黃衛(wèi)東,王 偉,黃 巖,李彥偉

橡膠瀝青混合料由于其突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì)和足夠的高溫穩(wěn)定性, 已逐步在國(guó)內(nèi)道路工程中得到應(yīng)用[1].與其他改性瀝青混合料相比,橡膠瀝青混合料膠粉摻量大,膠粉與基質(zhì)瀝青改性機(jī)理有所不同.以亞利桑那州橡膠瀝青規(guī)范為例, 同時(shí)具有以下特點(diǎn)[2]:①油石質(zhì)量比高,一般為7.0%～8.5%,對(duì)于一般瀝青混合料,如此高的用油量,其高溫穩(wěn)定性能難以保證;②級(jí)配中允許不摻加礦粉(小于0.075 mm的細(xì)料),而一般瀝青混合料中礦粉對(duì)于提升高溫穩(wěn)定性、防止析漏、填充空隙等作用顯著;③混合料的設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率達(dá)到4.5%～6.5%,較一般瀝青混合料大1%～2%.常規(guī)瀝青混合料的研究表明,較大的空隙率可能導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性下降、抗水損能力減弱.筆者針對(duì)橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的擔(dān)憂,采用車轍試驗(yàn)及浸水車轍試驗(yàn),對(duì)其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,并據(jù)此對(duì)橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素及影響程度進(jìn)行了比較與研究.

1 試驗(yàn)方法與方案

1.1 橡膠瀝青

對(duì)橡膠瀝青的改性采用濕法(w et process)工藝,即在185 ±5 ℃下, 用強(qiáng)力攪拌器以250 r ·min-1轉(zhuǎn)速將瀝青與橡膠粉混合攪拌90 min,橡膠粉的摻量為橡膠瀝青質(zhì)量的19%.基質(zhì)瀝青采用加德士70#,埃索70#,中海70#,河北宏潤(rùn)70#,東海金山70#,盤錦90#、加德士90#等7 種型號(hào).橡膠粉選用4 種膠粉,產(chǎn)地分別為上海、河北、四川、南京,其中,上海與河北的膠粉為大貨車子午胎膠粉,四川與南京的膠粉為非大貨車膠粉.膠粉細(xì)度以20 目為主,南京膠粉還包括60 和80 目?jī)煞N細(xì)度.橡膠改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果見表1 所示.

表1 用于試驗(yàn)研究的橡膠瀝青常規(guī)指標(biāo)Tab.1 Conventional requirement of asphalt rubber

1.2 集料與級(jí)配

集料包括江蘇茅迪玄武巖和江蘇溧陽石灰?guī)r兩種,篩分成13.20 ～9.50,9.50 ～4.75,4.75 ～2.36,2.36 ～0.075 等4 檔.對(duì)壓碎值、磨耗值、針片狀含量等指標(biāo)的測(cè)試表明,所用集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求.

由于我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)、施工規(guī)范中尚無橡膠瀝青混合料專用級(jí)配的技術(shù)要求,因此,在級(jí)配選擇上參考了國(guó)外的經(jīng)驗(yàn).橡膠瀝青的粘度較大,在集料表面所形成的油膜較厚,因此,國(guó)外在膠粉摻量較大的情況下,級(jí)配選擇上比較傾向于細(xì)料較少的間斷級(jí)配,而且往往選擇具有較大空隙率的半開級(jí)配,其中又以美國(guó)亞利桑那州推薦的間斷級(jí)配為代表[2-3].筆者參考亞利桑那州的間斷級(jí)配范圍,選擇了粗、中、細(xì)三種級(jí)配;為了對(duì)比分析,還增加了目前常用的連續(xù)級(jí)配(AC-13)和間斷級(jí)配(SMA-13)兩種形式.在試件成型中,4.75 mm 以上的粗集料選擇玄武巖,4.75 mm 以下選擇石灰?guī)r.選用的各種級(jí)配如表2 所示.

表2 試驗(yàn)中選用的各種級(jí)配(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Aggregate gradations in the test(quality percenrage) %

1.3 車轍試驗(yàn)

根據(jù)車轍試驗(yàn)要求, 需在試驗(yàn)室中成型300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板試件(壓實(shí)40次).考慮到道路攤鋪時(shí)混合料存在短期老化的實(shí)際情況,在試件成型時(shí)先將新拌橡膠瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤,放入165±5 ℃的烘箱中,短期老化2 h±5 min 后再成型.

各種級(jí)配橡膠瀝青混合料最佳油石質(zhì)量比采用馬歇爾法確定.拌和溫度為170 ～175 ℃,雙面75 次擊實(shí),擊實(shí)溫度為155 ～160 ℃.用計(jì)算法求得混合料的最大理論密度,試件的毛體積密度采用水中重法測(cè)定.5 種級(jí)配混合料的目標(biāo)空隙率與最佳油石質(zhì)量比如表3 所示.

表3 混合料的油石質(zhì)量比與空隙率Tab.3 Asphalt-stone ratios and air voids of mixtures

為了在混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中考慮水的影響,在試驗(yàn)研究中補(bǔ)充了浸水車轍試驗(yàn).即根據(jù)各自的最佳油石質(zhì)量比成型車轍試件,常溫下靜置48 h后,在車轍試驗(yàn)機(jī)的恒溫(60 ℃)水槽中浸水2 h,然后再進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn).

1.4 試驗(yàn)方案

可能影響橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素包括基質(zhì)瀝青的品質(zhì)、膠粉(包括膠粉來源、目數(shù)、摻量)、級(jí)配形式、油石質(zhì)量比、空隙率等.由于影響因素多,如果分析多因素的綜合影響,一方面室內(nèi)試驗(yàn)的工作量很大,另一方面由于各因素之間可能存在耦合影響,導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差.因此,采用單因素對(duì)比分析方法,即在分析某一影響因素時(shí),在試驗(yàn)方案中將其他影響因素盡可能地統(tǒng)一,從而分析該因素的變化對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響程度.為此,針對(duì)上述影響因素分別設(shè)計(jì)了8 個(gè)對(duì)比試驗(yàn)方案.車轍動(dòng)穩(wěn)定度原始數(shù)據(jù)參見附件及參考文獻(xiàn)[4] .

2 膠結(jié)料對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響

2.1 基質(zhì)瀝青的影響

針對(duì)7 種不同的基質(zhì)瀝青,試驗(yàn)了27 組常規(guī)車轍.膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(上海與河北的20目膠粉),膠粉摻量為19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),后同),混合料級(jí)配為AR-AC-13 粗(油石質(zhì)量比為8%,空隙率為5.4%).試驗(yàn)結(jié)果見表4,對(duì)比情況見圖1.

圖1 基質(zhì)瀝青對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響對(duì)比Fig.1 Dynamic stability comparison of different base asphalts

將7 種不同基質(zhì)瀝青混合料常規(guī)車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),變異系數(shù)為15%,變異水平屬于動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)的偏高水平.試驗(yàn)結(jié)果表明,中海(70#)和宏潤(rùn)(70#)動(dòng)穩(wěn)定度相差30%以上.說明不同基質(zhì)瀝青對(duì)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有一定程度的影響.

表4 基質(zhì)瀝青對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.4 Influence of base asphalts on high-temperature performance

2.2 膠粉的影響

在大比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%)摻入膠粉的情況下,膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫狀態(tài)下(180 ℃以上)通過物理反應(yīng)(融脹),在顆粒表面將形成瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜, 融脹后橡膠粉體積達(dá)到膠結(jié)料的近40%[5],因此,膠粉性質(zhì)的變化將對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響.為此,筆者設(shè)計(jì)了3 個(gè)對(duì)比試驗(yàn)方案,分別用于比較膠粉來源、細(xì)度、摻量對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響.混合料級(jí)配為AR-AC-13 粗(油石質(zhì)量比8%,空隙率5.4%),膠粉摻量為19%(膠粉摻量分析方案除外),基質(zhì)瀝青為加德士70#.

在膠粉來源的影響分析中,針對(duì)4 個(gè)不同產(chǎn)地、2 種不同來源的膠粉所制備的混合料進(jìn)行了18 組常規(guī)車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表5 所示,對(duì)比情況見圖2.

表5 膠粉來源對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.5 Influence of crumb rubber sources on high-temperature performance

可以看出,一方面不同來源的膠粉(上海、河北的大貨車子午胎,以及南京、四川的非大貨車子午胎)對(duì)于混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響非常顯著,4 個(gè)產(chǎn)地膠粉所制備混合料動(dòng)穩(wěn)定度的變異系數(shù)達(dá)到了43%;另一方面,相同來源膠粉(上海與河北,南京與四川)之間,動(dòng)穩(wěn)定度的變化非常小.由于大貨車膠粉富含天然橡膠,對(duì)瀝青性能的改善效果更加明顯,因此,在橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)中建議使用該類膠粉.

圖2 膠粉來源對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響對(duì)比Fig.2 Relationship between dynamic stability and crumble rubber source

在膠粉細(xì)度的影響分析中,采用20,60,80 目等3 種細(xì)度的南京膠粉進(jìn)行了9 組常規(guī)車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表6.不同細(xì)度膠粉動(dòng)穩(wěn)定度的變異系數(shù)僅9%.可以看出,在20 ～80 目的細(xì)度范圍內(nèi),膠粉細(xì)度的變化對(duì)于混合料高溫穩(wěn)定性的影響較小,但是,實(shí)際應(yīng)用中存在由較細(xì)膠粉制備的橡膠瀝青隨存貯時(shí)間延長(zhǎng),177 ℃粘度下降較快的現(xiàn)象,需要注意.

表6 膠粉細(xì)度對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.6 Influence of crumb rubber size/gradations on high-temperature

限于備料不足等原因,在膠粉摻量影響的試驗(yàn)研究中,僅針對(duì)17%和19%兩種摻量,采用20 目上海膠粉進(jìn)行12 組常規(guī)車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 膠粉摻量對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.7 Influence of crumb rubber content on high-temperature performance

可以看出,膠粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從17%增加到19%,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加了18%,影響還是比較顯著的.針對(duì)20 目貨車輪胎膠粉、70#道路石油瀝青情況,曹榮吉等進(jìn)行了膠粉摻量對(duì)于橡膠瀝青粘度的影響的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示[6].可以看出,膠粉摻量對(duì)于粘度的影響并不是線性的,隨著摻量從18%增加到20%,橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度快速增長(zhǎng).

筆者在橡膠瀝青高溫性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與橡膠瀝青的177 ℃粘度之間具有良好的線性相關(guān)性(見圖3).據(jù)此推斷,膠粉摻量的增加對(duì)于混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響非常顯著.這主要是由于隨著膠粉摻量的增加,橡膠瀝青粘度增加,進(jìn)而造成混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增加.

圖3 旋轉(zhuǎn)粘度與動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)關(guān)系(177℃)Fig.3 Relationship between 177℃apparent viscosity and dynamic stability

表8 不同膠粉摻量情況下橡膠瀝青的粘度(177℃,20 r·min-1)Tab.8 177℃viscosities for different crumb rubber contents

3 級(jí)配、油石質(zhì)量比及空隙率對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響

3.1 級(jí)配的影響

在級(jí)配的影響分析中,膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(20 目),膠粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為19%.考慮到基質(zhì)瀝青對(duì)于混合料高溫穩(wěn)定性的影響很小,因此,在對(duì)比試驗(yàn)中沒有對(duì)瀝青品牌進(jìn)行限制(即選擇了7種品牌的基質(zhì)瀝青).混合料方面選擇了5 種級(jí)配(見表2),分別進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn),根據(jù)各自的目標(biāo)空隙率確定了最佳油石質(zhì)量比.45 組常規(guī)車轍試驗(yàn)的結(jié)果見表9 所示,對(duì)比情況見圖4.

在最佳油石質(zhì)量比的情況下,5 種不同級(jí)配混合料常規(guī)動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)為7%.一方面說明在級(jí)配中礦粉的含量(粒徑小于0.075 mm 細(xì)料)對(duì)于橡膠瀝青混合料高溫性能的影響并不顯著,另一方面說明間斷級(jí)配與連續(xù)級(jí)配相比,高溫穩(wěn)定性并沒有明顯的優(yōu)勢(shì),而且各種級(jí)配的橡膠瀝青混合料均可以滿足改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的一般要求.

表9 不同級(jí)配對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.9 Influence of gradation on high-temperature performance

為了進(jìn)一步分析級(jí)配對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響,研究中進(jìn)行了不同級(jí)配情況下混合料常規(guī)車轍試驗(yàn)與浸水車轍試驗(yàn)的對(duì)比分析.試驗(yàn)中膠粉仍為大貨車子午胎膠粉,摻量為19%,基質(zhì)瀝青統(tǒng)一為加德士70#,選擇了AR-AC-13 粗、AR-AC-13 中、AC-13、SMA-13 共4 種級(jí)配,其中AR-AC-13 粗混合料降低了油石質(zhì)量比,以分析驗(yàn)證哪種級(jí)配更加適用于橡膠瀝青.浸水車轍對(duì)比試驗(yàn)共進(jìn)行了24 組,結(jié)果見表10 所示,對(duì)比情況見圖5.

對(duì)比試驗(yàn)中,AR-AC-13 粗級(jí)配的浸水車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的下降幅度很大(僅略好于AC-13),主要是由于其油石質(zhì)量比大大低于最佳油石質(zhì)量比(8%),造成混合料中瀝青含量的相對(duì)不足.其他采用最佳油石質(zhì)量比的不同級(jí)配混合料中,不含礦粉的“AR-AC-13”中級(jí)配的混合料浸水車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的下降幅度最小,原因可能與瀝青膜的厚度有關(guān)系.其他2 種級(jí)配由于礦粉的存在,增加了集料的比表面面積,從而減少了裹覆集料的瀝青膜厚度.

圖4 不同級(jí)配對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響對(duì)比Fig.4 Dynamic stability comparison under different gradations

表10 不同級(jí)配混合料常規(guī)車轍與浸水車轍試驗(yàn)的對(duì)比Tab.10 Conventional and immersion rutting test results of mixtures under different gradations

圖5 不同級(jí)配常規(guī)與浸水車轍試驗(yàn)的對(duì)比Fig.5 Comparison of conventional and immersion rutting test results under different gradations

3.2 油石質(zhì)量比的影響

在油石質(zhì)量比的影響分析中,膠粉選擇上海20目(摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為19%),級(jí)配形式為AR-AC-13 粗,基質(zhì)瀝青為加德士70#,油石質(zhì)量比選擇了包括最佳油石質(zhì)量比在內(nèi)的6 種,共進(jìn)行了21 組常規(guī)車轍試驗(yàn),結(jié)果見表11,油石質(zhì)量比變化趨勢(shì)擬合曲線見圖6.

混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著油石質(zhì)量比的增加基本上表現(xiàn)為線性下降的趨勢(shì),而且相關(guān)性很好.如果以動(dòng)穩(wěn)定度大于280 0次·mm-1控制混合料的最大油石質(zhì)量比,則對(duì)于本試驗(yàn)的材料和工藝條件,最大油石質(zhì)量比建議小于8.9%.從油石質(zhì)量比對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響趨勢(shì)擬合情況還可看出,如果為了增加動(dòng)穩(wěn)定度而降低油石質(zhì)量比(假定因油石質(zhì)量比變化引起混合料其他性能的衰減仍處于可接受的范圍之內(nèi)),那么,當(dāng)油石質(zhì)量比低于最佳油石質(zhì)量比時(shí),因油石質(zhì)量比降低引起動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)的斜率遠(yuǎn)小于油石質(zhì)量比大于最佳油石質(zhì)量比的階段,兩個(gè)階段動(dòng)穩(wěn)定度受油石質(zhì)量比變化的影響斜率比值為1 ∶6.5,因此,這種做法并不“經(jīng)濟(jì)”.

表11 油石質(zhì)量比對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.11 Influence of asphalt-stone ratio on high-temperature performance

圖6 油石質(zhì)量比變化趨勢(shì)擬合曲線Fig.6 Fitting curve for variation of asphalt-stone ratio

3.3 空隙率的影響

對(duì)于空隙率對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響,對(duì)比試驗(yàn)采用了“A R-AC-13 粗”和“SMA-13”兩種級(jí)配形式.前者選擇上海20 目膠粉,后者選擇了河北20 目膠粉,基質(zhì)瀝青為加德士70#, 摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為19%,共進(jìn)行了15 組常規(guī)車轍試驗(yàn),結(jié)果見表12 和圖7 所示.可以看出,與其他改性瀝青混合料相似,動(dòng)穩(wěn)定度隨著空隙率的增加而下降,而且下降幅度比較明顯, 并隨著級(jí)配形式的不同而存在一定的差異.

表12 空隙率對(duì)于高溫穩(wěn)定性的影響Tab.12 Influence of air void on high-temperature performance

圖7 空隙率對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的影響Fig.7 Influence of air void on dynamic stability

4 小結(jié)

(1)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定受到基質(zhì)瀝青品質(zhì)差異影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,最大差異達(dá)到了30%;受膠粉性質(zhì)的影響則非常顯著,且以膠粉來源和膠粉摻量這兩個(gè)因素的影響為主.對(duì)于橡膠瀝青混合料,建議采用大貨車子午胎膠粉進(jìn)行改性,并應(yīng)合理控制膠粉的摻量.

(2)浸水車轍對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明,礦粉比例低且細(xì)料較少的間斷級(jí)配形式,其橡膠瀝青混合料浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果更好, 表明其有更好的抗水損害能力.

(3)與其他改性瀝青混合料相似,橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性受油石質(zhì)量比與空隙率變化的影響較顯著,因此,應(yīng)嚴(yán)格控制混合料的空隙率;對(duì)于本試驗(yàn)的材料和工藝條件, 建議油石質(zhì)量比小于8.9%.

由于試驗(yàn)數(shù)量的限制,研究成果尚待進(jìn)一步試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的驗(yàn)證與修正.作為試驗(yàn),研究成果對(duì)橡膠瀝青混合料的實(shí)際應(yīng)用僅作為技術(shù)參考.

[ 1] 王旭東,李美江, 路凱冀.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)[ M] .北京:人民交通出版社,2008.WANG Xudong,LI Meijiang,LU Kaiji.T he applied technology of the crumb rubber in the asphalt and mixture[ M] .Beijing:China Communications Press ,2008.

[ 2] Arizona Department of Transportation.Standard specifications for road&bridge construction[ S] .Phoenix:[ s.n.] ,2000.

[ 3] 呂偉民,孫大權(quán).瀝青混合料設(shè)計(jì)手冊(cè)[ M] .北京:人民交通出版社,2007.LV Weimin,SUN Daquan.Asphalt mixtures design manual[ M] .Beijing:China Communications Press,2007.

[ 4] 王偉.橡膠瀝青混合料高溫性能研究[ D] .同濟(jì)大學(xué)交通與運(yùn)輸工程學(xué)院,2008.WANG Wei.Study on high temperature performance of asphalt rubber mixture[ D] .Shanghai:T ongji University.College of T ransport Engineering,2008.

[ 5] 黃文元,張隱西.道路路面用橡膠瀝青的性能特點(diǎn)與指標(biāo)體系[ J] .中南公路工程,2007,32(1):111.HUANG Wenyuan,ZHANG Yinxi.T he technical criteria frame of pavement used asphalt rubber in China[ J] .Journal of Central South Highway Engineering,2007,32(1):111.

[ 6] 曹榮吉,陳榮生.橡膠瀝青工藝參數(shù)對(duì)其性能影響的試驗(yàn)研究[ J] .東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,38(2):269.CAO Rongji, CHEN Rongsheng.Laboratory study on process parameters of asphalt rubber and their effects on performance[ J] .Southeast University Journal:Natural Science,2008,38(2):269.