侯進軍

(大豐市恒昌交通建設(shè)工程有限公司，江蘇 大豐 224001)

20世紀80年代，法國提出了高模量瀝青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,HMAC)的概念[1]，并經(jīng)過大量的研究和實踐形成了相關(guān)試驗規(guī)程、技術(shù)指標及混合料設(shè)計方法，如規(guī)范NF P98-140(1992年)和NF P98-140(1993年)[2]。HMAC具有強度高、高溫穩(wěn)定性優(yōu)良、韌性好等優(yōu)勢，可用來解決路面強度不足、瀝青混合料高溫性能不良而造成的車轍變形類病害等。目前，采用SBS、EVA、SBR、PE等改性瀝青或在混合料中加入廢舊PE提高瀝青混凝土模量的方法，在歐洲一些國家、南非及中國得到了較好的應(yīng)用[3]。

布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt,BRA)是一種巖瀝青，產(chǎn)自印度尼西亞布敦島海底的瀝青礦，經(jīng)過簡單的加工工藝形成粉末狀產(chǎn)品，可作為瀝青混合料改性劑。BRA對瀝青混合料的高溫性能具有顯著的改善作用，但會降低混合料的低溫性能[4]。以BRA與70號瀝青摻配后，其各項技術(shù)指標均滿足法國EME2高模量瀝青混合料的技術(shù)要求[5]。大量室內(nèi)試驗和工程實踐表明，高模量瀝青混合料在低溫和荷載作用下會產(chǎn)生裂縫、疲勞破壞，現(xiàn)有研究多側(cè)重于高模量瀝青混合料的適用性以及高低溫性能[6-7]。橡膠粉作為一種優(yōu)良的瀝青改性劑，能不同程度改善瀝青混合料的高溫性能、低溫性能及疲勞性能[8-9]。因此，將橡膠粉和BRA復(fù)合用于瀝青混合料改性，可以改善BRA在瀝青混合料改性方面的不足之處[10-13]，已有研究多探討不同膠粉摻比對瀝青混合料路用性能的改善效果，對不同粒度膠粉改性瀝青混合料的研究鮮有報道。

本研究將巖瀝青與橡膠粉復(fù)摻，以干法改性工藝拌制瀝青混合料，探討不同粒度橡膠粉與BRA復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。

1 試驗用材料

1.1 基質(zhì)瀝青及巖瀝青

本研究采用中海A-70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，按文獻[14]規(guī)定的試驗方法進行檢測，試驗檢測結(jié)果均符合A級70號道路石油瀝青技術(shù)要求[15]，如表1所示。試驗用BRA參照文獻[16]規(guī)定的技術(shù)指標進行檢測，結(jié)果滿足要求，如表2所示。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果Table 1 Testing results of A-70# matrix asphalt

表2 BRA檢測結(jié)果Table 2 Detection results of BRA

1.2 橡膠粉

路用橡膠粉應(yīng)選用常溫磨細的廢輪胎橡膠粉，且宜選用斜交胎膠粉或天然膠含量較高的橡膠粉[18]，橡膠粉應(yīng)為黑色均質(zhì)粉末，顆粒粒徑可在30～80目范圍內(nèi)選用。本試驗采購的4種橡膠粉如圖1所示，實測顆粒級配如表3所示，級配曲線如圖2所示，從圖2可以看出這4種膠粉顆粒具有連續(xù)級配的特征。

圖1 試驗用橡膠粉Fig 1 Rubber powder for experiment

表3 橡膠粉顆粒級配Table 3 Gradation of rubber powder particles %

圖2 試驗用橡膠粉顆粒級配Fig 2 Gradation of rubber powder particles in experiment

采用XY-PRT透反偏光顯微鏡觀察BRA和4種膠粉的外觀形貌，如圖3所示。由圖3b可以看出，BRA顆粒放大照片中天然瀝青裹覆于礦粒表面，并滲透入礦粒毛細孔中，粘聚了部分更細微的礦粒；由圖3c可以看出，1#橡膠粉含有較多的微細纖維，膠粉顆粒較粗；由圖3d～3f可以看出，2#～4# 3種橡膠粉均含有少量輪胎填料等雜質(zhì)，以及極少量的微細纖維，纖維長度及直徑均遠小于1#橡膠粉所含纖維。

圖3 改性摻合料顯微鏡照片F(xiàn)ig 3 Microscope photos of modified admixtures

1.3 礦料

本研究所采用的玄武巖粗集料產(chǎn)自連云港，石灰?guī)r石屑(細集料)和礦粉產(chǎn)自安徽，參照文獻[17]進行試驗檢測，相關(guān)技術(shù)指標滿足文獻[16]的要求，數(shù)據(jù)如表4～6所示。

表4 粗集料技術(shù)指標Table 4 Technical indicators for coarse aggregate

表5 細集料技術(shù)指標Table 5 Technical indicators for fine aggregate

表6 礦粉技術(shù)指標Table 6 Technical indicators for mineral powder

2 混合料配合比及試驗方案

2.1 混合料配合比設(shè)計

依據(jù)Superpave一般方法設(shè)計Sup-13瀝青混合料，調(diào)試粗、中、細3個級配，如圖4所示。通過旋轉(zhuǎn)壓實試件體積參數(shù)測定及馬歇爾技術(shù)指標驗證，選擇級配2，設(shè)計配合比如表7所示。

參考相關(guān)文獻資料[19-22]及初步試驗研究結(jié)果可知，BRA中的天然瀝青可替代部分基質(zhì)瀝青，BRA中的礦物顆?？商娲糠值V粉等填料；橡膠粉在干法改性過程中溶脹率不高，大部分橡膠顆粒仍以顆粒狀存在于混合料中，充當填料角色。因此，設(shè)計改性瀝青混合料配比方案如表8所示。

圖4 3種初試配比的級配曲線Fig 4 Grading curves of three initial ratios

表7 Sup-13配合比設(shè)計結(jié)果Table 7 Mix ratio design result of Sup-13

2.2 改性瀝青混合料試驗方案

工程實際應(yīng)用時，改性外摻料投放入攪拌缸時為冷料狀態(tài)，需要提高礦料加熱溫度，通過加熱摻合料，使摻合料改性成分軟化、活化；參考文獻[19]的研究結(jié)論，采取燜料措施，增強橡膠粉與基質(zhì)瀝青的融合，設(shè)計改性瀝青混合料拌制流程及控制參數(shù)如圖5所示。按文獻[14]成型標準馬歇爾試件，進行48 h殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗，驗證改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性；輪碾法成型車轍板，測試動穩(wěn)定度，驗證改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；此外，通過低溫劈裂試驗和小梁彎曲試驗，驗證改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

表8 改性瀝青混合料配合比方案Table 8 Mix proportion scheme of modified asphalt mixture %

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水穩(wěn)定性驗證

3.1.1 殘留穩(wěn)定度試驗

根據(jù)文獻[14]規(guī)定的試驗方法，測定試件在60 ℃水中保溫0.5 h與保溫48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度，計算殘留穩(wěn)定度，結(jié)果如表9和圖6所示。

圖5 BRA/橡膠粉干法改性瀝青混合料拌制流程及控制參數(shù)Fig 5 Mixing process and control parameters of dry process for asphalt mixture modified by BRA and rubber powder

表9 各組殘留穩(wěn)定度測定值Table 9 Determination of residual stability of samples in each group

實測結(jié)果及圖6表明，4%摻量的BRA改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高了11.75%，BRA中的天然瀝青組分與基質(zhì)瀝青相融后明顯改善了混合料的水穩(wěn)定性；橡膠粉等量替換部分BRA，使得復(fù)合改性混合料中的天然瀝青含量降低，殘留穩(wěn)定度有所下降；粒度較細的4#橡膠粉(組別6)相對1#～3#橡膠粉(組別3～5)可減小瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的降低量。

圖6 各組殘留穩(wěn)定度柱狀圖Fig 6 Column diagram of residual stability of samples in each group

3.1.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂強度試驗用以評價瀝青混合料的耐水損害性能。相對殘留穩(wěn)定度試驗而言，凍融劈裂試驗主要表征馬歇爾試件在飽水狀態(tài)下承受冰凍破壞的能力。試驗結(jié)果如表10和圖7所示。

由表10和圖7可知，各組瀝青混合料試件經(jīng)凍融循環(huán)后劈裂抗拉強度均有不同程度的降低?；鶞逝浜媳仍嚰?組別1)降低16.62%；4#膠粉與BRA復(fù)合改性的混合料(組別6)強度降低最小(7.86%)，其粒度較細與BRA復(fù)合改性的試件密實度最高，空隙少而受凍融影響?。?#膠粉與BRA復(fù)合改性的混合料(組別3)雖然空隙率相對較高，但因有微細纖維的“加筋”和相對略粗的橡膠顆粒的彈性，其抗凍性能也相對較好。

表10 各組凍融劈裂強度測定值Table 10 Determination of freeze-thaw splitting strength in each group

圖7 各組混合料試件凍融劈裂抗拉強度比Fig 7 Freeze-thaw splitting tensile strength ratio of each mixture specimen

各組試件在最大劈裂荷載作用下的垂直壓縮變形情況如圖8所示。BRA改性混合料(組別2)劈裂破壞相應(yīng)的變形量最小，顯脆性，但圖7中其劈裂強度值相對較高，由此可知，組別2的劈裂模量相對較高；組別3～6因在BRA中混摻橡膠粉，使得劈裂破壞時的變形量顯著增大，且在總體上呈現(xiàn)橡膠粉粒度越細變形量越大的趨勢；同比圖7、圖8中組別6的強度和變形量，可見粒度較細的膠粉對瀝青的改性作用更充分，更有助于提高混合料的抗裂強度、降低試件的脆性。

圖8 各組混合料試件最大劈裂荷載對應(yīng)的垂直變形Fig 8 Vertical deformation corresponding to the maximum splitting load of each mixture specimen

3.2 高溫穩(wěn)定性驗證

以輪碾法成型車轍板，進行動穩(wěn)定度試驗，用以檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表11所示。4%摻量的BRA改性瀝青混合料試件(組別2)的動穩(wěn)定度是基準配比試件(組別1)的2.6倍，BRA對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性改善效果顯著；組別3～6的測試結(jié)果表明橡膠粉對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性改善效果影響較大，且粒度較細的橡膠粉更有利于提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度；100目的4#膠粉與BRA混摻(組別6)效果突出，相對BRA單一改性混合料(組別2)其動穩(wěn)定度提升了21.2%。

圖9為各組試件車轍試驗典型曲線?；鶞逝浔仍嚰?組別1)車轍變形總體上呈持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，而組別2、組別6試件在輪碾120次后車轍變形趨于平緩，增大幅度逐漸減小，說明BRA及微細橡膠粉改性瀝青混合料熱穩(wěn)定性較好，變形的發(fā)展可抑制在受荷初期；組別3試件車轍變形前期發(fā)展較大，整體變形量也較大，主要源于其橡膠粉含微細纖維及較粗橡膠顆粒，混合料壓實度不高，因而高溫條件下往返輪碾變形較大；組別5的試件平行試驗結(jié)果有分歧，但結(jié)果仍表明其具有較好的高溫穩(wěn)定性。

表11 混合料車轍試驗結(jié)果Table 11 Results of rutting test for mixed materials

圖9 各組車轍試驗典型曲線Fig 9 Typical curves of rutting test in each group

3.3 低溫抗裂性能驗證

3.3.1 小梁低溫彎曲試驗

根據(jù)文獻[14]規(guī)定的試驗方法，成型車轍板并切割成小梁試件，使用LWMT-100型瀝青混合料萬能試驗機，進行(-10±0.5)℃條件下的三點彎曲試驗，測試結(jié)果如表12和圖10所示。試驗數(shù)據(jù)表明，4%摻量的BRA瀝青混合料(組別2)的彎拉強度和勁度模量分別提高63.5%和164.0%，但其彎拉應(yīng)變降低了37.5%；混摻橡膠粉降低了BRA改性混合料的勁度模量，但改善了BRA單純改性混合料的彎曲應(yīng)變能力。粒度較細的4#橡膠粉與BRA混摻可使混合料的強度、模量及應(yīng)變改善效果均衡化，相對基準配比瀝青混合料，組別6的試件彎拉應(yīng)變略有減小，但彎拉強度和彎曲勁度模量分別提高了71.8%和87.5%。

表12 小梁彎曲試驗結(jié)果Table 12 Results of bending test of trabeculae

圖10 小梁彎曲測試結(jié)果柱狀圖Fig 10 Column diagram of trabeculae bending test results

3.3.2 低溫劈裂試驗

低溫劈裂試驗是以間接抗拉的方式考察瀝青混合料的低溫抗拉性能，相對于小梁試件其試件成型較為方便，試件尺寸的誤差相對較小，因此常被采用。本研究采用雙面擊實75次，成型標準馬氏試件，室溫靜置1 d后，放入(-10±0.5)℃環(huán)境箱中保溫2 h。然后轉(zhuǎn)移到帶環(huán)境箱的萬能試驗機進行測試。測試結(jié)果如表13和圖11所示。

試驗結(jié)果表明，相對基準配比混合料，BRA改性瀝青混合料劈裂抗拉強度提高了20.3%，壓縮模量增大了11.7%；而BRA和4#膠粉復(fù)合改性，劈裂抗拉強度和壓縮模量分別提高了35.8%和43.4%。結(jié)合前文中圖2橡膠粉的級配特性可見，粒度越細，膠粉與BRA復(fù)合改性混合料的低溫劈裂強度和模量越高，但相應(yīng)劈裂變形能力有所降低。

表13 低溫劈裂試驗結(jié)果Table 13 Low temperature splitting test results

圖11 低溫劈裂測試結(jié)果柱狀圖Fig 11 Histogram of low temperature splitting test results

4 結(jié)論

將BRA和4種不同粒度的橡膠粉復(fù)摻，以干法工藝改性瀝青混合料，通過試驗驗證其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能，得出如下結(jié)論：

(1)4%摻量的BRA改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高明顯，但橡膠粉等量替換部分BRA會使殘留穩(wěn)定度有所下降，采用粒度較細的橡膠粉可相對減小混合料殘留穩(wěn)定度的降低量；

(2)采用較細粒度的橡膠粉與BRA復(fù)摻能明顯提升改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度和凍融劈裂抗拉強度比，而且混合料劈裂持荷變形量增大，改善了BRA改性瀝青混合料的脆性；

(3)相對于BRA單一改性瀝青混合料，粒度較粗的橡膠粉等量替換BRA降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但100目的膠粉與BRA復(fù)摻，混合料的動穩(wěn)定度提升了21.2%；

(4)粒度較細的4#橡膠粉部分替代BRA可使改性瀝青混合料小梁低溫彎曲的強度、模量及應(yīng)變改善效果均衡化，相對于基準配比瀝青混合料，其彎拉應(yīng)變略有減小，但彎拉強度和彎曲勁度模量分別提高了71.8%和87.5%；

(5)粒度越細，膠粉與BRA復(fù)合改性混合料的低溫劈裂強度和模量越高，相應(yīng)劈裂壓縮變形量有所降低。