王國清，宋書康，秦祿生，王慶凱，王新強

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北省交通投資集團,河北 石家莊 050090；3.河北省交通規(guī)劃設(shè)計院試驗檢測室，河北 石家莊 050090)

0 引 言

瀝青混合料內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，主要由骨料、瀝青、礦粉及空隙構(gòu)成?；谀z漿理論，將粗骨料作為分散相充填進瀝青膠砂分散介質(zhì)中的粗分散系稱為瀝青混合料；將細(xì)骨料作為分散相充填進瀝青膠漿分散介質(zhì)中的細(xì)分散系稱為瀝青膠砂；將礦粉作為分散相充填進膠結(jié)料分散介質(zhì)中的微分散系稱為瀝青膠漿。瀝青膠砂是聯(lián)結(jié)瀝青膠漿和瀝青混合料的橋梁，通過研究瀝青膠砂的高低溫性能，可從根本上為分析瀝青混合料的高低溫性能奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)膠粉摻量在大于30%時定義為大摻量膠粉改性瀝青，大摻量膠粉改性瀝青比普通瀝青甚至SBS改性瀝青擁有更良好的技術(shù)性能。膠粉改性瀝青的廣泛應(yīng)用可以節(jié)省資源，合理利用固廢材料，減少環(huán)境污染，降低廢舊橡膠帶來的危害，增強路面的使用性能[1]大多數(shù)膠粉改性瀝青混合料實驗路具有良好的路用性能，相比于普通瀝青路面，橡膠粉改性瀝青混合料增加了路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性[2，3]。低膠粉摻量橡膠瀝青高溫性能、低溫性能和疲勞性能，相比20%和30%膠粉摻量瀝青混合料有一定降低，但依舊優(yōu)于普通瀝青混合料[4]。膠粉顆粒作為一種高彈性材料，通過等體積法加入瀝青混合料后，在正弦波形荷載作用下，橡膠改性瀝青混合料的彈性變形恢復(fù)比普通瀝青混合料更快，整體柔性程度增加。過往車輛輪胎荷載作用在膠粉瀝青路面上時，由于路面應(yīng)變滯后效應(yīng)變?nèi)?，彈性變形恢?fù)速度加快，且路面柔度加大輪胎與路面間接觸面積增大，路面摩擦力隨之增大，路面的抗滑性能隨之提高[5]。但在大摻量膠粉改性瀝青混合料鋪筑過程中出現(xiàn)了攪拌困難，味道難聞等問題[6]。

筆者以細(xì)集料(0～2.36 mm)為分散相，以分散在由礦粉與3種不同瀝青(SBS改性瀝青，20%膠改瀝青和30%膠改瀝青瀝青)組成瀝青膠漿介質(zhì)中的細(xì)分散系[7]為研究對象，針對3種不同改性瀝青膠砂的高低溫性能展開研究，通過對錐入度試驗在50、60、70、80 ℃下，測得的錐入度值和抗剪強度在-10 ℃時小梁彎曲試驗的抗彎強度和彎拉應(yīng)變進行分析，驗證錐入度試驗評價瀝青膠砂高溫性能的可行性，并用三點彎曲試驗驗證瀝青膠砂低溫性能的可行性，研究大摻量膠粉改性瀝青膠砂的高低溫性能指標(biāo)，分析膠粉摻量對瀝青膠砂高低溫性能的影響。

1 原材料

筆者選用30%橡膠改性瀝青(認(rèn)定為大摻量)，20%橡膠改性瀝青，SBS改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)滿足JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

試驗采取的機制砂為玄武巖，檢驗機制砂的技術(shù)性質(zhì)根據(jù)JTJE42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》和JTJ052—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，測量骨料的壓碎值、含泥量、砂當(dāng)量和表觀密度，結(jié)果如表2、表3。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

瀝青膠砂的配合比設(shè)計是瀝青混合料的重要部分。膠砂中細(xì)集料分界線在筆者試驗中為2.36 mm，細(xì)集料的范圍為0.075～2.36 mm，美國學(xué)者FULLER提出的最大密度曲線是一種理想的級配曲線[8]，各國研究者在此基礎(chǔ)上進一步延伸和發(fā)展，提出了常用的n法，且認(rèn)為n=0.45時瀝青混合料可達(dá)到最大密實度。當(dāng)n=0.45時，0.075 mm篩孔通過質(zhì)量百分率為8%。將瀝青混合料中2.36 mm以上的粗集料去除后，計算得0.075 mm篩孔通過質(zhì)量百分率為32%，從而確定各粒徑的篩孔通過質(zhì)量百分率，如表4。

表4 細(xì)集料級配范圍

2 錐入度試驗

瀝青膠砂高溫時呈現(xiàn)黏稠、流動狀態(tài),無法進行車轍試驗，近年國內(nèi)外采用DSR對瀝青膠漿的高溫性質(zhì)進行測試,研究不同膠粉摻量瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性和抗剪強度。但膠砂不同于膠漿，膠砂最大的粒徑2.36 mm不能采用動態(tài)剪切流變儀試驗。筆者采用錐入度試驗研究膠砂高溫性能，錐入度試驗測得的錐入度值能反應(yīng)出瀝青膠砂的高溫性能，經(jīng)過公式計算出抗剪強度,可以把差值較小的錐入度值擴大成差值較大的抗剪強度值,明顯反應(yīng)不同膠砂的高溫性能差別[9]。

2.1 錐入度試驗

借鑒現(xiàn)有研究成果[10]，試驗儀器采用針入度儀,將針入度的長針用錐體代替, 錐體采用不銹鋼加工而成，如圖1。錐角(30±1)°,錐高30 mm,錐、滑桿和砝碼總重133 g，盛樣皿與針入度試驗相同。把3種不同改性瀝青的試件分別在50、60、70、80 ℃的恒溫水浴中養(yǎng)護3小時以上再進行錐入度試驗，錐入時間為5 s。

2.2 試驗結(jié)果與分析

筆者對3種不同改性瀝青試件在4種不同溫度下進行的錐入度試驗，每個溫度都進行3次平行試驗，錐入度值試驗結(jié)果如表5。

表5 錐入度試驗數(shù)據(jù)

從表5中可以明顯看出，隨著溫度升高，3種改性瀝青錐入度值逐漸增大，在50和60 ℃時，30%大摻量膠改瀝青膠砂錐入度值低于另外2種，20%膠改瀝青膠砂和SBS改性瀝青膠砂錐入度值相近。70 ℃時，30%膠改瀝青膠砂錐入度值最小，高溫性能最好，其次是20%膠改瀝青膠砂，最差的是SBS改性瀝青膠砂。隨著溫度升高，大摻量膠粉改性瀝青膠砂的變化趨勢較小，說明大摻量膠改瀝青膠砂對溫度的敏感性不強，可以改善瀝青路面在高溫時因溫度變化產(chǎn)生的變形。

與錐入度值相比,抗剪強度更能反映瀝青膠砂隨溫度變化的趨勢和不同改性瀝青膠砂之間的性能差異，瀝青膠砂的抗剪強度如式(1)：

(1)

式中:τ為抗剪強度，kPa;Q為貫入質(zhì)量(錐針、連桿、砝碼及調(diào)重鋼球總質(zhì)量),g;h為錐入度，0.1 mm;α為錐針針尖角度，取30°。

通過計算抗剪強度如表6。

表6 抗剪強度數(shù)據(jù)

從表6中看出，3種瀝青膠砂試件抗剪強度都隨著溫度升高而降低。對每種瀝青膠砂試件，表5中60 ℃時錐入度比50 ℃的錐入度值相差甚小，只有幾毫米，在抗剪強度中就可以看出其差距明顯。錐入度試驗得到的抗剪強度能反映出不同瀝青膠砂試件的高溫性能差距。在50、60、70 ℃時30%膠改瀝青膠砂抗剪強度是SBS改性瀝青膠砂的1.4、1.5、3.2倍，說明隨著溫度的升高，30%膠改瀝青膠砂有更好的高溫性能；在50、60、70 ℃時30%膠改瀝青膠砂抗剪強度是20%膠改瀝青膠砂的1.5、1.5、1.2倍，說明隨著膠粉摻量的增加，可以提高瀝青膠砂的高溫性能。通過錐入度試驗可以很好的評價瀝青膠砂的高溫性能及變化規(guī)律，且試驗方法簡單易操作。

3 低溫彎曲試驗

冬季低溫引起開裂會直接影響瀝青路面使用品質(zhì)和壽命，瀝青混合料的抗開裂性能不僅取決于瀝青的性能,也取決于混合料的級配情況，細(xì)集料決定瀝青混合料的部分低溫性能，對瀝青膠砂的低溫性能研究尤為重要。通過低溫彎曲試驗得到抗彎拉強度和破壞最大彎拉應(yīng)變，可有效評價瀝青膠砂低溫性能[11-12]。

3.1 低溫彎曲試驗

筆者按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》相關(guān)瀝青混合料彎曲試驗規(guī)程進行3種不同瀝青膠砂低溫彎曲試驗，將試驗溫度控制在-10 ℃。

3.2 試驗結(jié)果與分析

在試驗過程中，當(dāng)SBS改性瀝青膠砂達(dá)到破壞狀態(tài)時，會發(fā)生脆響，隨后試件斷裂。30%膠改瀝青膠砂破壞時，響聲不脆，試件緩慢開裂，主要是因為膠粉改性瀝青在低溫下呈柔性，具有較強的抗彎拉強度，能有效地抵抗溫度應(yīng)變，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生。3種不同瀝青膠砂的試驗過程圖2。

通過圖2可知，3種瀝青膠砂破壞荷載相近，30%膠改瀝青膠砂試件的破壞荷載最大，抵抗變形能力最強，其破壞曲線為緩和曲線。20%膠改瀝青膠砂和SBS改性瀝青膠砂破壞曲線為折線，間接反映出30%膠改瀝青膠砂的柔性最好，通過式(2)～(4)對3種試件的抗彎強度，彎拉應(yīng)變和勁度模量進行計算，結(jié)果如表7。

表7 低溫彎曲試驗結(jié)果

(2)

(3)

(4)

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度，MPa；εB為試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變，με；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量，MPa；b，h為跨中斷面試件的寬度和高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件破壞時的跨中撓度，mm。

抗彎強度和破壞最大彎拉應(yīng)變可以用來表征瀝青膠砂試件低溫抗裂性能。從表7可知，30%膠改瀝青膠砂的最大彎拉應(yīng)變是SBS改性瀝青膠砂的1.8倍，表明30%膠改瀝青膠砂的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂，30%膠改瀝青膠砂的最大彎拉應(yīng)變是20%膠改瀝青膠砂的2.2倍。隨著膠粉的增加，可以有效的改善瀝青膠砂的低溫抗裂性能，抗彎強度亦可得到此結(jié)論。

4 結(jié) 論

筆者基于膠漿理論，通過對3種不同改性瀝青膠砂進行了高低溫試驗，得到以下結(jié)論：

1)隨著溫度的升高，瀝青膠砂的抗剪強度降低，高溫性能變?nèi)酰F入度試驗可以用來評價瀝青膠砂的高溫性能，該試驗操作簡單，試驗數(shù)據(jù)直觀，30%膠粉改性瀝青膠砂的高溫性能要優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂，增加膠粉摻量，可以增強大摻量瀝青膠砂的高溫性能。

2)抗彎強度和最大彎拉應(yīng)變可以用來表征瀝青膠砂的低溫抗裂性能，30%膠改瀝青膠砂的抗彎強度和彎拉應(yīng)變都大于SBS改性瀝青膠砂，說明30%膠粉改性瀝青膠砂的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂的，并且隨著膠粉摻量的增加，可以改善瀝青膠砂的低溫抗裂性能。

3)30%膠改瀝青膠砂對溫度的敏感性不強，可以改善瀝青路面在高低溫時因溫度變化帶來的變形。