀝青由于加入了維他連接劑（TOR），使橡膠屑表面的硫與瀝青質(zhì)和可溶質(zhì)中的硫交聯(lián)起來形成大環(huán)狀和直鏈狀聚合物組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。TOR 在瀝青與膠粉間引入了化學(xué)鍵（遠(yuǎn)強(qiáng)于分子間的范德華力），使抗彎拉強(qiáng)度高于市售橡膠瀝青。3組混合料的破壞應(yīng)變的大小依次為：TPS 高黏瀝青大于自制橡膠瀝青大于市售橡膠瀝青，3 組均滿足了JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》大于等于2 800 με的要求。相比市售橡膠瀝青，自制的橡膠瀝青OGFC 混合料相能在低溫條件下斷裂前可承受更大變形，具有更優(yōu)異的低溫性能。

3.3 OGFC 混合料的水穩(wěn)定性能研究

本項(xiàng)目采用凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)路面的水穩(wěn)定性。用經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的試件和未經(jīng)凍融循環(huán)的試件的強(qiáng)度的比值，來定量評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。針對大孔隙的瀝青混凝土，當(dāng)每15 s的滲水系數(shù)大于500 mL時(shí)，空隙中的水分便能夠自由地排出，因此不易發(fā)生水損壞。試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同種類瀝青OGFC 混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果圖

由圖7 可知，3 種瀝青結(jié)合料拌制而成的OGFC混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足了JTG F40—2004《施工技術(shù)規(guī)范》的要求。雖然橡膠瀝青OGFC 混合料的劈裂強(qiáng)度要高于高黏瀝青混合料，但以市售橡膠瀝青為結(jié)合料的OGFC 的凍融劈裂強(qiáng)度比相比高黏瀝青OGFC 混合料的要低8%?？赡苁且?yàn)槭惺巯鹉z瀝青中存在大量橡膠顆粒（物理填充為主），促使水在混合料空隙中的表面張力提升，從而使殘存在空隙中的水的質(zhì)量有所增加，在經(jīng)歷凍融循環(huán)過程時(shí)對瀝青劈裂強(qiáng)度影響要更大。實(shí)驗(yàn)室自制的橡膠瀝青在改性反應(yīng)過程中，膠粉和瀝青在外摻維他連接劑TOR 作用下結(jié)合為一體形成更大的分子結(jié)構(gòu)（TOR 在瀝青與膠粉間引入了化學(xué)鍵），增強(qiáng)廢膠粉改性瀝青劈裂強(qiáng)度的同時(shí)，也提升了凍融劈裂強(qiáng)度比（接近高黏瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比）。綜合比較下，自制橡膠瀝青OGFC 混凝土的水穩(wěn)定性能得到了提升。

3.4 OGFC 混合料的滲水性能研究

測定廢膠粉改性瀝青OGFC 混凝土的滲水系數(shù)，用以評價(jià)廢膠粉改性排水瀝青混凝土的排水性能。試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 滲水系數(shù)測試試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，3 種瀝青結(jié)合料拌制而成的OGFC 混合料均具有極佳的滲排水性能（每15 s 的滲水系數(shù)接近930 mL）。因?yàn)镺GFC 混合料的滲水能力與結(jié)合料種類相關(guān)性不大，主要與混合料的實(shí)際空隙率密切相關(guān)。同時(shí)也與3.3 中OGFC 混合料的水穩(wěn)定性能的研究中每15 s 的滲水系數(shù)大于500 mL 時(shí)，大孔隙的瀝青混凝土不易發(fā)生水損壞研究一致。

4 結(jié)論

通過對自制廢膠粉改性排水瀝青混凝土配比設(shè)計(jì)及其路用性能檢測研究，并與TPS 高黏瀝青、市售橡膠瀝青OGFC 混合料進(jìn)行相應(yīng)對比，得到了以下基本結(jié)論：①確定混合料礦料級配后根據(jù)空隙率計(jì)算、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、謝倫堡析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)等確定最佳油石比為4.6%。②自制廢膠粉改性瀝青OGFC 混合料的動(dòng)穩(wěn)定度要顯著高于市售開級配橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，自制橡膠瀝青OGFC 混合料具有優(yōu)異的高溫抗車轍能力。③自制的橡膠瀝青OGFC 混合料的抗彎拉強(qiáng)度高于市售橡膠瀝青和高黏橡膠瀝青OGFC 混合料。相比市售橡膠瀝青，自制的橡膠瀝青OGFC 混合料相能在低溫條件下斷裂前可承受更大變形，具有更優(yōu)異的低溫性能。④自制橡膠瀝青OGFC 混合料的劈裂強(qiáng)度要高于市售橡膠瀝青和高黏瀝青混合料，自制橡膠瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比也提升至接近高黏瀝青混合料的水平，具有較佳的水穩(wěn)定性能。⑤3 種瀝青OGFC 混合料的滲排水性能差別不大（每15 s 的滲水系數(shù)接近930 mL）。OGFC 混合料的滲水能力主要與混合料的實(shí)際空隙率密切相關(guān)。自制橡膠瀝青作為結(jié)合料制作的排水瀝青混凝土具有較佳的滲排水性能。