凌天清,肖 川,夏 瑋,武立超

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074）

近年來(lái),橡膠瀝青材料以其優(yōu)異的路用性能和顯著的環(huán)保意義而受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-4]。室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,各種目數(shù)及摻量的膠粉均能不同程度地提高瀝青的高溫性能指標(biāo),從膠結(jié)材料的角度來(lái)看,橡膠瀝青具備很好的高溫性能指標(biāo)。但是,將橡膠瀝青材料應(yīng)用到筑路工程中發(fā)現(xiàn)：由于橡膠瀝青與礦料在嵌擠過程中相互干擾,加之橡膠瀝青混合料的勁度模量較低,變形量大,在車輛反復(fù)作用下橡膠瀝青路面車轍明顯[5-6];在生產(chǎn)施工過程中,膠粉顆粒會(huì)繼續(xù)發(fā)育、溶脹,橡膠瀝青處于一種不穩(wěn)定狀態(tài),難以有效保障其混合料的高溫穩(wěn)定性[7-8]。此外,各國(guó)對(duì)于橡膠瀝青的應(yīng)用體系并不統(tǒng)一[2-3],在橡膠瀝青混合料的礦料級(jí)配,以及瀝青用量與礦粉添加量等方面差別較大,給橡膠瀝青混合料的高溫性能帶來(lái)很大的變異性。橡膠瀝青路面的高溫性能成為阻礙橡膠瀝青推廣應(yīng)用的一個(gè)難題。

該文綜合考慮橡膠瀝青及混合料的材料特性,選擇橡膠瀝青膠漿以及礦料級(jí)配作為研究對(duì)象,分析橡膠瀝青膠漿的粉膠比變化以及礦料的不同級(jí)配類型對(duì)橡膠瀝青混合料高溫路用性能的影響規(guī)律,以使橡膠瀝青混合料具備穩(wěn)定、優(yōu)異的高溫性能。

1 橡膠瀝青膠漿性能

對(duì)橡膠瀝青膠漿性能的研究,就是將瀝青與礦料中的填料均勻混合形成的膠結(jié)料作為影響瀝青混合料性能重要的一相,通過粉膠比,即0.075 mm以下部分礦粉質(zhì)量與瀝青質(zhì)量比不斷變換,以動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR試驗(yàn)）,分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)在高溫下的變化規(guī)律,確定橡膠瀝青與填料的合理比例。

1.1 橡膠瀝青膠漿的制備

1.1.1 材料性質(zhì)和組成 綜合道路等級(jí)、原材料價(jià)格、施工難易程度等因素,結(jié)合橡膠瀝青室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn),確定以SK 70#瀝青為母體基質(zhì)瀝青,內(nèi)摻20%的30目橡膠粉,制得橡膠瀝青。其性能指標(biāo)如表1所示。

瀝青膠漿中的填料分別選用重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P.O32.5R普通硅酸鹽水泥和重慶當(dāng)?shù)氐氖沂V粉,2種填料均滿足橡膠瀝青混合料用礦粉質(zhì)量要求[8]。

表1 橡膠瀝青指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.1.2 橡膠瀝青膠漿的制備方法 橡膠瀝青膠漿制備的關(guān)鍵在于保證填料與橡膠瀝青的充分融合,結(jié)合橡膠瀝青自身材料特性,擬定制備方法：先按文獻(xiàn)[8]規(guī)定的方法制備橡膠瀝青;然后將在烘箱中已烘至110℃的填料按不同粉膠比加入橡膠瀝青中,在180℃下均勻攪拌30m in后,立刻澆注樣品于試模中,進(jìn)行后續(xù)相關(guān)性能測(cè)試。為使瀝青膠漿均勻混合,保證混合質(zhì)量,每次制得的橡膠瀝青膠漿樣品需大于200 m L。

1.2 橡膠瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

橡膠瀝青和填料（水泥或礦粉）的粉膠比從0開始 ,以 0.4 為步長(zhǎng) ,取 0 、0.4 、0.8、1.2 、1.6 共 5 個(gè)不同的變化值,配制不同的橡膠瀝青膠漿,進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)分析,優(yōu)化粉膠比取值范圍,提高膠漿的高溫穩(wěn)定性。

DSR試驗(yàn)采用美國(guó)BOHLIN公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行。試樣直徑為25 mm,厚度為1 mm,震蕩速度為10 rad/s,大約 1.59 H z,試驗(yàn)方法為 AASHTO標(biāo)準(zhǔn) T 315-04,選擇抗車轍因子G＊/sinδ和相位角δ作為橡膠瀝青膠漿的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 橡膠瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

抗車轍因子G＊/sinδ越高,表明材料高溫時(shí)的 流動(dòng)變形越小,抗車轍能力越強(qiáng),采用它作為反映瀝青材料的永久變形性能的指標(biāo)。橡膠瀝青膠漿抗車轍因子的變化見圖1。

圖1 橡膠瀝青膠漿抗車轍因子的變化

通過表2和圖1,可以看出：

1）橡膠瀝青相比基質(zhì)瀝青而言,高溫性能得到明顯改善。同時(shí),在以水泥和石灰?guī)r礦粉為填料的橡膠瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中,不同種類橡膠瀝青膠漿的抗車轍因子不同,但其變化曲線相似,說明不同種類填料制得的橡膠瀝青膠漿雖然高溫穩(wěn)定性有差異,但是其隨粉膠比變化的規(guī)律是一致的。

2）隨著粉膠比的提高,抗車轍因子G＊/sinδ顯著提高。其原因可能是橡膠瀝青與填料充分混合的過程中,在填料表面形成一層擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜,提高了瀝青膠漿中結(jié)構(gòu)瀝青的比例,提高其粘結(jié)力和穩(wěn)定性,從而顯著改善了橡膠瀝青膠漿的高溫性能。

3）在相同粉膠比情況下,隨溫度不斷提高,橡膠瀝青膠漿的抗車轍因子迅速下降,說明橡膠瀝青瀝青膠漿作為一種以填料為分散相,均勻分散在高稠度橡膠瀝青瀝青介質(zhì)中的材料,具備明顯的感溫性能,高溫勁度隨溫度升高而下降。同時(shí),溫度越高,瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性隨粉膠比提高的幅度越小。

4）在相同溫度下,橡膠瀝青膠漿的抗車轍因子提高幅度,隨粉膠比的提高逐漸降低。當(dāng)粉膠比超過1.2后,橡膠瀝青膠漿的高溫性能處于較高水平,其高溫性能的提升趨勢(shì)逐漸趨于平緩。這是由于粉膠比過大,導(dǎo)致礦粉用量過多,難以均勻分散,加之瀝青用量不足,無(wú)法充分裹覆填料,影響了膠結(jié)料高溫穩(wěn)定性的提高。

5）水泥+橡膠瀝青所得膠漿的抗車轍因子在各種溫度下均高于礦粉+橡膠瀝青制得的膠漿?？梢钥闯?水泥作為高活性材料,具備更強(qiáng)的吸附力和穩(wěn)定性,因此對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的改善作用強(qiáng)于礦粉。

相位角δ是反映瀝青膠漿粘性成分和彈性成分相對(duì)值的一個(gè)指標(biāo)。δ越大,表明材料的粘性成分越多,抗車轍能力越弱。橡膠瀝青膠漿相位角的變化見圖2。

圖2 橡膠瀝青膠漿相位角的變化

通過表2和圖2,可以看出：

1）母體基質(zhì)瀝青加入橡膠粉制得的橡膠瀝青的相位角δ明顯減小,表明橡膠瀝青的彈性成分明顯提高,彈性性能很好。以橡膠瀝青作為混合料的膠結(jié)材料,使得瀝青混凝土在較高的使用溫度下,具有較大的彈性階段的工作能力,從而減少剩余變形積累,減緩車轍的產(chǎn)生和發(fā)展。

2）不同粉膠比的瀝青膠漿通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn),其相位角基本不變,說明粉膠比對(duì)瀝青膠結(jié)料的粘彈性影響較小,粉膠比的變化基本不改變橡膠瀝青膠漿的流變性能。

3）在相同粉膠比情況下,隨著溫度的提高,相位角δ逐步提高,說明橡膠瀝青膠漿也體現(xiàn)出粘彈性變換的流變學(xué)特性。

綜合而言：粉膠比的提高對(duì)橡膠瀝青膠漿抗車轍能力有顯著增強(qiáng),但對(duì)瀝青膠漿的粘彈性的影響作用不明顯。同時(shí),粉膠比對(duì)于橡膠瀝青高溫性能的提高并不是越高越好,過高的粉膠比不僅對(duì)高溫性能提高作用不顯著,還會(huì)使混合料各組成材料相互干涉,影響混合料施工和易性以及壓實(shí)成型效果。并且,考慮到橡膠瀝青中膠粉顆粒的存在,應(yīng)適當(dāng)降低粉膠比,控制在1.2以內(nèi)為宜。另外,采用水泥代替礦粉作為填料有助于提高高溫穩(wěn)定性。

2 橡膠瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化

研究表明[10],瀝青混合料的高溫抗車轍能力60%依賴于礦質(zhì)集料顆粒的嵌鎖作用,40%取決于瀝青結(jié)合料的粘結(jié)作用。合理的級(jí)配類型,往往能夠形成嵌擠骨架結(jié)構(gòu),體現(xiàn)出較高的抗車轍能力。文章將結(jié)合橡膠瀝青的材料特性,以高溫性能為重點(diǎn),對(duì)橡膠瀝青混合料的級(jí)配進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

2.1 級(jí)配類型的選擇

相對(duì)于常規(guī)改性劑（SBS,SBR等）,橡膠粉顆粒較粗,從結(jié)構(gòu)上看會(huì)在一定程度上影響瀝青混合料中礦料的嵌擠狀態(tài)。為適應(yīng)橡膠瀝青的特性,在橡膠瀝青的級(jí)配選擇上通常需要減少細(xì)集料和礦粉的比例,使礦料間隙率VMA增大,為橡膠瀝青提供足夠的填充空間,避免嵌擠過程中發(fā)生干涉作用,影響混合料的穩(wěn)定性。

研究選擇斷級(jí)配AR-AC-13（亞利桑那州橡膠瀝青混合料級(jí)配[2]）,SMA-13（傳統(tǒng)瀝青瑪蹄脂碎石混合料）和AC-13（傳統(tǒng)連續(xù)密級(jí)配）3種級(jí)配進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),從中選擇出使得橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最好的級(jí)配類型。級(jí)配曲線對(duì)比見圖3。

圖3 級(jí)配曲線對(duì)比

采用室內(nèi)的車轍試驗(yàn)是橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的主要評(píng)價(jià)方法,采用動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形雙重的控制指標(biāo),目的是強(qiáng)化對(duì)混合料高溫性能的控制[8],對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表3[9]。

表3 不同級(jí)配組成的橡膠瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

注：參考交通部《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》[8]中關(guān)于重載交通與特重交通橡膠瀝青路面高溫性能的要求,確定橡膠瀝青混合料（如 AR-AC-13或 AR-OSM A-13）動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為3 500次/mm,相對(duì)變形指標(biāo)由動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形的回歸關(guān)系選定為3.1%。以橡膠瀝青為膠結(jié)料的傳統(tǒng)SMA-13與傳統(tǒng) AC-13依然采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的技術(shù)要求[11]。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1）以橡膠瀝青作膠結(jié)料的SMA-13高溫穩(wěn)定性最好,美國(guó)亞利桑那州斷級(jí)配AR-AC-13次之,傳統(tǒng)連續(xù)密級(jí)配AC-13混合料的高溫穩(wěn)定性最差。

2）試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了傳統(tǒng)連續(xù)密級(jí)配AC-13這種懸浮-密實(shí)型混合料不適合橡膠瀝青材料特性的發(fā)揮,會(huì)導(dǎo)致橡膠瀝青混合料難以充分壓實(shí)成型,沒有為橡膠瀝青膠結(jié)料提供足夠的變形空間,高溫性能不佳。

3）AR-AC-13斷級(jí)配主要是通過增加高粘度橡膠瀝青結(jié)合料用量,減少細(xì)集料,特別是礦粉用量,增加礦料間隙率,提高骨架結(jié)構(gòu)作用,從而提高路用性能。但是,在本次試驗(yàn)過程中,這種典型的“S”型斷級(jí)配類型并沒有達(dá)到預(yù)想的效果,高溫穩(wěn)定性依然不足。其原因可能是缺乏礦粉填料,即粉膠比過低而造成橡膠瀝青混合料的高溫性能不足,但也不排除是由于原材料性能差異,以及各工藝條件（橡膠瀝青生產(chǎn)工藝、壓實(shí)成型效果等）而導(dǎo)致混合料高溫性能達(dá)不到要求。

4）相對(duì)AR-AC-13橡膠瀝青混合料而言,按照SMA-13級(jí)配中值成型的橡膠瀝青混合料,礦粉添加量明顯增加,相應(yīng)降低了瀝青用量,在高溫車轍試驗(yàn)中表出良好的高溫穩(wěn)定性能。但是其試驗(yàn)指標(biāo)還不能夠完全滿足橡膠瀝青混凝土在高等級(jí)道路中應(yīng)用的要求（動(dòng)穩(wěn)定度≥3 500次/mm）,仍需要改善與提高。

綜合試驗(yàn)結(jié)果,采用SMA-13進(jìn)行橡膠瀝青混合料高溫性能優(yōu)化研究。

2.2 AR-SM A-13級(jí)配優(yōu)化調(diào)整

研究以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[11]中的規(guī)定的細(xì)粒式瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13級(jí)配范圍為基礎(chǔ),合理選擇影響因素,對(duì)AR-SMA-13混合料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化研究。

主要考慮以下幾方面：1）充分發(fā)揮SM A骨架優(yōu)勢(shì),盡量控制粗集料比例不變,這樣既保持了SMA原有的良好骨架性質(zhì),又達(dá)到簡(jiǎn)化試驗(yàn)影響因素的目的;2）通過瀝青膠漿性能的研究,得知橡膠瀝青的粉膠比范圍與普通SMA（1.6～1.8左右）[10]相比明顯減小。因此需對(duì)傳統(tǒng)SMA填料比例進(jìn)行調(diào)整;3）2.36 mm篩孔作為SM A-13礦料的關(guān)鍵性篩孔,其變化對(duì)瀝青混合料各體積參數(shù)的影響作用并不顯著,可有效減小體積指標(biāo)變異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,便于試驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)。

綜上所述,研究選擇0.075mm與2.36 mm 2檔篩孔進(jìn)行級(jí)配調(diào)整,將0.075 mm篩孔的通過率由級(jí)配中值 10%調(diào)整為8%和6%,對(duì)應(yīng)改變了2.36 mm的通過率,即4.75～2.36mm與礦粉2檔料的比例,其他各粒徑的比例仍然符合SMA-13的規(guī)范中值。8%礦粉比例表示為級(jí)配Ⅰ,6%礦粉比例的表示為級(jí)配Ⅱ,見表4。

2.3 AR-SMA-13最佳油石比確定

橡膠瀝青以SK 70#瀝青為母體基質(zhì)瀝青,內(nèi)摻20%的30目橡膠粉生產(chǎn)制得,其性能見表1;粗集料為玄武巖,為增強(qiáng)橡膠瀝青與礦料的粘附性,細(xì)集料采用石灰?guī)r;填料采用P.O32.5R普通硅酸鹽水泥。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.4 高溫性能檢驗(yàn)

結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)分別確定的3種級(jí)配的最佳油石比,分別成型車轍試件,進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),檢驗(yàn)調(diào)整后的混合料高溫性能,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表4 礦料級(jí)配調(diào)整

表5 橡膠瀝青混合料最佳油石比的確定

表6 高溫性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,經(jīng)過優(yōu)化的AR-SMA-13Ⅰ即調(diào)整礦粉比例為8%的混合料具備最好的高溫穩(wěn)定性,它能夠滿足橡膠瀝青混凝土在高等級(jí)道路中應(yīng)用的高溫穩(wěn)定性要求。說明適當(dāng)調(diào)整SM A級(jí)配類型,既保證了AR-SMA-13的骨架特性,又適應(yīng)了橡膠瀝青的材料特性,優(yōu)化AR-SMA-13的高溫性能是可行的。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究與分析,可得出以下結(jié)論：

1）填料可明顯改善橡膠瀝青膠漿的高溫性能,但填料比例不是越高越好,過高的粉膠比不僅對(duì)高溫性能提高作用不顯著,還會(huì)影響混合料施工和易性及碾壓成型效果,橡膠瀝青膠漿的粉膠比在1.2左右能保證其高溫性能;

2）由于水泥是具有高活性的堿性材料,以它作為填料,對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的改善作用強(qiáng)于礦粉。橡膠瀝青混合料可用水泥代替礦粉,以提高混合料的高溫穩(wěn)定性;

3）橡膠瀝青膠漿作為一種粘彈性材料,其相位角δ不會(huì)隨粉膠比變化而發(fā)生改變,即填料的增加不會(huì)改變橡膠瀝青膠漿的粘彈性質(zhì);

4）就高溫性能的研究來(lái)看,AR-SMA-13的高溫穩(wěn)定性最好,斷級(jí)配AR-AC-13次之,傳統(tǒng)密級(jí)配AC-13最差。

5）基于SMA混合料級(jí)配,適當(dāng)調(diào)整AR-SMA-13混合料的規(guī)范級(jí)配,可優(yōu)化得到AR-OSMA-13級(jí)配,改善橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

[1]楊志峰,李美江,王旭東.廢舊橡膠粉在道路工程中應(yīng)用的歷史和現(xiàn)狀[J].公路交通科技,2005,22（7）：19-22.

YANG ZHI-FENG,LI M EI-JIANG,WANG XUDONG.The history and status of rubber powder used in road-building[J].Journal of M aterial in Civil Engineering,2005,22（7）：19-22.

[2]孫祖望,陳飆.橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社,2007.

[3]王旭東,李美江,路凱冀,等.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.

[4]JUNAN SHEN,SERJI AM IRKHANIAN.The influence of crumb rubber modifier（CRM）m icrostructures on the high temperature properties of CRM binders[J].The International Journal of Pavement Engineering,2005,6（4）：265-271.

[5]THOM AS BENNERT,ALI MAHER,JOSEPH SM ITH.Evaluation of Crumb Rubber in Hot M ix Asphalt[R].2004.

[6]HORODECKA R,KALABINSKA M,PILAT J,etal,U tilization of scrap rubber for bitumen and asphalt concrete mod in Poland[C]//Asphalt Rubber 2000-Proceeding,Portugal,2000：273-285

[7]Rubber Pavement Association.How to sell asphaltrubber,marketing w orkshop[G].Paradise Valley,A rizona,2000.

[8]交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南[M].北京：人民交通出版社.2008.

[9]夏瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2009.

[10]路學(xué)元,張素云,鄭南翔,等.瀝青膠漿（SMA）實(shí)驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,29（7）：894-897.

LU XUE-YUAN,ZHANG SU-YUN,ZH ENG NANXIANG,et al.Study on testmethods of SMA mortar and its evaluation indexes[J].Journal of Hefei University of Technology：Natural Science Edition,2006,29（7）：894-897.

[11]JTG F40-2000公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[12]張爭(zhēng)奇,張衛(wèi)平,李平.瀝青混合料粉膠比[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2004,24（5）：7-10.ZHANG ZHENG-QI,ZHANGWEI-PING,LIPING.Ratio o f filler bitumen of asphaltm ixture[J].Journal of Chang'an University：Natural Science Edition,2004,24（5）：7-10.

[13]吳玉輝.礦粉含量對(duì)瀝青膠漿性能的影響研究[J].公路交通科技,2008,25（9）：35-38.

WU YU-HU I.Research of influence of performance of asphaltmortar with different slag contents[J].Journal of Material in Civil Engineering,2008,25（9）：35-38.

[14]劉麗,郝培文,肖慶一,等.瀝青膠漿高溫性能及評(píng)價(jià)方法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,27（5）：30-34.

LIU LI,HAO PEI-W EN,XIAO QING-YI,et al.H igh tem perature p roperties and evaluation method of asphaltmortar[J].Journal of Chang'an University：Natural Science Edition,2007,27（5）：30-34.

[15]武立超.橡膠瀝青在SMA中的應(yīng)用[D].重慶：重慶交通大學(xué),2009.

[16] State o f California Department o f Transportation,Asphalt Rubber Usage Guide[M].2003.

[17]GOEDON AIREY,MUJIBUR RAHMAN.The influence of crude source and penetration grade on the interaction of crumb rubber and bitumen[C]//Asphalt Rubber 2003-Proceeding,2003.12

[18]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.

（編輯胡英奎）