橡膠改性瀝青混合料穩定性影響因素試驗分析

白義松

(黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

將廢舊輪胎制成膠粉,通過一定的生產工藝加入瀝青之中,可以制備成具有良好高低溫性能和較好耐久性的橡膠改性瀝青。將橡膠摻入瀝青的嘗試最早出現在1843年的英國,當時的橡膠瀝青只能應用于坑洞修補、接縫封堵和屋面防水等。20世紀40年代起,德國、英國、美國、瑞典、法國、日本、澳大利亞等國家先后對橡膠改性瀝青混合料進行了持續研究,相關研究成果均表明橡膠改性瀝青混合料具有優良的高溫、低溫性能和抗疲勞性能,且降噪功能明顯,橡膠改性瀝青開始逐步應用于路面面層和路面結構中的應力吸收層等[1]。自20世紀90年代起,橡膠改性瀝青開始在連續級配、間斷級配瀝青混凝土中廣泛使用。工程應用表明,橡膠改性瀝青混合料能夠降低瀝青路面的養護維修成本,尤其是能夠有效降低公路瀝青路面的全壽命周期成本,并且在路用性能上表現出良好的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性,具有更強的承載重交通的能力,應用前景廣闊[2-3]。橡膠改性瀝青混合料的路用性能與膠粉細度、膠粉摻量、混合料集料級配、油石比等密切相關,現結合黑龍江省伊綏高速公路北安段瀝青路面養護維修需求,通過試驗作具體分析。

1 試驗選用的橡膠改性瀝青混合料級配

為提高原有瀝青路面的使用壽命,改善舊路面的服務水平,擬加鋪厚度為2.5 cm的SMA-10橡膠瀝青混合料罩面層。橡膠改性瀝青混合料采用90#重交通道路瀝青、廢舊輪胎制備的膠粉、玄武巖集料(0～3 mm石屑、3～5 mm碎石、5～10 mm碎石)及石灰巖礦粉。

基于斷級配SMA-10骨架嵌擠結構,按細集料含量由少至多的順序選用4種混合料級配(1#、2#、3#、4#)。各篩孔通過率如表1所示。

表1 橡膠改性瀝青混合料試驗級配

2 橡膠改性瀝青混合料的高溫穩定性

2.1 膠粉細度對橡膠改性瀝青混合料高溫穩定性的影響

采用30、40、60、80目膠粉,基于3#級配及由試驗確定的最佳油石比,分別制備橡膠改性瀝青混合料進行車轍試驗。試驗結果如表2所示。

表2 不同膠粉細度瀝青混合料車轍試驗結果

由試驗結果可知,在相同的目標空隙率下,橡膠改性瀝青混合料的動穩定度隨膠粉細度的增加而提高,遠大于規范中要求的3 000次/mm。其原因在于隨著膠粉粒徑的減小,橡膠改性瀝青的黏度增大,使橡膠改性瀝青混合料的黏聚力增加,提高了混合料抵抗變形的能力[2-4]。此外,膠粉溶脹后使改性瀝青的彈性增強,能夠有效減少重復荷載產生的累計變形。

2.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料高溫穩定性的影響

膠粉摻量對橡膠改性瀝青黏度的影響十分顯著?；?#級配,采用60目膠粉,取膠粉摻量0%、20%、22%、24%、26%制備橡膠改性瀝青混合料。車轍試驗結果如表3所示。

表3 不同膠粉摻量瀝青混合料車轍試驗結果

一般而言,瀝青的黏度、勁度越大,瀝青混合料抵抗高溫變形的能力就越強。從表3可知,采用基質瀝青的混合料動穩定度只有1 718次/mm,加入膠粉后瀝青混合料的動穩定度提高了1～2倍以上,且膠粉的優化摻量為24%。

2.3 級配對橡膠改性瀝青混合料高溫穩定性的影響

采用1#級配(粗)～4#級配(細),基于60目橡膠粉、外摻摻量24%制備橡膠改性瀝青混合料。不同級配瀝青混合料的車轍試驗結果如表4所示。

表4 各級配瀝青混合料車轍試驗結果

由表4可知,細集料的增多將導致橡膠改性瀝青混合料動穩定度的下降,但開始時的降低幅度并不大,原因在于粗集料骨架結構使細集料對混合料動穩定的影響減小。但當細集料增加到一定程度時,會導致粗集料骨架結構的改變,混合料的動穩定度迅速下降[5-6]。

2.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料高溫穩定性的影響

油石比直接關系到橡膠改性瀝青混合料的抗高溫變形能力,它對混合料試件體積指標的影響十分顯著。采用60目膠粉、24%摻量制備改性瀝青,選取3#級配進行試驗。車轍試驗結果如表5所示。

表5 不同油石比瀝青混合料車轍試驗結果

可知當油石比增加,橡膠改性瀝青混合料的動穩定度增大。油石比由7.7%增加到9.2%,動穩定度提高幅度在97.8%～264.7%之間。說明油石比較小時,橡膠改性瀝青不足以完全裹附集料,且空隙率較大,車轍試驗過程中瀝青混合料產生的壓實變形較大、動穩定度較小。隨著油石比的增加,集料之間容易重新定位,碾壓成型的試件空隙率下降,壓實變形減小、動穩定度增大[6]。但油石比繼續提高時動穩定度轉為降低,可見橡膠改性瀝青混合料的油石比存在一個較優值。

3 橡膠改性瀝青混合料的低溫穩定性

瀝青混合料的低溫穩定性可以通過低溫小梁彎曲試驗進行評價。以下依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定進行試驗。

3.1 膠粉細度對橡膠改性瀝青混合料低溫穩定性的影響

采用細度為30、40、60、80目的膠粉,基于3#級配,以空隙率為4%制備橡膠改性瀝青混合料試件。低溫小梁彎曲試驗結果如表6所示。

表6 不同膠粉細度低溫小梁彎曲試驗結果

可知在相同級配、空隙率不變的情況下,油石比隨膠粉目數的增加而增大。同時橡膠改性瀝青混合料的彎拉強度下降,但低溫變形能力增強。

3.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料低溫穩定性的影響

采用60目膠粉、3#級配,以0%、20%、22%、24%、26%的膠粉摻量,以4%的空隙率制備橡膠改性瀝青混合料試件。試驗結果如表7所示。

表7 不同膠粉摻量低溫小梁彎曲試驗結果

根據表7的試驗結果,相對未摻膠粉的基質瀝青混合料,橡膠改性瀝青混合料的低溫彎拉強度及彎拉應變均明顯提高,勁度模量顯著減小。說明可以通過摻加膠粉來改善瀝青混合料的黏聚力,進而提高混合料的彎拉強度并改善其低溫變形能力。同時,膠粉的適宜摻量在20%～24%之間。

3.3 級配對橡膠改性瀝青混合料低溫穩定性的影響

采用由粗到細的1#～4#級配,以對應的最佳油石比制備橡膠改性瀝青混合料。低溫小梁彎曲試驗結果如表8所示。

表8 各級配瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果

根據表8,集料級配對混合料低溫性能的影響較大,當細集料增多,彎拉應變增加,即混合料的低溫性能相應提高。

3.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料低溫穩定性的影響

采用3#級配,以60目膠粉、24%摻量制備橡膠改性瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗,在不同油石比下測得彎拉勁度、彎拉應變和勁度模量。試驗結果如表9所示。

表9 不同油石比低溫小梁彎曲試驗結果

根據試驗結果,隨著油石比的增大,彎拉應變逐漸增大,但彎拉強度與勁度模量呈“先升后降”規律。說明油石比的增加能夠改善橡膠改性瀝青混合料在低溫狀態下的柔性;當油石比繼續提高,雖然彎拉變形能力增強,但彎拉強度與勁度模量呈下降趨勢。因此,橡膠改性瀝青混合料的油石比存在一個適宜數值。

4 橡膠改性瀝青混合料的水穩定性

4.1 膠粉細度對橡膠改性瀝青混合料水穩定性的影響

基于3#級配,采用30、40、60、80目膠粉分別外摻24%,制作橡膠改性瀝青混合料試件。凍融劈裂試驗結果如表10所示。

表10 不同膠粉細度瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表10可知,隨膠粉目數的增加,橡膠改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)增大,即減小膠粉粒徑有利于改善混合料的水穩定性。

4.2 膠粉摻量對橡膠改性瀝青混合料水穩定性的影響

基于3#級配,采用60目膠粉分別外摻0%、20%、22%、24%、26%制作橡膠改性瀝青混合料試件。凍融劈裂試驗結果如表11所示。

表11 不同膠粉摻量瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

根據試驗結果,基質瀝青混合料凍融劈裂強度較低,TSR值達不到規范要求的80%。加入膠粉后,凍融劈裂強度及TSR值明顯增大,說明膠粉能夠顯著改善橡膠改性瀝青混合料的水穩定性。由試驗數據可知,隨膠粉摻量的增加,凍融劈裂強度先增長后降低,故膠粉摻量有一個較優值,本次試驗為24%。

4.3 級配對橡膠改性瀝青混合料水穩定性的影響

采用60目膠粉,外摻用量24%,以1#～4#級配制作橡膠改性瀝青混合料試件。試驗結果如表12所示。

表12 各級配瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表12可知,增加細集料能夠改善橡膠改性瀝青混合料的水穩定性,4種級配的凍融劈裂強度比(TSR)都在80%以上,均符合規范要求。

4.4 油石比對橡膠改性瀝青混合料水穩定性的影響

采用60目膠粉,外摻用量24%,基于3#級配制作橡膠改性瀝青混合料試件,測定不同油石比橡膠改性瀝青混合料的凍融劈裂強度。試驗結果如表13所示。

表13 不同油石比瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

根據試驗結果,隨著油石比的增大,凍融劈裂強度比(TSR)增大,表明橡膠改性瀝青混合料的水穩定性提高,但混合料凍融前后的劈裂強度值是先增大后減小。油石比為8.0%時,TSR值未達到規范要求的80%,故橡膠改性瀝青混合料的油石比應大于8.0%。

5 結 論

(1)較細的膠粉有助于改善橡膠改性瀝青混合料的高溫穩定性;膠粉摻量的增加使橡膠改性瀝青黏度增加,混合料動穩度增大?；诟邷胤€定性,推薦膠粉的外摻摻量為24%～26%。

(2)膠粉目數增大(粒徑減小),則橡膠改性瀝青混合料的低溫性能提升,但膠粉粒徑減小到一定程度時,低溫彎曲應變的增長趨緩,建議采用60目膠粉;較低的油石比易導致混合料的黏結力減弱,較高的油石比將使混合料變軟,不利于提高低溫性能,油石比宜在8.5%～9.5%之間;適當增加細集料能夠提高瀝青混合料的低溫性能。

(3)膠粉越細橡膠改性瀝青混合料的水穩定性越好,但膠粉摻量不宜過高,建議外摻摻量為24%;較高的油石比對改善水穩定性較有利;增加細集料能夠改善橡膠改性瀝青混合料的水穩定性。