高摻量細膠粉干法制備瀝青混合料的應(yīng)用

張筱莉

（山西交通控股集團有限公司 運城北高速公路分公司，山西 運城 044000）

瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，主要由瀝青結(jié)合料、填料和集料組成[1]。瀝青與填料在拌和過程中形成瀝青瑪蹄脂。填料與黏結(jié)劑的相互作用對瀝青混合料的力學性能有很大影響。許多研究表明填料的使用提高了瀝青混合料的疲勞壽命、水穩(wěn)定性和抗車轍性能[2-4]。

隨著汽車保有量的不斷增加，廢舊輪胎也越來越多，且輪胎易燃，是一種危險的火災(zāi)隱患，會產(chǎn)生對人體健康危害極大的有毒煙霧。因此，廢舊輪胎的處理已經(jīng)成為一個亟待解決的問題[5]。廢舊輪胎的處理，一般可分為3種主要方式：填埋處理、焚燒和回收。在瀝青路面中回收和利用廢舊輪胎是一種非常可行的方法[6]。廢舊輪胎經(jīng)加工后生成的細膠粉，用于瀝青混合料中，一般采用兩種工藝，即干法和濕法。在干法中，一般用碎橡膠顆粒（0.4～10 mm）代替細集料，而在濕法中，在制備瀝青混合料之前，細膠粉（0.075～1.2 mm）與瀝青先混合來制備橡膠改性瀝青，從而改變了原瀝青的流變性能。換言之，用膠粉對瀝青進行改性是這兩種方法的主要區(qū)別[7]。采用干法將細膠粉摻入瀝青混合料中明顯優(yōu)于濕法，因為更容易加工生產(chǎn)。此外，干法工藝允許使用更大比例的橡膠粉，從而更大程度地緩解了環(huán)境問題[8-9]。盡管如此，干法工藝的應(yīng)用普及程度低，是因為在熱拌瀝青混合料中采用膠粉（尤其是高摻量的膠粉）進行干法處理，會降低混合料的黏附性，從而導致抗裂性能下降。本研究的重點是通過實施悶料固化工藝和使用極細粒徑的橡膠粉來改善橡膠瀝青混合料性能。為此，采用粉末狀膠粉，分別按礦粉質(zhì)量的10%、30%和50%替代礦粉，通過車轍試驗、水穩(wěn)定性試驗研究了高摻量細膠粉瀝青混合料的路用性能。

1 材料與試驗設(shè)計

1.1 集料

表1 集料的技術(shù)指標

表2 AC-16級配曲線

集料使用石灰石碎石。表1列出了粗、細集料技術(shù)指標，表2為AC-16級配。

1.2 填料

本研究采用石灰石礦粉和細膠粉兩種填料。細膠粉通過低溫研磨技術(shù)生產(chǎn)，通過200目篩（篩孔粒徑0.075 mm）篩分后的通過率如表3所示。細膠粉的主要化學成分見表4。

表3 礦粉和細膠粉的技術(shù)指標

表4 細膠粉的主要化學成分

1.3 試樣制備

本研究采用SK-70瀝青，采用馬歇爾配合比設(shè)計方法，最佳瀝青用量為4.9%。為了進行對比，所有不同替代率細膠粉瀝青混合料均采用同樣的瀝青用量。試驗中，將細膠粉添加到加熱的集料中，然后干拌30 s。隨后加入熱瀝青，并在165℃下拌和。為了評估老化過程對膠粉瀝青混合料的影響，不同瀝青混合料分別進行了0 h、1 h和2 h的“悶料”過程，老化溫度為165℃。

2 試驗方法

根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTG E20—2011）中T0705—2011進行瀝青混合料的密度試驗。根據(jù)T0729—2000，采用凍融劈裂試驗方法檢測各種膠粉瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性。根據(jù)T0719—2011，在60℃下使用加載車輪在0.7 MPa條件下進行試驗，記錄車轍深度，并計算動穩(wěn)定度。

3 高摻量細膠粉體積特性與路用性能分析

3.1 體積特性

表5為瀝青混合料試件體積指標特性。從試樣的空隙率和密度結(jié)果可以看出，與無膠粉組相比，含有膠粉的瀝青混合料有著更高的空隙率，并且如預(yù)期的那樣，較高的膠粉比例導致了空隙率的增加。究其原因，膠粉瀝青混合料的空隙率較高可能是由于膠粉瀝青混合料的工作性較差，從而導致更難壓實。細膠粉粒徑與礦粉接近，作為填料在膠泥中分布更均勻。同時，粗膠粉顆粒的比表面積較小，與瀝青結(jié)合料的相互作用不充分，因此相容性不如細膠粉。此外，粗膠粉顆粒有可能作為彈性骨料，在壓實后表現(xiàn)出更大的彈性體積恢復趨勢，需要消耗更多的壓實功。

表5 瀝青混合料密度和體積特性

3.2 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖1 各種瀝青混合料的TSR值

現(xiàn)行公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40—2004）對潮濕區(qū)、濕潤區(qū)的浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度TSR要求大于80%，可以認為是普通瀝青混合料抗水損害的臨界值。從圖1可以看出，膠粉改性瀝青混合料的主要問題是易受水分損害。未經(jīng)悶料固化工藝的膠粉瀝青混合料不滿足要求，細膠粉作為填料的使用降低了瀝青混合料的間接拉伸強度。結(jié)果表明，悶料固化對材料的抗水損能力有積極的影響，悶料固化時間的延長可提高瀝青混合料的TSR值?？梢钥闯觯唇?jīng)過悶料固化的30%膠粉混合料的TSR值小于規(guī)范要求的值。通過對混合料進行2 h的悶料固化處理，30%膠粉瀝青混合料的TSR值達到規(guī)范要求。其他膠粉瀝青混合料也顯示出類似的悶料固化效果。10%+2 h瀝青混合料的TSR值為87.6%，而未摻膠粉瀝青混合料為84.8%，經(jīng)過悶料固化處理后，瀝青混合料滿足抗水損性要求。應(yīng)注意的是，使用50%膠粉作為填料對水損壞影響最大，即便進行悶料固化處理，其抗水損能力仍不滿足要求。

膠粉改性瀝青混合料性能的提高很大程度上取決于膠粉和瀝青之間的相互作用，在悶料固化過程中，膠粉受熱膨脹與瀝青之間的相互作用進一步增強，從而生成膠粉改性瀝青，提高了與集料的黏附強度。細膠粉具有更高的表面積，可以與瀝青產(chǎn)生更多的接觸面，發(fā)生更充分的相互作用。由此可以推斷，在干法配方設(shè)計中，以膠粉作為填料，其最大粒徑需要嚴格控制。同時采用悶料固化工藝和極細的橡膠粉可以有效地提高干法制備的膠粉改性瀝青混合料的性能，使其抗水損能力達到要求。

3.3 車轍試驗結(jié)果

圖2 不同瀝青混合料的車轍深度

圖3 不同瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由圖2和圖3可以看出，與無膠粉組相比，在瀝青混合料中加入30%細膠粉和50%細膠粉，混合料的抗車轍性能降低幅度較大。10%+2 h膠粉瀝青混合料車轍深度最小，50%膠粉瀝青混合料車轍深度最大。然而，當摻50%細膠粉混合料經(jīng)過2 h悶料固化工藝后，表現(xiàn)出比無膠粉瀝青混合料更好的抗車轍性能。瀝青混合料的抗車轍性能主要取決于集料的棱角度和礦料級配，同時瀝青與集料的黏附對瀝青混合料的車轍性能也有顯著影響。相比無膠粉瀝青混合料，隨著膠粉替代比例的提高，瀝青混合料的車轍深度逐漸增大，動穩(wěn)定度逐漸降低。在相同的摻量條件下，隨著膠粉瀝青混合料“悶料”時間的延長，車轍深度逐漸減小，而動穩(wěn)定度逐漸增大。這表明，細膠粉填料與悶料固化工藝配合使用，提高了瀝青混合料的塑性變形恢復能力。細膠粉同時改善了瀝青混合料的溫度敏感性，提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

為了提高干法制備瀝青混合料中膠粉的利用率，評價高摻量細膠粉作為瀝青混合料填料的可行性。通過室內(nèi)試驗，評價了不同細膠粉用量和悶料固化時間對瀝青混合料路用性能的影響。本研究得出以下結(jié)論：

a）根據(jù)TSR結(jié)果，進行悶料固化可以提高瀝青混合料的抗水損能力。10%+2 h和50%膠粉瀝青混合料的TSR值分別為最高和最低。使用細膠粉作為填料，其摻量比例應(yīng)有所限制。

b）由于悶料固化過程，瀝青和膠泥硬度增加，導致混合料的模量增加。2 h悶料固化過程使細膠粉填料能更好地與瀝青相互作用，提高了瀝青混合料的車轍性能。因此，建議在壓實前增加2 h悶料固化過程。