雷敬偉,邊曉明,劉 濤

(1.葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,宜昌 443002；2.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430071)

交通運(yùn)輸水平與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，而便捷、發(fā)達(dá)的道路網(wǎng)絡(luò)是改善交通運(yùn)輸水平的前提條件。我國(guó)的路網(wǎng)密度還較低，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間，將仍然以公路的新建和養(yǎng)護(hù)為主。瀝青路面因具備平整度高、行車舒適、路用性能好、維修養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)[1]，在高等級(jí)公路面層建設(shè)中被普遍采用。

雖然瀝青路面具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其仍然存在一些性能上的問題，例如在炎熱地區(qū)瀝青路面易出現(xiàn)車轍、擁包等永久變形破壞[2]。這主要是因?yàn)闉r青是一種溫敏性材料，瀝青路面由瀝青混凝土鋪筑而來，雖然瀝青在瀝青混凝土中所占的比例很小，一般不超過5%，但其對(duì)瀝青路面性能的影響非常顯著。瀝青常溫下以固體狀態(tài)存在，但隨著路面溫度的升高，瀝青逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)化，成為可流動(dòng)態(tài)。當(dāng)路面長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境下，加之車載的持續(xù)作用，路面將會(huì)出現(xiàn)車轍、擁包等不可恢復(fù)的永久變形，威脅到路面行車安全。因此改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性對(duì)于提高炎熱地區(qū)瀝青路面的行車安全、服役耐久性具有重要意義。

同時(shí)，道路建設(shè)對(duì)資源存在高消耗的特點(diǎn)，如不可再生的天然石材、瀝青等。開發(fā)適用于道路建設(shè)的天然資源替代材料也是目前研究的熱點(diǎn)，例如將鋼渣、建筑廢棄物、廢舊橡膠等一些固體廢棄物循環(huán)利用于道路建設(shè)中[3-5]。這樣一方面可實(shí)現(xiàn)道路對(duì)廢棄物的高效消納，另一方面消除廢棄物堆積對(duì)環(huán)境的破壞，對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面都十分有益處。廢舊輪胎也是一種典型的大宗廢棄物，其是一種聚合物材料，目前有很多采用聚合物改善瀝青混凝土路用性能的研究，尤其是混凝土的高溫穩(wěn)定性。這為采用廢棄輪胎改善瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性提供了理論上的可行性。

基于此，研究的主要目的是確定廢舊輪胎對(duì)瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善效果。首先將廢舊輪胎制備成橡膠粉，在確定主要原材料基本性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)研究廢舊輪胎橡膠粉對(duì)瀝青混凝土高溫性能的影響。

1 原材料

研究中粗集料和細(xì)集料均采用玄武巖，填料采用石灰?guī)r磨制的礦粉。按照《JTG E42—2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[6]檢測(cè)集料和填料的基本性能指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表1～表3所示。另外，研究中還使用到廢膠粉和AH-90基質(zhì)瀝青。廢膠粉通過研磨廢舊輪胎獲得，廢膠粉顆粒約60-80目。通過濕法改性將廢膠粉首先摻入到AH-90基質(zhì)瀝青中，制備成廢膠粉改性瀝青，廢膠粉的摻量為AH-90基質(zhì)瀝青的20%。按照《JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[7]測(cè)試廢膠粉改性瀝青的基本性能指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。表1～表4數(shù)據(jù)表明研究中所用原材料的基本性能指標(biāo)均滿足要求。

表1 粗集料基本性能指標(biāo)

表2 細(xì)集料基本性能指標(biāo)

表3 填料基本性質(zhì)指標(biāo)

表4 廢膠粉改性瀝青基本性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

按照標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)瀝青混凝土，混凝土的級(jí)配類型為AC-13C。粗集料、細(xì)集料以及填料在礦質(zhì)混合料中的占比分別為50%、46%和4%，合成級(jí)配曲線如圖1所示。按照設(shè)計(jì)結(jié)果拌合瀝青混凝土，制備車轍試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)用試件。車轍試驗(yàn)采用300 mm長(zhǎng)、300 mm寬和50 mm厚的板狀試件進(jìn)行，板狀試件通過輪碾成型設(shè)備制得。動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)采用的是直徑和高度均為100 mm的圓柱體試件，通過對(duì)雙層板狀壓實(shí)試件進(jìn)行鉆芯操作獲取。

車轍試驗(yàn)過程：試驗(yàn)溫度為60 °C，試驗(yàn)前將板狀試件置于試驗(yàn)溫度下保溫4 h以上。試驗(yàn)時(shí)，50 mm寬的鋼輪在板狀試件表面沿中心線區(qū)域往復(fù)碾壓，輪碾壓力為0.7 MPa，碾壓速度為42 次/min。單次測(cè)試時(shí)間為1 h，通過式(1)計(jì)算瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度

(1)

式中，DS為動(dòng)穩(wěn)定度，次/mm；l60和l45是單次測(cè)試中鋼輪碾壓時(shí)間分別為60 min和45 min時(shí)，板狀試件輪跡帶的深度，mm。

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)過程：試驗(yàn)溫度也為60 °C，同樣試驗(yàn)前將圓柱體試件置于試驗(yàn)溫度下保溫4 h以上。試驗(yàn)時(shí)通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行加載，研究選用的荷載為100 kPa、200 kPa和300 kPa，加載周期為1 Hz，采用半正弦波的加載方式，加載0.1 s，間歇0.9 s。動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中，隨著荷載作用次數(shù)的增加，試件的累積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段。第一階段，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率先增加后減少，第二階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率恒定，第三階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率快速增加致使試件的累積應(yīng)變短時(shí)間快速上升，試件失去穩(wěn)定性。而在第三階段開始前，試件依然能保持穩(wěn)定，因而可用第三階段起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載加載次數(shù)(流動(dòng)值)來反映瀝青混凝土的高溫抗永久變形能力。

3 結(jié)果與討論

瀝青混凝土的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，采用基質(zhì)瀝青制備的混凝土和采用廢膠粉改性瀝青制備的混凝土并未表現(xiàn)出一致的抗車轍變形能力。具體來看，隨著輪碾時(shí)間的延長(zhǎng)，基質(zhì)瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)，經(jīng)過3 h的輪碾破壞，動(dòng)穩(wěn)定度從3 800 次/mm下降到2 500 次/mm。說明高溫對(duì)基質(zhì)瀝青混凝土抗車轍變形能力的削弱是非常嚴(yán)重的。對(duì)于廢膠粉改性瀝青混凝土，情況則大為不同，隨著輪碾時(shí)間的延長(zhǎng)，動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。在相同的試驗(yàn)時(shí)間下，廢膠粉改性瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度總高于基質(zhì)瀝青混凝土，且兩者的差值越來越大，經(jīng)過3 h的輪碾破壞后，廢膠粉改性瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混凝土高了接近100%。說明廢膠粉改性瀝青對(duì)瀝青混凝土抗車轍變形能力的改善是非常顯著的。至于廢膠粉改性瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，有可能是廢膠粉改性瀝青混凝土車轍試驗(yàn)試件初始狀態(tài)未壓實(shí)，經(jīng)歷1 h的持續(xù)輪碾后，試件更加密實(shí)，抵抗高溫變形的能力得以強(qiáng)化，因而在第2 h的車轍試驗(yàn)中動(dòng)穩(wěn)定度表現(xiàn)為增加。

瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著加載應(yīng)力水平的提高，基質(zhì)瀝青混凝土和廢膠粉改性瀝青混凝土抗蠕變破壞的能力表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，兩者的流動(dòng)值均持續(xù)下降。但基質(zhì)瀝青混凝土的流動(dòng)值下降更快，當(dāng)荷載水平從100 kPa提高到300 kPa，基質(zhì)瀝青混凝土的流動(dòng)值下降了約51.5%，而相同試驗(yàn)條件的廢膠粉改性瀝青混凝土，該值只下降了40.9%。且任意相同荷載水平下，廢膠粉改性瀝青混凝土的流動(dòng)值總高于基質(zhì)瀝青混凝土，這一差值隨著荷載水平的增加進(jìn)一步拉大，當(dāng)荷載水平達(dá)到300 kPa時(shí)，廢膠粉改性瀝青混凝土的流動(dòng)值比基質(zhì)瀝青混凝土高出了68.9%。

4 結(jié) 論

車轍試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，廢舊輪胎橡膠粉對(duì)瀝青混凝土高溫抗變形性能的改善效果非常顯著，尤其是在瀝青混凝土路面遭受高溫和重載交通持久破壞時(shí)，廢膠粉仍能使瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性保持在較好的水平。同時(shí)，將廢舊輪胎橡膠粉循環(huán)應(yīng)用于瀝青混凝土中，對(duì)于資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)也具有重要的意義。