橡膠粉摻量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響分析

鞠達(dá) 何平

摘 要：為分析橡膠粉摻量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，研究以瀝青、骨料以及橡膠粉等為材料，制備0%、2.5%和5%之3種橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣，并在凍融循環(huán)條件下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，摻入橡膠粉能夠提升試樣的質(zhì)量，當(dāng)摻量為5%時(shí)，試樣質(zhì)量損失率的最高值為2.86%。隨著橡膠粉摻入量的增加，瀝青混合料的孔隙率也逐漸增加，試樣C的孔隙率可達(dá)到9.41%。試樣的破壞應(yīng)變力得到了提升，車(chē)轍持續(xù)作用1 h時(shí)，累計(jì)變形結(jié)果僅為2.04 mm，說(shuō)明摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試樣的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，可達(dá)到88.3%。

關(guān)鍵詞：橡膠粉摻量；瀝青混合料；水穩(wěn)定性；凍融循環(huán)條件；耐久性；高溫穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU53;TQ335

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0153-05

Analysis of influence of rubber powder content on water stability of asphalt mixture

—based on experimental study of freeze-thaw cycle conditions

JU Da1，HE Ping2

（1.Southeast University Chengxian College，Nanjing 210088，China;

2.China Design Group，Nanjing 210014，China

）

Abstract：In order to analyze the influence of rubber powder content on the water stability of asphalt mixture，asphalt，aggregate and rubber powder were used as materials to prepare asphalt mixture samples with 0%，2.5% and 5% rubber powder content.Experiments were carried out under freeze-thaw cycles.The test results show that adding rubber powder can improve the quality of the sample.When the dosage is 5%，the maximum mass loss rate is 2.86%.With the increase of rubber powder content，the porosity of asphalt mixture gradually increases，and the porosity of sample C can reach 9.41.The failure stress of the sample is improved，and the cumulative deformation is only 2.04 mm when the rutting continues for 1 hour，indicating that the high temperature stability of asphalt mixture could be improved by adding rubber powder.The freezing-thawing splitting tensile strength of the sample is enhanced，reaching 88.3%.

Key words：rubber powder content;asphalt mixture;water stability;freeze-thaw cycle conditions;durability;

high temperature stability

水損傷是我國(guó)瀝青路面常見(jiàn)的損壞形式［1］，該損壞主要發(fā)生在我國(guó)西北地區(qū)，該類(lèi)地區(qū)存在冷熱交替的顯著特點(diǎn)，并且早晚溫差較大，凍融循環(huán)明顯，在該過(guò)程中，瀝青路面內(nèi)會(huì)形成三相體系結(jié)構(gòu)，在飽水的情況下經(jīng)過(guò)融凍循環(huán)后［2］，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部的孔隙增加，在使用過(guò)程中發(fā)生松散和剝落等情況，降低路面的承載力，影響其水穩(wěn)定性。

橡膠粉是廢舊橡膠輪胎回收處理后生產(chǎn)而成的，將處理后的橡膠粉摻于瀝青混合料中，能夠提升瀝青的耐久性，改善路面性能，增加路面的彈性［3］。其也可降低車(chē)輛行駛過(guò)程中輪胎和路面摩擦產(chǎn)生的噪聲，改善車(chē)輛行駛的舒適度；并且在冰雪天氣中，也可以提升路面的抗滑能力。為此，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］分別對(duì)摻入橡膠粉的混合瀝青料進(jìn)行相關(guān)研究，分析其疲勞壽命和蠕變特性。本文為分析瀝青混合料的水穩(wěn)定性，在凍融循環(huán)條件下，展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)并進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

為分析摻入不同量的橡膠粉后，瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)變化，制備瀝青混合料試樣，將制備完成的試樣，在凍融環(huán)境下展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)。

試樣的制備采用的材料包含瀝青、骨料（其包含粗集料、細(xì)集料）、橡膠粉、礦粉。其中，瀝青材料的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。使用的橡膠粉是在常溫環(huán)境下［6］，對(duì)廢舊輪胎粉碎加工處理后形成，橡膠粉技術(shù)指標(biāo)：篩余物7.95%、水分0.32%、金屬0.031%、纖維0.55%、相對(duì)密度1.15。

1.2 試樣制備配比確定

1.2.1 橡膠粉摻量配比

在進(jìn)行試樣制備時(shí)，采用橡膠粉替換骨料中的部分細(xì)集料，為保證替換量的精準(zhǔn)性［7］，采用內(nèi)摻法確定替換的摻量。該算法是采用等體積替換方式，對(duì)細(xì)集料的質(zhì)量進(jìn)行替換，其公式為：

Ms=M×Rγr×γs（1）

式中：Ms和M均表示質(zhì)量，前者表示被替換的細(xì)集料的質(zhì)量，后者表示混合料的質(zhì)量；R表示質(zhì)量比，對(duì)應(yīng)橡膠粉和混合集料；γr和γs均表示密度，前者為混合料的密度，后者為細(xì)集料的密度。

在瀝青混合料的制備過(guò)程中，骨料主要包含粗細(xì)2種集料。橡膠粉摻入后會(huì)混入骨料中，對(duì)骨料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成變化，導(dǎo)致瀝青混合料的穩(wěn)定性受到直接影響［8］。因此，在制備過(guò)程中，采用間斷級(jí)完成骨料調(diào)配，其以粗集料為主，保證橡膠粉摻入后的容納空間。因此，橡膠粉摻入后，需確定粗細(xì)兩種集料、瀝青和橡膠粉的最佳比例，保證瀝青混合料的穩(wěn)定性［9］。

基于上述分析，為保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)，采用主集料空隙填充法進(jìn)行骨料間隙率描述其嵌擠程度，以此，確定骨料密實(shí)結(jié)構(gòu)的混合料級(jí)配比例，其間隙率的計(jì)算公式為：

VCADRC=（1－ρsc/ρtc）×100%（2）

式中：VCADRC表示骨料的間隙率；ρsc和ρtc均表示密度，兩者均對(duì)應(yīng)主集料，前者對(duì)應(yīng)緊裝狀態(tài)，后者對(duì)應(yīng)表觀狀態(tài)。

主集料空隙填充法在應(yīng)用過(guò)程中，粗集料嵌擠結(jié)構(gòu)不會(huì)受到細(xì)集料和瀝青混合膠漿的影響 ［10］。在此基礎(chǔ)上，確定瀝青、粗集料、粗集料、礦粉的質(zhì)量比例。上述材料質(zhì)量比例確定時(shí)，其間隙率和下述參數(shù)存在直接影響，其表達(dá)式為：

qc+qf+qp=100%（3）

qc100ρscVCA－Vvs=qpρtp+qfρtf+qaρa(bǔ)（4）

式中：qc、qf、qp、qa均表示質(zhì)量占比，分別對(duì)應(yīng)粗集料、細(xì)集料、礦粉和有效瀝青；ρa(bǔ)、ρtp、ρtf均表示密度，分別對(duì)應(yīng)瀝青、細(xì)集料和礦粉；VCA和Vvs均表示間隙率，前者對(duì)應(yīng)骨料架，后者對(duì)應(yīng)瀝青混合料設(shè)計(jì)目標(biāo)。

依據(jù)上述公式即可確定各個(gè)材料的質(zhì)量占比，粗集料的質(zhì)量占比為5∶5，此時(shí)間隙率最低，為40.45%；基于此，確定其他材料的質(zhì)量占比，得出3種橡膠粉摻量的確定，分別是0%、2.5%和5%。

1.2.2 瀝青混合料的攪拌工藝

在確定橡膠粉的摻量后，制備不同橡膠粉摻量的瀝青混合料。依據(jù)1.2.1小節(jié)將確定各個(gè)材料進(jìn)行混合后，對(duì)其實(shí)行均勻攪拌，其攪拌工藝流程如圖1所示。

將瀝青置于烘箱中，設(shè)定烘箱溫度為190 ℃，對(duì)瀝青實(shí)行加熱處理［11］；將確定質(zhì)量的骨料和礦粉也置于烘干箱中進(jìn)行加熱處理，其烘干溫度為195 ℃。將兩者完成烘干后，再充分進(jìn)行混合攪拌，攪拌過(guò)程中溫度保持在185 ℃。為了保證攪拌過(guò)程中瀝青和其他材料之間的充分反應(yīng)，在攪拌過(guò)程的前30 s內(nèi)，采用干拌的方式對(duì)骨料實(shí)行攪拌，該骨料中包含粗細(xì)兩種集料和橡膠粉。在此基礎(chǔ)上，加入瀝青再繼續(xù)進(jìn)行攪拌，保證混合料達(dá)到均勻狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為2 min。最后，將礦粉加入混合料中繼續(xù)進(jìn)行攪拌，保證混合料達(dá)到均勻狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為1 min。

完成上述步驟后，即完成瀝青混合料的攪拌，將該混合料置于模板中，制備長(zhǎng)方體的瀝青混合料試樣，在圓柱形的上下面采用敲擊的方式，實(shí)行100 次擊實(shí)處理，以此成型，即可得到圓柱形的3種橡膠粉的摻量的試樣，尺寸均為1.2 m×0.6 m×0.1 m，分別用試樣A、試樣B和試樣C表示，對(duì)3種進(jìn)行養(yǎng)生后，備用。

1.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)包含2步驟：一是試樣飽水;二是凍融循環(huán)。

（1）試樣飽水。為了保證凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)條件滿足實(shí)際情況，模擬冬季冰雪天氣時(shí)，瀝青路面在浸水時(shí)的狀態(tài)，將制備完成后的試樣，在常溫情況下放置于常壓的水池中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為5 d；準(zhǔn)備3個(gè)塑料袋，各個(gè)塑料袋中均裝入1 cm的自來(lái)水，將浸泡后的試樣取出，并各自置于有水的塑料袋中，并將塑料袋密封后置于恒溫箱中;

（2）凍融循環(huán)試驗(yàn)。為保證模擬的真實(shí)性，充分考慮冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)3個(gè)影響因素，為保證試驗(yàn)周期的合理性，避免多余的試驗(yàn)周期，并在短時(shí)間內(nèi)完成凍融循環(huán)試驗(yàn)的模擬，設(shè)定冰凍溫度為-25 ℃，融化溫度為60 ℃。在試驗(yàn)過(guò)程中，由于馬歇爾試樣的尺寸不大，冰凍較為容易，因此，其冰凍時(shí)間為3 h，融化時(shí)間為1.5 h，并且為保證試樣在凍融循環(huán)條件下，其變化的清晰體現(xiàn)，確定的凍融次數(shù)為100 次。

1.4 試樣性能計(jì)算方法

1.4.1 試樣孔隙率計(jì)算

試樣的密度計(jì)算采用表干法完成，獲取密度結(jié)果后，計(jì)算試樣孔隙率（VV），其計(jì)算公式為：

VV=1－λfλt×100%（5）

式中：λf和λt均表示相對(duì)密度，前者對(duì)應(yīng)相對(duì)密度的最大值，后者對(duì)應(yīng)相對(duì)密度的表觀相。

1.4.2 試樣低溫抗裂性能計(jì)算

本文采用低溫彎拉試驗(yàn)測(cè)試試樣的低溫抗裂性能，該試驗(yàn)在-15 ℃的條件下進(jìn)行，該試驗(yàn)的加載速率為55 mm/min，其計(jì)算公式為：

RB=3×L×PB2×b×h2（6）

εB=6×h×dL2（7）

SB=RBεB（8）

式中：在試樣發(fā)生破壞的情況下;RB表示抗彎拉強(qiáng)度值;εB表示最大彎拉值;SB表示彎曲勁度模量值;PB表示最大載荷;試樣斷裂面的寬和高分別用b和h表示;L表示跨徑;d表示撓度。

1.4.3 試樣穩(wěn)定性計(jì)算

（1）高溫穩(wěn)定性計(jì)算。瀝青混合料在高溫情況下會(huì)產(chǎn)生變形，影響車(chē)輛行駛的舒適性，文中采用車(chē)轍試驗(yàn)完成試樣的高溫穩(wěn)定性測(cè)試，其計(jì)算公式為：

DS=（t2－t1）×Nd2－d1×C1×C2（9）

式中：DS表示試樣的動(dòng)穩(wěn)定程度；N表示碾壓速度；t2和t1時(shí)刻的變形量分別用d2和d1表示；C1和C2均表示系數(shù)。

（2）水穩(wěn)定性計(jì)算。依據(jù)劈裂試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)試樣的水穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

TRS=RT2RT1×100（10）

式中：RT2和RT1均表示劈裂抗拉強(qiáng)度，其也表示破壞載荷值，前者對(duì)應(yīng)凍融循環(huán)后的劈裂抗拉強(qiáng)度，后者對(duì)應(yīng)凍融循環(huán)前的劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.4.4 試樣耐久性預(yù)測(cè)

在實(shí)際情況下，瀝青路面受到的凍融作用呈現(xiàn)持續(xù)特性。在試驗(yàn)過(guò)程中，雖然在最大程度上采用接近的試驗(yàn)條件，模擬實(shí)際凍融情況，但是試驗(yàn)次數(shù)和凍融試驗(yàn)的載荷模擬，仍舊與實(shí)際情況存在一定差異，因此，本研究為更進(jìn)一步測(cè)試試樣在凍融條件下的承載力，采用灰色數(shù)列模型，預(yù)測(cè)試樣在凍融循環(huán)條件下的耐久性，并預(yù)測(cè)試樣的變化規(guī)律。

GM（1，1）模型是灰色數(shù)列模型中的典型模型，其運(yùn)算的復(fù)雜程度較低，且預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。因此，構(gòu)建GM（1，1）模型，其公式為：

dYtdt+αYt=μ（11）

式中：Yt表示t時(shí)刻的數(shù)列，且其具有一定規(guī)律；α和μ均表示待定系數(shù)。

對(duì)該模型實(shí)行求解后得出：

Yt=X0－μαeαt+μα（12）

式中：X0表示原始數(shù)列；e表示運(yùn)算函數(shù)。

由于模型是通過(guò)累加數(shù)據(jù)生成，因此，經(jīng)過(guò)累減后獲取預(yù)測(cè)值X°，其計(jì)算公式為：

X°=Yt－Yt－1（13）

式中：Yt－1表示t－1的數(shù)列。

依據(jù)該步驟即可完成試樣耐久性的預(yù)測(cè)結(jié)果，判斷試樣的變化規(guī)律。

2 測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 試樣質(zhì)量比變化分析

為分析橡膠粉摻入后，瀝青混合料的質(zhì)量變化情況，獲取不同凍融次數(shù)下，3個(gè)試樣的質(zhì)量損失率結(jié)果，具體如圖2所示。

對(duì)圖2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后得出，在凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加情況下，不同橡膠粉摻量試樣的質(zhì)量損失率也存在明顯區(qū)別。其中，試樣A的橡膠粉摻量為0%，其在凍融次數(shù)為100次時(shí)，質(zhì)量損失率最高結(jié)果達(dá)到5.87%；在相同凍融次數(shù)下，試樣C的質(zhì)量損失率結(jié)果為2.86%。這是由于加入橡膠粉后，可增加試樣內(nèi)部的空隙，使試樣內(nèi)部的水分增加。因此，摻入橡膠粉能夠提升試樣的質(zhì)量，降低其質(zhì)量損失率。

2.2 低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

獲取各個(gè)試樣孔隙率結(jié)果后，并進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，獲取各個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果，具體如表3所示。

由表2可知，隨著橡膠粉摻量的逐漸增加，3個(gè)試樣孔隙率和最大彎拉微應(yīng)變結(jié)果也逐漸增加，而抗彎拉強(qiáng)度和勁度模量逐漸下降。這是由于橡膠粉摻入后，其強(qiáng)度會(huì)下降，但是由于橡膠粉的會(huì)增加混合料的彈性作用。因此，摻入橡膠粉會(huì)提升試樣的破壞應(yīng)變力。

2.3 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

獲取3個(gè)試樣在高溫條件下，隨著車(chē)轍的持續(xù)作用，3個(gè)試樣的累計(jì)變形結(jié)果，具體如表3所示。

由表3可知，隨著車(chē)轍作用時(shí)間的逐漸增加，在車(chē)轍的持續(xù)作用下，3個(gè)試樣的累積變形結(jié)果呈現(xiàn)明顯差異。其中，試樣A的累積變形最明顯，持續(xù)時(shí)間為60 min時(shí)，累計(jì)變形結(jié)果達(dá)到4.22 mm；試樣C的累計(jì)變形結(jié)果僅為2.04 mm［12］。這是由于橡膠粉屬于彈性材料，將其摻入到瀝青混合料中后，會(huì)降低瀝青混合料的流動(dòng)變形，從而使試樣的彈性性能也會(huì)在一定程度上提升。

2.4 試樣的水穩(wěn)定性試驗(yàn)

獲取3個(gè)試樣在不用劈裂載荷下，其水穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果，具體如表4所示。

由表4可知，在經(jīng)過(guò)凍融前和經(jīng)過(guò)凍融后兩種情況下，隨著劈裂載荷的逐漸增加，3種試樣的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度隨著劈裂載荷的增加而降低，但是下降幅度較小。其中，試樣C的RT2和RT1和TRS結(jié)果均優(yōu)于另外2個(gè)試樣的結(jié)果，其最高TRS結(jié)果為88.3%，與試樣A的差值為8.2%。這是由于橡膠粉加入后，能夠提升瀝青混合料的彈性［13］。因此，在受到劈裂載荷下，試樣的TRS值越佳，水穩(wěn)定越好。

2.5 試樣的極限強(qiáng)度試驗(yàn)

獲取在不同的凍融次數(shù)下，3個(gè)試樣的極限強(qiáng)度損失結(jié)果，具體如表5所示；其中，負(fù)值表示強(qiáng)度上升，正值表示強(qiáng)度下降。

由表5可知，凍融次數(shù)的不斷變化，橡膠粉摻量為0%的試樣，在凍融次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，其極限強(qiáng)度損失率結(jié)果為34.7%；試樣B和試樣C的極限強(qiáng)度發(fā)生先小幅度下降后上升再下降的趨勢(shì)，在凍融循環(huán)次數(shù)為30次時(shí)，二者試樣的值均為負(fù)值，表示此時(shí)2個(gè)試樣的強(qiáng)度發(fā)生不同程度的上升，上升比例分別為4.45%和6.6%；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，2個(gè)試樣的極限強(qiáng)度損失率分別為19.6%和12.7%［14］。因此，橡膠粉的摻入能夠增加瀝青混合料的極限強(qiáng)度，降低其損失率。

2.6 試樣耐久性預(yù)測(cè)結(jié)果

對(duì)3個(gè)試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)獲取的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析本文方法的預(yù)測(cè)效果，依據(jù)該結(jié)果判斷本文方法對(duì)于試樣變化規(guī)律的預(yù)測(cè)效果，具體如表6所示。

由表6可知，在不同的凍融次數(shù)下，3種試樣劈裂抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)獲取的結(jié)果之間差距較小，吻合程度較高，表示本文采用的耐久性預(yù)測(cè)模型可靠性較高，能夠?qū)ε芽估瓘?qiáng)度結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)［15］。

3 結(jié)語(yǔ)

將橡膠粉摻入瀝青混凝土，在一定程度上提升混凝土的性能，已經(jīng)成為普遍的方式，為分析橡膠粉對(duì)于瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，研究制備了不同橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣，并在凍融循環(huán)條件下展開(kāi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析。結(jié)果顯示，將橡膠粉摻入瀝青混合料后，能夠提升瀝青混合料的耐久性，降低其質(zhì)量損失率［16］。摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的破壞應(yīng)變力、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。橡膠粉對(duì)于瀝青混合料的極限強(qiáng)度具有一定提升效果。

綜上所述，在實(shí)際施工過(guò)程中，可依據(jù)工程的實(shí)際需求，適量加入橡膠粉，以此提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性，保證工程質(zhì)量以及車(chē)輛行駛的舒適性。

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