王國清，宋書康，秦祿生，王慶凱，王新強(qiáng)

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北省交通投資集團(tuán),河北 石家莊 050090；3.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測(cè)室，河北 石家莊 050090)

0 引 言

瀝青混合料內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，主要由骨料、瀝青、礦粉及空隙構(gòu)成?；谀z漿理論，將粗骨料作為分散相充填進(jìn)瀝青膠砂分散介質(zhì)中的粗分散系稱為瀝青混合料；將細(xì)骨料作為分散相充填進(jìn)瀝青膠漿分散介質(zhì)中的細(xì)分散系稱為瀝青膠砂；將礦粉作為分散相充填進(jìn)膠結(jié)料分散介質(zhì)中的微分散系稱為瀝青膠漿。瀝青膠砂是聯(lián)結(jié)瀝青膠漿和瀝青混合料的橋梁，通過研究瀝青膠砂的高低溫性能，可從根本上為分析瀝青混合料的高低溫性能奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)膠粉摻量在大于30%時(shí)定義為大摻量膠粉改性瀝青，大摻量膠粉改性瀝青比普通瀝青甚至SBS改性瀝青擁有更良好的技術(shù)性能。膠粉改性瀝青的廣泛應(yīng)用可以節(jié)省資源，合理利用固廢材料，減少環(huán)境污染，降低廢舊橡膠帶來的危害，增強(qiáng)路面的使用性能[1]大多數(shù)膠粉改性瀝青混合料實(shí)驗(yàn)路具有良好的路用性能，相比于普通瀝青路面，橡膠粉改性瀝青混合料增加了路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性[2，3]。低膠粉摻量橡膠瀝青高溫性能、低溫性能和疲勞性能，相比20%和30%膠粉摻量瀝青混合料有一定降低，但依舊優(yōu)于普通瀝青混合料[4]。膠粉顆粒作為一種高彈性材料，通過等體積法加入瀝青混合料后，在正弦波形荷載作用下，橡膠改性瀝青混合料的彈性變形恢復(fù)比普通瀝青混合料更快，整體柔性程度增加。過往車輛輪胎荷載作用在膠粉瀝青路面上時(shí)，由于路面應(yīng)變滯后效應(yīng)變?nèi)?，彈性變形恢?fù)速度加快，且路面柔度加大輪胎與路面間接觸面積增大，路面摩擦力隨之增大，路面的抗滑性能隨之提高[5]。但在大摻量膠粉改性瀝青混合料鋪筑過程中出現(xiàn)了攪拌困難，味道難聞等問題[6]。

筆者以細(xì)集料(0～2.36 mm)為分散相，以分散在由礦粉與3種不同瀝青(SBS改性瀝青，20%膠改瀝青和30%膠改瀝青瀝青)組成瀝青膠漿介質(zhì)中的細(xì)分散系[7]為研究對(duì)象，針對(duì)3種不同改性瀝青膠砂的高低溫性能展開研究，通過對(duì)錐入度試驗(yàn)在50、60、70、80 ℃下，測(cè)得的錐入度值和抗剪強(qiáng)度在-10 ℃時(shí)小梁彎曲試驗(yàn)的抗彎強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變進(jìn)行分析，驗(yàn)證錐入度試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青膠砂高溫性能的可行性，并用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證瀝青膠砂低溫性能的可行性，研究大摻量膠粉改性瀝青膠砂的高低溫性能指標(biāo)，分析膠粉摻量對(duì)瀝青膠砂高低溫性能的影響。

1 原材料

筆者選用30%橡膠改性瀝青(認(rèn)定為大摻量)，20%橡膠改性瀝青，SBS改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)滿足JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)采取的機(jī)制砂為玄武巖，檢驗(yàn)機(jī)制砂的技術(shù)性質(zhì)根據(jù)JTJE42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》和JTJ052—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)量骨料的壓碎值、含泥量、砂當(dāng)量和表觀密度，結(jié)果如表2、表3。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

瀝青膠砂的配合比設(shè)計(jì)是瀝青混合料的重要部分。膠砂中細(xì)集料分界線在筆者試驗(yàn)中為2.36 mm，細(xì)集料的范圍為0.075～2.36 mm，美國學(xué)者FULLER提出的最大密度曲線是一種理想的級(jí)配曲線[8]，各國研究者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸和發(fā)展，提出了常用的n法，且認(rèn)為n=0.45時(shí)瀝青混合料可達(dá)到最大密實(shí)度。當(dāng)n=0.45時(shí)，0.075 mm篩孔通過質(zhì)量百分率為8%。將瀝青混合料中2.36 mm以上的粗集料去除后，計(jì)算得0.075 mm篩孔通過質(zhì)量百分率為32%，從而確定各粒徑的篩孔通過質(zhì)量百分率，如表4。

表4 細(xì)集料級(jí)配范圍

2 錐入度試驗(yàn)

瀝青膠砂高溫時(shí)呈現(xiàn)黏稠、流動(dòng)狀態(tài),無法進(jìn)行車轍試驗(yàn)，近年國內(nèi)外采用DSR對(duì)瀝青膠漿的高溫性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,研究不同膠粉摻量瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。但膠砂不同于膠漿，膠砂最大的粒徑2.36 mm不能采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)。筆者采用錐入度試驗(yàn)研究膠砂高溫性能，錐入度試驗(yàn)測(cè)得的錐入度值能反應(yīng)出瀝青膠砂的高溫性能，經(jīng)過公式計(jì)算出抗剪強(qiáng)度,可以把差值較小的錐入度值擴(kuò)大成差值較大的抗剪強(qiáng)度值,明顯反應(yīng)不同膠砂的高溫性能差別[9]。

2.1 錐入度試驗(yàn)

借鑒現(xiàn)有研究成果[10]，試驗(yàn)儀器采用針入度儀,將針入度的長針用錐體代替, 錐體采用不銹鋼加工而成，如圖1。錐角(30±1)°,錐高30 mm,錐、滑桿和砝碼總重133 g，盛樣皿與針入度試驗(yàn)相同。把3種不同改性瀝青的試件分別在50、60、70、80 ℃的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)3小時(shí)以上再進(jìn)行錐入度試驗(yàn)，錐入時(shí)間為5 s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

筆者對(duì)3種不同改性瀝青試件在4種不同溫度下進(jìn)行的錐入度試驗(yàn)，每個(gè)溫度都進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，錐入度值試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 錐入度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5中可以明顯看出，隨著溫度升高，3種改性瀝青錐入度值逐漸增大，在50和60 ℃時(shí)，30%大摻量膠改瀝青膠砂錐入度值低于另外2種，20%膠改瀝青膠砂和SBS改性瀝青膠砂錐入度值相近。70 ℃時(shí)，30%膠改瀝青膠砂錐入度值最小，高溫性能最好，其次是20%膠改瀝青膠砂，最差的是SBS改性瀝青膠砂。隨著溫度升高，大摻量膠粉改性瀝青膠砂的變化趨勢(shì)較小，說明大摻量膠改瀝青膠砂對(duì)溫度的敏感性不強(qiáng)，可以改善瀝青路面在高溫時(shí)因溫度變化產(chǎn)生的變形。

與錐入度值相比,抗剪強(qiáng)度更能反映瀝青膠砂隨溫度變化的趨勢(shì)和不同改性瀝青膠砂之間的性能差異，瀝青膠砂的抗剪強(qiáng)度如式(1)：

(1)

式中:τ為抗剪強(qiáng)度，kPa;Q為貫入質(zhì)量(錐針、連桿、砝碼及調(diào)重鋼球總質(zhì)量),g;h為錐入度，0.1 mm;α為錐針針尖角度，取30°。

通過計(jì)算抗剪強(qiáng)度如表6。

表6 抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

從表6中看出，3種瀝青膠砂試件抗剪強(qiáng)度都隨著溫度升高而降低。對(duì)每種瀝青膠砂試件，表5中60 ℃時(shí)錐入度比50 ℃的錐入度值相差甚小，只有幾毫米，在抗剪強(qiáng)度中就可以看出其差距明顯。錐入度試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度能反映出不同瀝青膠砂試件的高溫性能差距。在50、60、70 ℃時(shí)30%膠改瀝青膠砂抗剪強(qiáng)度是SBS改性瀝青膠砂的1.4、1.5、3.2倍，說明隨著溫度的升高，30%膠改瀝青膠砂有更好的高溫性能；在50、60、70 ℃時(shí)30%膠改瀝青膠砂抗剪強(qiáng)度是20%膠改瀝青膠砂的1.5、1.5、1.2倍，說明隨著膠粉摻量的增加，可以提高瀝青膠砂的高溫性能。通過錐入度試驗(yàn)可以很好的評(píng)價(jià)瀝青膠砂的高溫性能及變化規(guī)律，且試驗(yàn)方法簡單易操作。

3 低溫彎曲試驗(yàn)

冬季低溫引起開裂會(huì)直接影響瀝青路面使用品質(zhì)和壽命，瀝青混合料的抗開裂性能不僅取決于瀝青的性能,也取決于混合料的級(jí)配情況，細(xì)集料決定瀝青混合料的部分低溫性能，對(duì)瀝青膠砂的低溫性能研究尤為重要。通過低溫彎曲試驗(yàn)得到抗彎拉強(qiáng)度和破壞最大彎拉應(yīng)變，可有效評(píng)價(jià)瀝青膠砂低溫性能[11-12]。

3.1 低溫彎曲試驗(yàn)

筆者按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)瀝青混合料彎曲試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行3種不同瀝青膠砂低溫彎曲試驗(yàn)，將試驗(yàn)溫度控制在-10 ℃。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)SBS改性瀝青膠砂達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生脆響，隨后試件斷裂。30%膠改瀝青膠砂破壞時(shí)，響聲不脆，試件緩慢開裂，主要是因?yàn)槟z粉改性瀝青在低溫下呈柔性，具有較強(qiáng)的抗彎拉強(qiáng)度，能有效地抵抗溫度應(yīng)變，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生。3種不同瀝青膠砂的試驗(yàn)過程圖2。

通過圖2可知，3種瀝青膠砂破壞荷載相近，30%膠改瀝青膠砂試件的破壞荷載最大，抵抗變形能力最強(qiáng)，其破壞曲線為緩和曲線。20%膠改瀝青膠砂和SBS改性瀝青膠砂破壞曲線為折線，間接反映出30%膠改瀝青膠砂的柔性最好，通過式(2)～(4)對(duì)3種試件的抗彎強(qiáng)度，彎拉應(yīng)變和勁度模量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表7。

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

(2)

(3)

(4)

式中：RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變，με；SB為試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量，MPa；b，h為跨中斷面試件的寬度和高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm。

抗彎強(qiáng)度和破壞最大彎拉應(yīng)變可以用來表征瀝青膠砂試件低溫抗裂性能。從表7可知，30%膠改瀝青膠砂的最大彎拉應(yīng)變是SBS改性瀝青膠砂的1.8倍，表明30%膠改瀝青膠砂的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂，30%膠改瀝青膠砂的最大彎拉應(yīng)變是20%膠改瀝青膠砂的2.2倍。隨著膠粉的增加，可以有效的改善瀝青膠砂的低溫抗裂性能，抗彎強(qiáng)度亦可得到此結(jié)論。

4 結(jié) 論

筆者基于膠漿理論，通過對(duì)3種不同改性瀝青膠砂進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)隨著溫度的升高，瀝青膠砂的抗剪強(qiáng)度降低，高溫性能變?nèi)?，錐入度試驗(yàn)可以用來評(píng)價(jià)瀝青膠砂的高溫性能，該試驗(yàn)操作簡單，試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀，30%膠粉改性瀝青膠砂的高溫性能要優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂，增加膠粉摻量，可以增強(qiáng)大摻量瀝青膠砂的高溫性能。

2)抗彎強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變可以用來表征瀝青膠砂的低溫抗裂性能，30%膠改瀝青膠砂的抗彎強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變都大于SBS改性瀝青膠砂，說明30%膠粉改性瀝青膠砂的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青膠砂的，并且隨著膠粉摻量的增加，可以改善瀝青膠砂的低溫抗裂性能。

3)30%膠改瀝青膠砂對(duì)溫度的敏感性不強(qiáng)，可以改善瀝青路面在高低溫時(shí)因溫度變化帶來的變形。