李寧利，王 猛，趙新坡

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300384)

近年來，廢輪胎、廢塑料堆積造成的環(huán)境污染問題受到社會的廣泛關(guān)注。實踐證明，2種廢舊高分子材料在高速公路路面材料中的應(yīng)用取得了較好成果[1-5]。但廢輪胎膠粉和廢塑料與瀝青的相容性較差[6-12]，有學(xué)者借鑒金屬材料中合金的概念[13]，預(yù)先將廢輪胎膠粉和廢塑料通過特定工藝，制備成橡塑合金改性劑，廢輪胎膠粉和廢塑料可以通過前期擴(kuò)散滲透，在改善與基質(zhì)瀝青相容性的同時，兼顧瀝青及其混合料的性能[14-15]。學(xué)者普遍采用雙螺旋桿擠出機(jī)制備橡塑合金，雙螺桿擠出機(jī)輸送性能和混合性能良好、生產(chǎn)能力強(qiáng)，但在使用過程中容易出現(xiàn)物料逆流的現(xiàn)象，大部分熱量要從料筒外部的加熱器傳入，這種特性會導(dǎo)致物料的熱降解，降低材料的使用性能[16]。基于此，文中采用精密開煉機(jī)混煉所得的橡塑合金以及市售廢舊輪胎橡膠粉分別對倫特70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，選擇AC-13及SMA-13 2種級配類型，橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青2種瀝青拌制混合料并進(jìn)行試驗，分析橡塑合金改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及低溫抗裂性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

倫特70#基質(zhì)瀝青：25 ℃針入度66(0.1 mm)，10 ℃延度37.1 cm，軟化點49.8 ℃，15 ℃密度1.028 g/cm3；廢舊輪胎橡膠粉：粒徑40目，密度1.18 Mg/m3，加熱減量0.6%，纖維含量0.3%；廢舊塑料(LDPE)：密度0.917 g/cm3，拉伸強(qiáng)度10 MPa，熔點110 ℃。增溶劑：糠醛抽出油，密度0.9～1.01 g/cm3，閃點>210 ℃；穩(wěn)定劑：硫磺，表觀密度0.8～1.0 g/cm3，熔點≥110 ℃，水分≤5%。

橡塑合金改性劑由精密開煉機(jī)制備，橡塑質(zhì)量比為7∶ 3。粗集料、細(xì)集料和礦粉物理力學(xué)指標(biāo)如表1～表3所示。選擇AC-13及SMA-13 2種級配類型，級配范圍及合成級配如表4、表5所示，級配曲線如圖1、圖2所示。

表1 粗集料物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of coarse aggregate

表2 細(xì)集料物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of fine aggregates

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of mineral powder

表4 AC-13級配范圍及合成級配Table 4 AC-13 gradation range and mixed gradation

圖1 AC-13級配曲線Fig 1 AC-13 gradation curve

表5 SMA-13級配范圍及合成級配Table 5 SMA-13 gradation range and mixed gradation

圖2 SMA-13級配曲線Fig. 2 SMA-13 gradation curve

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 橡塑合金改性瀝青的制備

取一定質(zhì)量的瀝青加熱至180 ℃，分批加入橡塑合金(外摻20%)、增溶劑(外摻2%)，手持玻璃棒快速攪拌直至橡塑合金全部溶于瀝青后，開啟高速剪切乳化機(jī)，在 3 500 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切1.5 h，加入穩(wěn)定劑(外摻9‰)，攪拌均勻后溶脹發(fā)育0.5 h，即可制得橡塑合金改性瀝青，路用技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

1.2.2 廢輪胎膠粉改性瀝青的制備

將稱重后的瀝青加熱至180 ℃，分批加入廢輪胎膠粉(外摻20%)，手持玻璃棒快速攪拌 15 min，當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉完全溶于瀝青時，在高速剪切乳化機(jī)中，以 3 500 r/min 的速度剪切1 h，加入穩(wěn)定劑(外摻3‰)，攪拌均勻后溶脹發(fā)育0.5 h，即可制得廢輪胎膠粉改性瀝青，路用技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青路用技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Table 6 Technical index test results of rubber-plastic alloy modified asphalt and waste tire rubber powder modified asphalt

由表6可知，廢輪胎膠粉改性瀝青的離析現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不能滿足有關(guān)改性瀝青規(guī)范中關(guān)于離析軟化點差不超過5 ℃的要求[17]。而橡塑合金改性瀝青，離析軟化點差大幅降低，僅為1.6 ℃，能夠滿足要求,說明橡塑合金改性瀝青與廢輪胎膠粉改性瀝青相比，具有優(yōu)良的儲存穩(wěn)定性;與膠粉改性瀝青相比，橡塑合金改性瀝青的針入度減小、軟化點增大，延度減小，說明橡塑合金改性瀝青的稠度較大，高溫穩(wěn)定性較好，低溫抗裂性能較差。由此可知，膠粉改性瀝青適用于溫區(qū)，而橡塑合金改性瀝青適用于熱區(qū)，氣候分區(qū)見《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)附錄A[16]。

1.3 改性瀝青混合料成型參數(shù)

廢輪胎膠粉改性瀝青混合料采用馬歇爾設(shè)計方法，確定AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料最佳油石比為4.8%， SMA-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料最佳油石比為6.1%。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 (JTG E20- 2011)擬定AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料拌和溫度170 ℃，擊實溫度165 ℃，擬定SMA-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料拌和溫度175 ℃，擊實溫度 160 ℃。

根據(jù)既有經(jīng)驗，初擬AC-13橡塑合金改性瀝青混合料的油石比為4.8%，初擬SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料瀝青混合料的油石比為6.1%，分別以初擬油石比±0.5%分別制備馬歇爾試件。此外，由于廢輪胎膠粉彈性較好，含有膠粉的橡塑合金改性瀝青和廢輪胎膠粉改性瀝青彈性好、黏度高，且隨著橡塑合金中LDPE的加入還會提高瀝青混合料的拌和、擊實溫度。初擬AC-13橡塑合金改性瀝青混合料的拌和溫度為175 ℃、180 ℃和185 ℃，擊實溫度為165 ℃、170 ℃、175 ℃。由于SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料中礦粉用量較高，因此，SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料的初擬拌和溫度和擊實溫度需要適當(dāng)提高，初擬拌和溫度為180 ℃、185 ℃和190 ℃，擊實溫度為170 ℃、175 ℃和180 ℃。

1.3.1 基于正交試驗的AC-13瀝青混合料成型參數(shù)

影響瀝青混合料性能的影響因素分別為油石比、拌和溫度和擊實溫度，每個因素又分為3個水平，因此選用三因素三水平正交表設(shè)計試驗方案，通過馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率，確定最佳方案。AC-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平如表7所示，正交試驗設(shè)計如表8所示。

表7 AC-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平Table 7 Forming factor level of AC-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

按照表8的正交試驗方案進(jìn)行試驗，每組方案進(jìn)行4次平行試驗，當(dāng)某個測定值與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.15倍時，則舍棄該值，取滿足誤差要求的試驗結(jié)果，如表9所示。

表8 AC-13橡塑合金改性瀝青混合料正交試驗設(shè)計表Table 8 Orthogonal experimental design of AC-13 rubber and plastic alloymodified asphalt mixture

表9 正交試驗結(jié)果Table 9 Results of orthogonal test

對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，發(fā)現(xiàn)不同因素對試驗指標(biāo)的影響。由橡塑合金改性瀝青的路用性能可知，橡塑合金改性瀝青高溫穩(wěn)定性較好，低溫抗裂性較差，適用于炎熱地區(qū)。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[]對密級配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中夏炎熱區(qū)空隙率的要求，設(shè)定目標(biāo)空隙率為4%，穩(wěn)定度取較大值，流值取較小值。極差分析結(jié)果如表10所示。

表10 極差分析結(jié)果Table 10 Results of range analysis

由表10可知，影響穩(wěn)定度的因素排序為A>B>C，影響流值的因素排序為A>C>B，影響空隙率的因素排序為A>B>C，表明油石比的大小是影響橡塑合金改性瀝青混合料穩(wěn)定度、流值和空隙率的主要因素，拌和溫度為次要因素，擊實溫度影響最小。綜上分析，可以確定的最佳組合為A2B2C1，即油石比4.8%，拌和溫度180 ℃，擊實溫度165 ℃。其體積參數(shù)接近目標(biāo)空隙率，說明A2B2C1組合可以作為最佳組合。

1.3.2 基于正交試驗的SMA-13瀝青混合料成型參數(shù)

SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平、正交試驗設(shè)計如表11、表12所示，正交試驗結(jié)果如表13所示，極差分析結(jié)果如表14所示。

表11 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料成型因素水平Table 11 Forming factor level of SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

表12 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料正交試驗設(shè)計表Table 12 Orthogonal test design of SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

表14 極差分析結(jié)果Table 14 Results of range analysis

由表14可知，影響穩(wěn)定度的因素排序為A>C>B，影響流值的因素排序為A>C>B,影響孔隙率的因素排序為A>B>C，表明在所選3個因素中，油石比對于的試驗結(jié)果的影響程度最為重要，拌和溫度和壓實溫度次之。按照表5.12中最優(yōu)者可得最佳方案為A2B2C1，試驗結(jié)果空隙率接近目標(biāo)空隙率4%，說明A2B2C1，即油石比6.1%、拌和溫度185 ℃、擊實溫度170 ℃，為SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料的最佳制備工藝。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[18]對SMA瀝青混合料配合比設(shè)計的要求，對成型的馬歇爾試件，進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，測試結(jié)果如表15所示，均滿足規(guī)范要求。

表15 SMA-13橡塑合金改性瀝青混合料謝倫堡瀝青析漏和肯塔堡飛散試驗結(jié)果Table 15 Results of Schellenburg asphalt leakage and Kentarburg dispersion test for SMA-13 rubber and plastic alloy modified asphalt mixture

為方便敘述，下文將AC-13型橡塑合金改性瀝青混合料簡化為AC-13-A，AC-13型廢輪胎膠粉改性瀝青混合料簡化為AC-13-R，同理，SMA-13型瀝青混合料相應(yīng)簡化為SMA-13-A、SMA-13-R。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面高溫條件下抵抗變形的能力[19]。由于室內(nèi)車轍試驗設(shè)備操作簡單，試驗結(jié)果直觀且與瀝青路面車轍的相關(guān)性較好，能夠模擬實際中車輛荷載在路面上行走形成車轍的過程，采用室內(nèi)車轍試驗測試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,用輪碾成型機(jī)制備試件，試件尺寸為長300 mm×寬300 mm×厚50 mm，車轍試驗動穩(wěn)定度結(jié)果如表16所示。

表16 車轍試驗結(jié)果Table 16 Results of rutting test

由表16可知，橡塑合金改性瀝青、廢輪胎膠粉改性瀝青混合料均具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，AC-13-A型相比AC-13-R型瀝青混合料動穩(wěn)定度可提高22%，SMA-13-A型相比SMA-13-R型瀝青混合料動穩(wěn)定度可提高12%，說明橡塑合金改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能較好，可以推斷，與廢輪胎膠粉改性瀝青混合料相比，橡塑合金中的塑料成分的摻入，阻止了瀝青混合料的流動，明顯提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。雖然，制備橡塑合金的配比略有差異，同類研究也通過車轍試驗表明，橡塑合金改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能[20-21]。橡塑合金加入到基質(zhì)瀝青中，瀝青的針入度降低，軟化點升高，橡塑合金在瀝青中形成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了瀝青的流動，瀝青混合料的黏度提高。橡塑合金對改性瀝青混合料在高溫時的穩(wěn)定性起著重要作用。

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青路面在使用過程中暴露于外界環(huán)境中，在水的作用以及車輛行駛產(chǎn)生的動態(tài)荷載作用，使得水分逐漸滲入混合料中集料與瀝青的界面之間，瀝青路面混合料空隙中的水不斷浸蝕、沖刷著混合料，降低了瀝青的黏附性并導(dǎo)致瀝青喪失黏結(jié)力，集料表面的瀝青膜剝離脫落，混合料表面松散、掉粒，最終使得瀝青路面產(chǎn)生坑槽、推擠變形等損壞現(xiàn)象。

文中采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗方法評價AC-13-A型、AC-13-R型、SMA-13-A型和SMA-13-R型瀝青混合料的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗結(jié)果如表17所示。

表17 浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table 17 Results of the immersion Marshall test

由表17可知，4種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，AC-13型和SMA型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比較接近，說明2種級配的混合料水穩(wěn)定性相近；級配類型相同時，橡塑合金改性瀝青混合料穩(wěn)定度高于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料，說明橡塑合金改性瀝青混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料。凍融劈裂試驗與浸水馬歇爾試驗不同，試驗條件更為嚴(yán)酷，使用最為廣泛。凍融劈裂試驗過程中，馬歇爾試件會經(jīng)歷真空飽水、凍結(jié)和高溫水浴3個狀態(tài)。真空飽水狀態(tài)下水快速進(jìn)入混合料的空隙中，在壓力作用下侵入瀝青和集料的表面上，降低其黏附性。在低溫和高溫2個狀態(tài)循環(huán)時，空隙中水的體積會發(fā)生變化從而產(chǎn)生動水壓力。因此，凍融劈裂試驗在短時間內(nèi)能較好地模擬路面實際狀況，凍融劈裂試驗試驗結(jié)果如表18所示。

表18 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 18 Results of freeze-thaw splitting test

由表18可知，對于AC-13-R、SMA-13-R 2種級配類型混合料，橡塑合金改性劑能分別提高瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比3.457%、5.065%，由此可知，與膠粉改性瀝青混合料相比，橡塑合金中的塑料成分能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。雖然，制備橡塑合金的配比略有差異，浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗證明橡塑合金改性瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性[20-21]。

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料具有一定的應(yīng)力松弛能力，氣溫降低產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會因混合料的松弛能力而得到緩解。但氣溫降低速率較快時，瀝青混合料應(yīng)變的松弛相對于溫度應(yīng)力出現(xiàn)滯后，且低溫時瀝青混合料的松弛模量增大，松弛性能降低，溫度應(yīng)力不斷積累直至超過瀝青混合料的極限，混合料會開裂。采用低溫小梁彎曲試驗，以抗彎拉強(qiáng)度RB、最大彎拉應(yīng)變εB、彎曲勁度模量SB作為瀝青混合料低溫性能的評定指標(biāo)，試驗結(jié)果如表19所示。

由表19可知，AC-13-A型瀝青混合料與AC-13-R型瀝青混合料相比，抗彎拉強(qiáng)度降低了7.3%，最大彎拉應(yīng)變降低了3.2%；SMA-13-A型瀝青混合料與SMA-13-R型瀝青混合料相比，抗彎拉強(qiáng)度降低了6.4%，最大彎拉應(yīng)變降低了4.3%，2種級配類型的瀝青混合料變化趨勢一致。說明隨著塑料成分的加入，瀝青混合料的低溫抗裂性會有一定程度的降低。

表19 小梁彎曲試驗結(jié)果Table 19 Results of trabecular bending test

3 結(jié) 論

1)基于正交試驗設(shè)計，以馬歇爾試驗得到的體積參數(shù)為指標(biāo)可知橡塑合金改性瀝青混合料的成型參數(shù)，即AC-13改性瀝青混合料成型工藝為油石比4.8%、拌和溫度180 ℃、擊實溫度165 ℃；SMA-13型改性瀝青混合料的成型工藝為油石比6.1%、拌和溫度185 ℃、擊實溫度170 ℃。

2)與廢輪胎膠粉相比，橡塑合金能夠提高AC-13-A型瀝青混合料動穩(wěn)定度22%，SMA-13-A型瀝青混合料動穩(wěn)定度12%，表明橡塑合金改性瀝青混合料高溫性能優(yōu)于廢輪胎膠粉改性瀝青混合料。

3)與廢輪胎膠粉相比，橡塑合金能夠小幅提高AC-13、SMA-13 2種級配類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但會小幅降低AC-13、SMA-13 2種級配類型瀝青混合料的低溫抗裂性。