橡膠顆粒改性瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)研究

孟會(huì)林

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心，河北石家莊050091)

0 引言

廢舊輪胎已成為公認(rèn)的“黑色污染”，如何將“黑色污染”變廢為寶已成為廢舊輪胎橡膠應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)。廢舊輪胎橡膠回收再利用的幾種方式中，應(yīng)用價(jià)值最高、用量最大也最有前途的方法是通過機(jī)械或化工的方法將廢舊輪胎粉碎為橡膠顆?；蛘哐心コ上鹉z粉。在橡膠粉及橡膠顆粒的應(yīng)用途徑中，橡膠粉改性瀝青及其混合料技術(shù)的研究已經(jīng)趨于成熟，但橡膠顆粒在公路工程中的應(yīng)用研究還處于摸索階段。

針對(duì)廢舊輪胎橡膠顆粒彈性較強(qiáng)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外均有研究提出將具有一定粒徑組成的橡膠顆粒摻入瀝青混合料中，鋪筑于寒冷地區(qū)易結(jié)冰的路段，形成具有凍結(jié)抑制效果的新型功能性瀝青路面的思路［1-2］。從國(guó)內(nèi)外已有研究成果看，橡膠顆粒改性瀝青混合料應(yīng)用于道路工程是可行的，但目前的研究成果仍不完善，需要進(jìn)一步深入研究［3-4］。

結(jié)合橡膠顆粒改性瀝青混合料凝冰抑制機(jī)理分析，提出采用懸浮-骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行橡膠顆粒改性瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的思路，并對(duì)該理論級(jí)配設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了闡述，對(duì)其路用性能(高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性)及耐久性(抗松散脫落性能)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 橡膠顆粒改性瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料及性能

(1)橡膠顆粒。作為橡膠顆粒改性瀝青混合料的重要組成部分，其粒徑組成和技術(shù)規(guī)格對(duì)混合料的性能有顯著影響。實(shí)驗(yàn)研究采用由廢舊輪胎經(jīng)常溫機(jī)械加工而成的橡膠顆粒，粒徑0～5 mm，其中4.75 mm、2.36 mm及0.6 mm篩孔的質(zhì)量通過率分別為96.4%、48.3%及24.8%，密度1.07～1.15 g/cm3。

(2)集料。粗集料采用玄武巖材質(zhì)，細(xì)集料及填料為石灰?guī)r材質(zhì)，所有集料均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中規(guī)定的瀝青面層所用集料的質(zhì)量技術(shù)要求，粗、細(xì)集料及填料的主要質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)見表1。

(3)瀝青。瀝青采用70#基質(zhì)瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.2 橡膠顆粒改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配組成設(shè)計(jì)

根據(jù)級(jí)配類型差異和混合料形成原理，瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型有懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)及骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)三種(如圖1所示)。

表1 各規(guī)格集料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

圖1 瀝青混合料的典型組成結(jié)構(gòu)

懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)用于連續(xù)密級(jí)配瀝青混合料，由于細(xì)集料數(shù)量較多，粗集料被細(xì)集料擠開，因此，粗集料以懸浮狀態(tài)位于細(xì)集料之間。該結(jié)構(gòu)瀝青混合料的密實(shí)度較高，但穩(wěn)定性較差。骨架空隙結(jié)構(gòu)用于連續(xù)開級(jí)配瀝青混合料，由于細(xì)集料數(shù)量較少，粗集料之間不僅緊密相連，而且有較多的空隙。該類型混合料中集料之間具有較強(qiáng)的內(nèi)摩阻力，因而穩(wěn)定性較好。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)用于間斷密級(jí)配瀝青混合料，是上述兩種結(jié)構(gòu)形式的組合。它既有一定數(shù)量的粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，又有足夠的細(xì)集料填充到粗集料之間的空隙中去，因此，該結(jié)構(gòu)瀝青混合料的密實(shí)度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性都比較好。

從橡膠顆粒瀝青混合料的凝冰抑制機(jī)理來看，路面除冰要求混合料具有一定的彈性變形性能，同時(shí)該結(jié)構(gòu)層又必須具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。橡膠顆粒密度小、質(zhì)量輕的特性決定了對(duì)于橡膠顆粒改性瀝青混合料而言，傳統(tǒng)的最大密度曲線理論或者粒子干涉理論是不適用的，文獻(xiàn)［1］及文獻(xiàn)［3］中分別采用體積設(shè)計(jì)法和主骨架空隙填充法進(jìn)行橡膠顆粒改性瀝青混合料的級(jí)配組成設(shè)計(jì)，兩種方法在本質(zhì)上相同，均屬于骨架密實(shí)型瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)制約了橡膠顆粒的變形，不利于該類型路面發(fā)揮其抑制路面結(jié)冰的功能。

基于以上分析，提出采用懸浮-骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行橡膠顆粒改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的方法。該方法中各級(jí)集料的比例根據(jù)粗一級(jí)集料在細(xì)一級(jí)集料中即將相互搭接形成骨架而實(shí)際上未相互搭接形成骨架的原則計(jì)算［5］。在混合料中，粗集料和細(xì)集料都會(huì)起到一定的架構(gòu)效應(yīng)和填充作用，但二者對(duì)骨架形成的貢獻(xiàn)不同，粗集料在混合料中主要貢獻(xiàn)是形成懸浮骨架，即以架構(gòu)效應(yīng)為主，填充作用為次，而細(xì)集料在混合料中以填充作用為主，架構(gòu)效應(yīng)為次。

采用懸浮-骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的橡膠顆粒瀝青混合料中，橡膠顆粒充分填充于粗集料之間，促使混合料中原來的“石料-石料”接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆?橡膠顆粒-石料”的接觸狀態(tài)，從而提高了路面的彈性變形性能，同時(shí)，小粒徑、高彈性的特點(diǎn)決定了其能夠在充分發(fā)揮自身彈性變形性能的前提下又不會(huì)顯著影響路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而保證了路面整體的穩(wěn)定性及凝冰抑制性能。

橡膠顆粒改性瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)流程如圖2所示，本文試驗(yàn)研究所用的級(jí)配曲線如圖3所示。

圖2 級(jí)配組成設(shè)計(jì)流程

圖3 試驗(yàn)所用級(jí)配曲線

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定橡膠顆粒改性瀝青混合料的最佳油石比及體積參數(shù)，混合料拌合采用干法工藝，投料順序?yàn)?石料+橡膠顆?！鸀r青→礦粉，為使橡膠顆粒分散均勻，適當(dāng)增加干拌時(shí)間。具體拌合工藝為:加入石料和橡膠顆粒干拌30～45 s，然后加入瀝青濕拌80 s，最后加入礦粉拌合80～100 s，拌合溫度為180℃。為避免混合料成型后膨脹，采用二次成型方法制作試件，第一次成型時(shí)雙面各擊實(shí)40次，擊實(shí)溫度150～160℃，待試件溫度降至80℃左右時(shí)第二次擊實(shí)試件，雙面各擊實(shí)35次。最佳油石比按照空隙率3%確定，兩種橡膠顆粒摻量的混合料試驗(yàn)結(jié)果及體積參數(shù)見表3。

表3 橡膠顆粒改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表3可見，橡膠顆粒改性瀝青混合料的油石比較普通瀝青混合料有一定提高，密度減小，相同級(jí)配下，橡膠顆粒摻量越高，用油量越多而混合料密度越小，在合適的拌合及成型條件下，橡膠顆粒改性瀝青混合料的空隙率能夠得到有效控制，但橡膠顆粒改性瀝青混合料的穩(wěn)定度較普通瀝青混合料偏低，隨橡膠顆粒摻量增加混合料穩(wěn)定度降低，橡膠顆粒摻量為3.0%時(shí)已不能滿足規(guī)范要求。

從表3試驗(yàn)結(jié)果看，按照普通瀝青混合料瀝青飽和度的計(jì)算方法，橡膠顆粒改性瀝青混合料的瀝青飽和度不滿足規(guī)范要求，但礦料間隙率滿足規(guī)范要求。分析認(rèn)為，對(duì)普通瀝青混合料而言，集料與瀝青之間僅有微弱的吸附作用，但不存在化學(xué)反應(yīng)及物質(zhì)交換的問題，因此，計(jì)算時(shí)采用的是混合料中所用瀝青的體積占骨架外空隙體積的百分率，但對(duì)于橡膠顆粒改性瀝青混合料而言，由于橡膠顆粒會(huì)吸收高溫瀝青，使得游離于集料之外的瀝青含量減少，即減少了有效瀝青，另一方面，橡膠顆粒改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)空隙率較小，因此采用瀝青用量而非有效瀝青來計(jì)算橡膠顆粒改性瀝青混合料中的瀝青飽和度會(huì)使結(jié)果偏大，加之橡膠顆粒改性瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率較普通瀝青混合料小，使得瀝青飽和度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。從試驗(yàn)過程中的試件狀況看，橡膠顆粒摻量為3.0%，油石比為6.6%時(shí)也未看到用油偏高的現(xiàn)象。

綜上，橡膠顆粒改性瀝青混合料的體積特性較普通瀝青混合料無明顯優(yōu)勢(shì)，橡膠顆粒摻量較高時(shí)其穩(wěn)定度甚至不滿足規(guī)范要求，但并不能因此否定其路用性能。

2 橡膠顆粒改性瀝青混合料性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

按試驗(yàn)規(guī)程要求［6］，采用輪碾法制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，測(cè)定其動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。動(dòng)穩(wěn)定度是反映瀝青混合料高溫抵抗永久變形性能的一個(gè)指標(biāo)，較馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)更為直觀，動(dòng)穩(wěn)定度越高，瀝青混合料的抗車轍能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性越好。

表4 橡膠顆粒改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見，兩種橡膠顆粒摻量的改性瀝青混合料其動(dòng)穩(wěn)定度值均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，說明橡膠顆粒改性瀝青混合料的的高溫穩(wěn)定性良好，具有較強(qiáng)的抗車轍能力。試驗(yàn)結(jié)果中，橡膠顆粒摻量為3.0%時(shí)其動(dòng)穩(wěn)定度略低于摻量為2.0%的試驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于橡膠顆粒在高溫(60℃)下仍能保持較高的彈性及變形恢復(fù)能力，橡膠顆粒的摻入使混合料具有了同樣的性能，隨橡膠顆粒摻量的增加，這種彈性變形效果越明顯，表現(xiàn)為抗變形能力有所降低。

2.2 低溫抗裂性

采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)來研究橡膠顆粒改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，通過規(guī)定溫度和加載速率下試件破壞時(shí)的彎拉應(yīng)變來評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能。試驗(yàn)過程中，按照規(guī)范相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)由輪碾成型機(jī)碾壓制件，然后切制成長(zhǎng)250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的棱柱體小梁試件供低溫彎曲試驗(yàn)用。試驗(yàn)裝置采用WDW-1020型微控電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，在－10℃、加載速率50 mm/min的條件下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，橡膠顆粒改性瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性，能夠滿足規(guī)范對(duì)改性瀝青混合料低溫抗裂性的要求，且橡膠顆粒摻量為3%時(shí)混合料的低溫抗裂性較2%摻量時(shí)有一定提高。這是由于橡膠顆粒的摻加增強(qiáng)了瀝青與石料之間的粘結(jié)性，增加了瀝青膜厚度，從而使橡膠顆粒改性瀝青混合料在低溫時(shí)具有很好的柔韌性。

2.3 水穩(wěn)定性

國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)性的方法主要有:浸水馬歇爾試驗(yàn)、真空飽水馬歇爾試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(yàn)、真空飽水劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及浸水車轍試驗(yàn)?？紤]到橡膠顆粒改性瀝青混合料試件本身可能具有一定的不均勻性，而凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)浸水馬歇爾試驗(yàn)變異性小，且試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)可靠，因此，本文采用凍融劈裂試驗(yàn)得出的強(qiáng)度比(TSR)來評(píng)價(jià)橡膠顆粒改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，TSR值越大，橡膠顆粒改性瀝青混合料的水穩(wěn)性越好，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可知，兩種橡膠顆粒摻量瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，說明橡膠顆粒改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能良好，具有較好的抗水損害能力。

2.4 耐久性(抗松散脫落性)

國(guó)內(nèi)外理論研究及實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，混合料松散、骨料脫落是橡膠顆粒改性瀝青路面的常見病害，也是影響路面使用性能及使用壽命的重要因素。肯塔堡飛散損失率是衡量混合料抗松散脫落性的重要指標(biāo)，其實(shí)驗(yàn)方法是:在預(yù)定的實(shí)驗(yàn)溫度下，將1個(gè)瀝青混合料馬歇爾試樣單獨(dú)放入洛杉磯磨耗實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)，待實(shí)驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)300次后取出試樣，清除試樣表面粘附的破碎物并稱取剩余試樣質(zhì)量，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)前后馬歇爾試樣的質(zhì)量損失率。該質(zhì)量損失率可在一定程度上反映瀝青混合料的抗剝離飛散性能，損失率越小，說明瀝青混合料的粘結(jié)性越好，抗沖擊、抗松散脫落性能越高。

從表4試驗(yàn)結(jié)果看，在合理的級(jí)配及混合料拌合工藝下，橡膠顆粒改性瀝青混合料成型后的馬歇爾試件具有良好的抗飛散損失性能，且在一定范圍內(nèi)，肯塔堡飛散損失率隨橡膠顆粒摻量的增加有降低的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)采用懸浮-骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行橡膠顆粒改性瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)是可行的，其設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，易于掌握;

(2)現(xiàn)行規(guī)范中瀝青飽和度指標(biāo)不適用于確定橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比;

(3)橡膠顆粒改性瀝青混合料表現(xiàn)出更加優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及耐久性(抗松散脫落性能)，其低溫抗裂性同樣滿足規(guī)范要求;

(4)橡膠顆粒改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝及長(zhǎng)期路用性能尚需做進(jìn)一步研究。

［1］周純秀.冰雪地區(qū)橡膠顆粒改性瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［2］ゴム粒子入り凍結(jié)抑制舗裝振興會(huì).ゴム粒子入り凍結(jié)抑制舗裝技術(shù)資料［EB/OL］.［2007-09-14］http://www.rasshinkokai.net/rubit－note07.09.14.pdf，平成18年12月.

［3］張洪偉.橡膠顆粒除冰雪瀝青路面的研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

［4］荒木，竹田，鈴木.粉體塩化物系凍結(jié)抑制舗裝の追跡調(diào)査［J］.舗裝，1997，32(9):8-14.

［5］張嘎吱，沙愛民.懸浮骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，24(1):1-4.

［6］交通部公路科學(xué)研究.JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2000.