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， 石家莊　050091)

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橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性及改善措施研究

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， 石家莊050091)

摘要：通過多養(yǎng)護(hù)循環(huán)及混合料短期老化后的凍融劈裂和肯塔堡飛散試驗(yàn)，對(duì)摻入2.5%橡膠顆粒瀝青混合料(70號(hào)瀝青)的耐久性進(jìn)行研究，提出添加鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)來提高橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的技術(shù)措施，并將70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料與SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的耐久性，ASA能有效提高橡膠顆粒瀝青混合料抗飛散損失的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；采用粘度較大的SBS改性瀝青對(duì)提高橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的有效性有待驗(yàn)證；短期老化試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的合理性有必要進(jìn)一步討論。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋁酸酯偶聯(lián)劑；橡膠顆粒；瀝青混合料；耐久性

橡膠顆粒瀝青混合料技術(shù)被認(rèn)為是一種可有效解決瀝青路面積雪結(jié)冰問題的方法[1-2]。橡膠顆粒的加入一方面改變了混合料內(nèi)部各組成材料間的接觸狀態(tài)；另一方面，橡膠顆粒與瀝青、礦料之間的粘附性也存在不足，導(dǎo)致橡膠顆粒瀝青混合料路用性能下降，易出現(xiàn)松散、剝落等早期破壞，影響耐久性[3-4]。因此，在保證橡膠顆粒瀝青混合料除冰雪性能的前提下，通過改善橡膠顆粒與瀝青及礦料間的界面接觸狀態(tài)來提高其耐久性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料耐久性的研究較少，張洪偉[1]采用修正的短期老化凍融劈裂強(qiáng)度比來表征橡膠顆粒瀝青混合料的抗老化性能，通過加速磨耗后的擺值及磨耗深度來評(píng)價(jià)橡膠顆粒瀝青混合料的磨耗耐久性。黨松洋[5]通過凍融循環(huán)條件下試件的空隙率及劈裂強(qiáng)度來研究橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性。日本學(xué)者[6]通過不同曝露時(shí)間后混合料的動(dòng)穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性。王佳蓉等[7]通過摻加高粘改性劑TPS來改善橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性，并采用標(biāo)準(zhǔn)浸水馬歇爾、凍融劈裂及浸水飛散試驗(yàn)對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料的耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文在總結(jié)、分析已有研究的基礎(chǔ)上，采用多養(yǎng)護(hù)循環(huán)及混合料短期老化后的凍融劈裂試驗(yàn)及肯塔堡飛散試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的抗水損害及抗松散、剝落耐久性，介紹如何通過在混合料中添加鋁酸酯偶聯(lián)劑來改善橡膠顆粒與瀝青及礦料之間的粘結(jié)效果，提高其抗松散能力，并將70號(hào)瀝青與SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

1原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1原材料

1.1.1集料

試驗(yàn)所用粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為礦粉，各檔礦料技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

1.1.2瀝青

試驗(yàn)所用的70號(hào)基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青其技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

1.1.3橡膠顆粒

橡膠顆粒作為橡膠顆粒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。本次試驗(yàn)所用橡膠顆粒由廢舊輪胎在常溫條件下經(jīng)機(jī)械高速剪切加工而成，粒徑0～5 mm，其中4.75、2.36及0.6 mm篩孔質(zhì)量通過率分別為96.4%、48.3%及24.8%，密度為1.07～1.15 g/cm3。

1.1.4鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)

偶聯(lián)劑是具有2種不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是分子中含有化學(xué)性質(zhì)不同的2個(gè)基團(tuán)：一個(gè)是親無機(jī)物的基團(tuán)，易與無機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另一個(gè)是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹脂或其它聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此，偶聯(lián)劑被稱作“分子橋”，將其用于改善無機(jī)物與有機(jī)物之間的界面作用，不僅可增強(qiáng)兩者之間的粘合強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的性能，而且還可以防止其它介質(zhì)向界面滲透，改善界面狀態(tài)，有利于提高復(fù)合材料的耐老化性。

鋁酸酯偶聯(lián)劑(ASA)為白色蠟狀固體，其熔融溫度70～80 ℃，熱分解度270 ℃，用量一般為填料的0.5%～2.5%，填料越細(xì)，其用量越大。

1.2配合比設(shè)計(jì)

1.2.1礦料級(jí)配

橡膠顆粒瀝青混合料的礦料級(jí)配采用懸浮-骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其各檔集料的比例根據(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[8]。本文確定的礦料級(jí)配范圍及橡膠顆粒摻量為2.5%時(shí)的合成級(jí)配見表1。表1中，橡膠顆粒按照自身級(jí)配參與混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)，并按照等體積原則替換 0～3 mm及3～5 mm石料。

表1　橡膠顆粒瀝青混合料合成級(jí)配

1.2.2配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行橡膠顆粒瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，以確定最佳油石比及體積參數(shù)。拌和時(shí)投料順序?yàn)椋菏?橡膠顆粒→瀝青→礦粉。具體拌和工藝為：先加入石料和橡膠顆粒干拌30～45 s，然后加入瀝青拌和45～60 s，最后加入礦粉拌和80～100 s；拌和溫度為180 ℃。

為保證試件的密實(shí)性，混合料成型采用2階段擊實(shí)方法，第1階段在出料溫度下雙面各擊實(shí)45次；第2階段在試件表面溫度下降為100～110 ℃時(shí)雙面各再次擊實(shí)30次。總的擊實(shí)次數(shù)仍為雙面各75次。

橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比按照設(shè)計(jì)空隙率3%確定。橡膠顆粒摻量為2.5%時(shí)采用70號(hào)瀝青及SBS改性瀝青的不同混合料最佳油石比及對(duì)應(yīng)的馬歇爾技術(shù)參數(shù)見表2。

表2　2.5%橡膠顆粒瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)可知，采用SBS改性瀝青時(shí)，橡膠顆粒瀝青混合料的最佳油石比較采用70號(hào)瀝青時(shí)略高，混合料的穩(wěn)定度顯著提高。

2試驗(yàn)方法

2.1多養(yǎng)護(hù)循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)方法進(jìn)行稍許修改，以增加凍融循環(huán)的次數(shù)，制件方法、試驗(yàn)方法及條件均不變。3次凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)步驟如下。

1) 采用相同級(jí)配及油石比按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)法成型8個(gè)試件，擊實(shí)次數(shù)雙面各50次。

2) 按規(guī)程規(guī)定的方法測(cè)量試件高度及密度、空隙率等體積指標(biāo)。

3) 將試件隨機(jī)分為2組，每組4個(gè)試件，取其中1組作為對(duì)照組，在室溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

4) 將剩下的1組作為條件組，按JTG E20—2011中瀝青混合料飽水率試驗(yàn)方法真空飽水15 min，然后打開閥門，恢復(fù)常壓。試件在水中需放置0.5 h。

5) 取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的水，扎緊袋口，將其放入恒溫冰箱。溫度維持在(-18±2)℃，冷凍(16±1)h。

6) 試件取出后，立即放入已保溫為(60±0.5)℃的恒溫水槽中，并撤去塑料袋，保溫24 h。

7) 將第2組試件重復(fù)試驗(yàn)步驟5)～6)2次后與第1組試件同時(shí)浸入溫度為(25±0.5)℃的恒溫水槽中不少于2 h，試件間距不小于10 mm。

8) 取出試件后，立即按照J(rèn)TG E20—2011中瀝青混合料劈裂試驗(yàn)方法用50 mm/min的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，得到試驗(yàn)最大荷載。

2.2多養(yǎng)護(hù)循環(huán)肯塔堡飛散試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)JTG E20—2011中瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)方法進(jìn)行稍許修改，以增加水浴養(yǎng)護(hù)次數(shù)后再進(jìn)行飛散試驗(yàn)，3次養(yǎng)護(hù)循環(huán)試驗(yàn)步驟如下。

1) 采用相同級(jí)配及油石比按標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)法成型8個(gè)試件，擊實(shí)次數(shù)雙面各50次。

2) 按JTG E20—2011規(guī)定的方法測(cè)量試件高度及密度、空隙率等體積指標(biāo)。

3) 將試件隨機(jī)分為2組，每組4個(gè)試件，分別標(biāo)記為對(duì)照組和條件組。

4) 將對(duì)照組試件在室溫下放置24 h(不進(jìn)行恒溫水浴養(yǎng)生)，稱重后逐個(gè)放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中；不加鋼球蓋上蓋子，以30～33 r/min速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)；稱取試件的殘留質(zhì)量，計(jì)算試件的飛散損失率。

5) 將條件組試件放入(20±0.5)℃恒溫水槽中20 h，取出試件后在室溫條件下放置24 h。

6) 重復(fù)步驟5)1次后，將條件組試件放入(20±0.5)℃恒溫水槽中再次養(yǎng)生20 h；取出試件后將表面水擦拭干凈，且室溫放置24 h后稱重；然后將試件逐個(gè)放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中，并按步驟4)的條件進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算飛散損失率。

2.3加速老化試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011中熱拌瀝青混合料加速老化方法進(jìn)行混合料短期烘箱加熱老化(STOA)，然后制備試件，分別按照J(rèn)TG E20—2011中瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)與肯塔堡飛散試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1凍融劈裂試驗(yàn)

采用70號(hào)瀝青的橡膠顆粒瀝青混合料經(jīng)不同凍融循環(huán)養(yǎng)護(hù)次數(shù)及短期烘箱熱老化后的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出：1) 橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的抗水損害性，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比可以達(dá)到96.9%；2) 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度具有較大影響，凍融循環(huán)2次、3次后其劈裂強(qiáng)度分別下降12.5%、19.2%，但3次凍融循環(huán)后的殘留劈裂強(qiáng)度仍在80%以上；3) 由于橡膠顆粒瀝青混合料組成的特殊性，短期老化后橡膠顆粒瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度較老化前反而提高8.1%。

3.2肯塔堡飛散試驗(yàn)

70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料經(jīng)不同水浴養(yǎng)護(hù)次數(shù)及短期烘箱熱老化后的肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出：1) 橡膠顆粒瀝青混合料具有較好的抗飛散損失的能力，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的飛散損失率僅為6.0%；2) 循環(huán)水浴養(yǎng)護(hù)對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料的抗飛散損失能力極為不利，循環(huán)養(yǎng)護(hù)3次后其飛散損失率較標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件提高了65%，達(dá)到約10%；3) 短期老化后，橡膠顆粒瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的飛散損失率較老化前降低約30%。

3.3ASA對(duì)耐久性的影響

為進(jìn)一步改善橡膠顆粒瀝青混合料的抗飛散損失耐久性，本次試驗(yàn)通過在70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料中添加ASA來提高瀝青與集料及橡膠顆粒之間的粘結(jié)性，ASA用量為無機(jī)粉料(礦粉及機(jī)制砂中<0.3 mm的集料)的2.0%。為充分發(fā)揮ASA對(duì)粉料表面的活性作用，采用如下拌和工藝：粗、細(xì)集料+礦粉加入拌和鍋中干拌20～30 s后加入ASA并拌和3～5 min，以充分發(fā)揮ASA的作用；然后加入橡膠顆粒拌和30 s；最后加入瀝青拌和至170 ℃出料。試件成型后進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)后的劈裂試驗(yàn)及不同水浴養(yǎng)護(hù)次數(shù)后的肯塔堡飛散試驗(yàn)，并進(jìn)行混合料短期加速老化后的凍融劈裂試驗(yàn)及飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

注：F-T表示凍融，數(shù)字為凍融循環(huán)次數(shù)，STOA表示混合料經(jīng)短期老化后再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。下同。

圖170號(hào)瀝青凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

注：C表示水浴條件養(yǎng)護(hù)，數(shù)字為條件養(yǎng)護(hù)次數(shù)。下同。

圖3　ASA橡膠顆粒混合料凍融劈裂試驗(yàn)

圖4　ASA橡膠顆?；旌狭峡纤わw散試驗(yàn)

從圖3可以看出，ASA的加入對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料不同凍融循環(huán)次數(shù)后的劈裂強(qiáng)度影響較小，但對(duì)其短期老化后的凍融劈裂強(qiáng)度有一定程度的改善作用。

從圖4可以看出，加入ASA后，橡膠顆粒瀝青混合料在不同水浴養(yǎng)護(hù)次數(shù)后的肯塔堡飛散損失率降低，與圖2相比，水浴養(yǎng)護(hù)次數(shù)越多肯塔堡飛散損失率降低程度越明顯；短期老化后，ASA橡膠顆粒瀝青混合料肯塔堡飛散損失較標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下略有降低，較未經(jīng)過水浴養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)結(jié)果略有提高。

綜上所述，以上結(jié)果表明，ASA能有效改善橡膠顆粒瀝青混合料中瀝青、橡膠顆粒及礦料之間的界面粘結(jié)效果，提高橡膠顆粒瀝青混合料的整體強(qiáng)度，從而明顯改善其抗飛散損失耐久性。

3.4瀝青粘度對(duì)混合料性能的影響

為分析不同粘度瀝青對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料路用性能及耐久性的影響，在前期試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料的路用性能及耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與采用70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3　70號(hào)瀝青及SBS改性瀝青橡膠顆粒瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比

從表3數(shù)據(jù)可知：

1) 采用粘度相對(duì)較大的SBS改性瀝青后，橡膠顆粒瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗飛散損失的能力均明顯提高，但凍融劈裂殘留強(qiáng)度比下降。

2) 短期老化后，SBS橡膠顆粒瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比明顯提高，略優(yōu)于70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料，但其肯塔堡飛散損失率也顯著變大，且高于70號(hào)瀝青橡膠顆粒瀝青混合料。

分析其原因，主要在于瀝青與橡膠顆粒之間的反應(yīng)程度與瀝青的粘度有關(guān)，粘度越大則兩者之間形成的溶膠層越薄，橡膠顆粒越容易成為遭受水侵害的薄弱點(diǎn)，影響混合料水穩(wěn)定性，而混合料短期老化恰好可以促進(jìn)橡膠顆粒與瀝青之間進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量溶膠體與SBS聚合物形成新的交聯(lián)體系，從而大幅提高混合料的水穩(wěn)定性。

4結(jié)論

1) 在合理工藝條件下，橡膠顆粒瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性及抗飛散損失能力，耐久性較好。

2) 鋁酸酯偶聯(lián)劑能夠有效改善橡膠顆粒瀝青混合料中瀝青、橡膠顆粒與集料三者之間的界面粘結(jié)效果，從而顯著提高其抗飛散損失的能力。

3) 采用粘度較大的聚合物改性瀝青后，橡膠顆粒瀝青混合料的基本路用性能可明顯提高，但其長(zhǎng)期耐久性能否提高則有待驗(yàn)證。

4) 對(duì)于橡膠顆粒瀝青混合料，其短期老化過程中存在更為復(fù)雜的反應(yīng)過程，且有助于提高混合料的力學(xué)強(qiáng)度，因此采用短期老化試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡膠顆粒瀝青混合料抗老化性能的科學(xué)性有必要進(jìn)一步討論。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Durability of Granulated Crumb Rubber Asphalt Mixture and Improvement Measures

MENG Huilin

Abstract:Based on freeze-thaw split test and Cantabro stripping test after multiple curing cycles and short-time ageing of mixture, this paper studies durability of asphalt mixture mixed with 2.5% rubber crumbs (No.70 asphalt), proposes a technical solution to add aluminate coupling agent (ASA) to improve durability of granulated crumb rubber asphalt mixture, and compares performance indices of granulated scrub rubber asphalt mixture of No.70 asphalt with those of granulated crumb rubber asphalt mixture of SBS modified asphalt. The results show that the granulated crumb rubber asphalt mixture has perfect durability, and ASA can effectively improve long-term stability of the granulated crumb rubber asphalt mixture against scattering loss; the effectiveness of SBS modified asphalt with high viscosity to improve durability of the granulated crumb rubber asphalt mixture is to be verified; and it is necessary to further discuss the rationality of evaluating durability of the granulated crumb rubber asphalt mixture via short-time ageing test.

Keywords:road project; aluminate coupling agent; rubber crumb; asphalt mixture; durability

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0029-05

中圖分類號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孟會(huì)林(1983-)，男，河北省邢臺(tái)市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-29

基金項(xiàng)目：河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(Y-2011011)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.007