徐鷗明，張 鴻，曹志飛，李明月，何義華

(1. 長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061；2. 長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

近年，廢舊輪胎再生利用得到了普遍關(guān)注。制成膠粉應(yīng)用于道路工程不僅可以大量消耗廢舊輪胎，緩解環(huán)保壓力，同時(shí)還可改善瀝青混合料性能，因而在國內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。濕法是其利用主要形式，國內(nèi)外學(xué)者也紛紛對膠粉細(xì)度、外形、加工工藝和添加劑等對橡膠瀝青性能、流變特性和老化后性能的影響進(jìn)行了廣泛研究[3-9]。影響橡膠瀝青和混合料性能另一因素是膠粉摻量，不同機(jī)構(gòu)和部門認(rèn)識卻存在很大差異。作為橡膠瀝青應(yīng)用最為廣泛的美國也是如此，如亞利桑那州和加利福利亞州都要求制備橡膠瀝青時(shí)膠粉摻量應(yīng)不低于瀝青質(zhì)量的20%[10]；美國聯(lián)邦公路局在其指南里也要求橡膠瀝青中膠粉摻量不低于15%；而佛羅里達(dá)州卻認(rèn)為10%～15%的膠粉摻量制備出的橡膠瀝青已完全可以滿足工程使用要求[11]。國內(nèi)在橡膠瀝青的應(yīng)用過程中，常用摻量為18%～20%。大的摻量意味著橡膠瀝青黏度會增大，用于混合料時(shí)瀝青膜厚度也會變大，瀝青用量相比基質(zhì)瀝青會明顯增大，導(dǎo)致成本增加。同時(shí)，膠粉摻量越高，需要提高改性和存儲溫度，容易造成瀝青老化。為了改善高粘彈橡膠瀝青混合料的壓實(shí)問題，礦料普遍選擇間斷級配[12]，也無形中增大了瀝青用量。針對此問題，筆者基于連續(xù)密級配瀝青混合料，采用低的膠粉摻量，制備橡膠瀝青，測試其混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，并與常規(guī)膠粉摻量(18%)瀝青混合料和普通瀝青混合料進(jìn)行比較，以期探索低摻量橡膠瀝青在連續(xù)密級配瀝青混合料中的應(yīng)用，為工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)選用韓國SK90#道路石油瀝青,按照J(rèn)TJ E20 — 2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。SK90#瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如表1，滿足規(guī)范要求。

表1 SK90#瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 集 料

試驗(yàn)所用集料為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r集料，干燥、潔凈、無雜質(zhì)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2，滿足高速公路及一級公路表面層用集料質(zhì)量要求。

表2 集料主要技術(shù)性質(zhì)

1.1.3 礦 粉

礦粉為石灰?guī)r磨制，其主要技術(shù)性質(zhì)如表3。

表3 礦粉主要技術(shù)性質(zhì)

1.1.4 廢舊橡膠粉

試驗(yàn)采用常溫粉碎加工的40目廢舊橡膠粉，其主要技術(shù)性質(zhì)如表4、表5。

表4 廢舊橡膠粉主要技術(shù)性質(zhì)

表5 橡膠粉篩分結(jié)果

1.1.5 膠粉改性瀝青

制備步驟：首先將基質(zhì)瀝青加熱到180 ℃，待溫度穩(wěn)定后加入40目膠粉，摻量為瀝青質(zhì)量7%；然后保持溫度進(jìn)行攪拌，先低速攪拌，待膠粉全部加入后，再逐步提高攪拌速度至5 000 r/min，攪拌60 min。同時(shí)，為了與常規(guī)膠粉摻量比較，還制備了摻量18%的橡膠瀝青。

按照J(rèn)TJ E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程對制備的橡膠瀝青主要技術(shù)性質(zhì)進(jìn)行測試，結(jié)果如表6。

表6 低摻量橡膠瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

表6表明：摻加膠粉的兩種橡膠瀝青針入度減小、軟化點(diǎn)增大，運(yùn)動黏度增大，且摻量越高變化越明顯；兩種橡膠瀝青均表現(xiàn)出離析傾向，摻量越大，軟化點(diǎn)差值越大；低摻量膠粉橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性顯著好于常規(guī)摻量橡膠瀝青。

1.2 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

1.2.1 級配的確定

瀝青混合料采用AC-13，參照工程經(jīng)驗(yàn)，其級配如表7。

表7 瀝青混合料級配

1.2.2 最佳油石比

根據(jù)選定的級配，通過馬歇爾試驗(yàn)，測試體積參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)，確定使用基質(zhì)瀝青、低摻量橡膠瀝青、常規(guī)摻量橡膠瀝青的混合料最佳油石比分別為4.9%、5.3%和5.5%。

1.2.3 路用性能

根據(jù)確定的最佳油石比成型試件，分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 車轍試驗(yàn)

采用不同瀝青的混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表8。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

表8表明，兩種橡膠瀝青混合料車轍深度均小于普通瀝青混合料，而動穩(wěn)定度均顯著高于普通瀝青混合料。這表明，盡管降低膠粉摻量會影響混合料高溫穩(wěn)定性，但對比基質(zhì)瀝青，摻加7%膠粉也改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，使得橡膠瀝青黏度增大，高溫抗變形能力增強(qiáng)。

2.2 低溫彎曲試驗(yàn)

采用不同瀝青的混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表9。

表9 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可以看出，7%膠粉摻量橡膠瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變相比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料略有降低，而彎曲勁度模量增大，但比普通瀝青混合料仍顯示出較好的低溫性能。這是因?yàn)?，橡膠粉加入瀝青后雖然會吸附其輕質(zhì)油分，削弱其變形能力，但溶脹后的橡膠粉具有良好的儲能和變形能力，又在一定程度上彌補(bǔ)了瀝青膠體體系的變形能力。同時(shí)，膠粉的儲能作用，會耗散外界荷載損傷，賦予了整個(gè)膠體一定的自愈合能力。因此，膠粉的摻入改善了瀝青混合料低溫變形能力。

2.3 水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

1)浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度

采用不同瀝青的混合料進(jìn)行穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如表10～表11。

表10 浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表10可以看出，低膠粉摻量橡膠瀝青混合料具有較高的殘留穩(wěn)定度，好于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料和普通瀝青混合料。這是因?yàn)?，一方面，膠粉摻入瀝青中吸附輕質(zhì)組分膨脹，改變?yōu)r青膠體結(jié)構(gòu)，使瀝青變稠，黏度增大，但改性后的瀝青粘附力降低；另一方面，橡膠瀝青的黏度較大，使得其瀝青膜厚度增加，又在一定程度上增加了水將瀝青膜從石料上剝離下來的難度。因而，橡膠瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)際上是上述兩種作用平衡結(jié)果，摻量越大，黏度增加越明顯，粘附性衰減也大，對水穩(wěn)定性影響也大。此外，采用較高摻量時(shí)，膠粉不易充分溶脹，橡膠瀝青彈性較大，會影響混合料密實(shí)度，也會對水穩(wěn)定性有影響。

2)凍融劈裂試驗(yàn)的殘留強(qiáng)度比

按照確定的最佳油石比成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，雙面擊實(shí)50次，采用不同瀝青的混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如表11。

表11 凍融劈裂試驗(yàn)的殘留強(qiáng)度比

由表11可以看出，采用低摻量橡膠瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比與普通瀝青混合料相當(dāng)，但顯著好于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料。這是因?yàn)?，溶脹后的橡膠粉在瀝青-膠粉體系中具有一定儲能作用，可以耗散外界施加的荷載，這對于試件成型是不利的，但對后期抵抗荷載變形有好處。當(dāng)采用較低摻量膠粉時(shí)，能夠減小試件成型過程中的回彈影響。

2.4 疲勞試驗(yàn)

采用不同瀝青的混合料進(jìn)行三分點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表12。

表12 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表12可以看出：采用橡膠瀝青的混合料疲勞壽命顯著提高，摻量越高提高越明顯；采用低膠粉摻量橡膠瀝青的混合料疲勞壽命低于常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料，但高于普通瀝青混合料；應(yīng)力與疲勞壽命在單對數(shù)坐標(biāo)上呈線性關(guān)系，k′值越大，初期疲勞壽命越高；n′為疲勞曲線斜率，值越大，曲線越陡，疲勞壽命對應(yīng)變水平變化越敏感；低膠粉摻量橡膠瀝青混合料k′小于常規(guī)膠粉摻量，但高于普通瀝青混合料；而低膠粉摻量橡膠瀝青混合料n′值介于常規(guī)膠粉摻量和普通瀝青混合料之間。由此可見，盡管降低膠粉摻量會影響混合料疲勞壽命，但相比使用普通瀝青，仍然對疲勞壽命有改善。

綜上所述，摻加7%膠粉的橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青，且最佳瀝青用量也有一定降低。初步估算1 t普通瀝青混合料、7%膠粉改性橡膠瀝青混合料和常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料成本分別約710、850、910元，采用低摻量相比普通瀝青混合料材料每噸成本增加約20%，但性能有明顯改善，而比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青混合料每噸成本降低7%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

1)低膠粉摻量橡膠瀝青與常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青相比基質(zhì)瀝青針入度降低、軟化點(diǎn)和黏度增大，但低膠粉摻量橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性要顯著優(yōu)于常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青。

2)低膠粉摻量橡膠瀝青高溫性能、低溫性能和疲勞性能相比常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料有一定降低，但仍然優(yōu)于普通瀝青混合料。

3)低膠粉摻量橡膠瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度優(yōu)于常規(guī)瀝青混合料和常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料，但凍融劈裂殘留強(qiáng)度比略低于普通瀝青混合料，并好于常規(guī)膠粉摻量瀝青混合料。

4)相比常規(guī)膠粉摻量橡膠瀝青，低膠粉摻量橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性提高，而瀝青用量降低，路用性能仍有一定改善，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。