鞠達(dá) 何平
摘 要:為分析橡膠粉摻量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,研究以瀝青、骨料以及橡膠粉等為材料,制備0%、2.5%和5%之3種橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣,并在凍融循環(huán)條件下進(jìn)行相關(guān)試驗。結(jié)果顯示,摻入橡膠粉能夠提升試樣的質(zhì)量,當(dāng)摻量為5%時,試樣質(zhì)量損失率的最高值為2.86%。隨著橡膠粉摻入量的增加,瀝青混合料的孔隙率也逐漸增加,試樣C的孔隙率可達(dá)到9.41%。試樣的破壞應(yīng)變力得到了提升,車轍持續(xù)作用1 h時,累計變形結(jié)果僅為2.04 mm,說明摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試樣的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度得到了增強(qiáng),可達(dá)到88.3%。
關(guān)鍵詞:橡膠粉摻量;瀝青混合料;水穩(wěn)定性;凍融循環(huán)條件;耐久性;高溫穩(wěn)定性
中圖分類號:TU53;TQ335
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1001-5922(2023)04-0153-05
Analysis of influence of rubber powder content on water stability of asphalt mixture
—based on experimental study of freeze-thaw cycle conditions
JU Da1,HE Ping2
(1.Southeast University Chengxian College,Nanjing 210088,China;
2.China Design Group,Nanjing 210014,China
)
Abstract:In order to analyze the influence of rubber powder content on the water stability of asphalt mixture,asphalt,aggregate and rubber powder were used as materials to prepare asphalt mixture samples with 0%,2.5% and 5% rubber powder content.Experiments were carried out under freeze-thaw cycles.The test results show that adding rubber powder can improve the quality of the sample.When the dosage is 5%,the maximum mass loss rate is 2.86%.With the increase of rubber powder content,the porosity of asphalt mixture gradually increases,and the porosity of sample C can reach 9.41.The failure stress of the sample is improved,and the cumulative deformation is only 2.04 mm when the rutting continues for 1 hour,indicating that the high temperature stability of asphalt mixture could be improved by adding rubber powder.The freezing-thawing splitting tensile strength of the sample is enhanced,reaching 88.3%.
Key words:rubber powder content;asphalt mixture;water stability;freeze-thaw cycle conditions;durability;
high temperature stability
水損傷是我國瀝青路面常見的損壞形式[1],該損壞主要發(fā)生在我國西北地區(qū),該類地區(qū)存在冷熱交替的顯著特點,并且早晚溫差較大,凍融循環(huán)明顯,在該過程中,瀝青路面內(nèi)會形成三相體系結(jié)構(gòu),在飽水的情況下經(jīng)過融凍循環(huán)后[2],導(dǎo)致瀝青內(nèi)部的孔隙增加,在使用過程中發(fā)生松散和剝落等情況,降低路面的承載力,影響其水穩(wěn)定性。
橡膠粉是廢舊橡膠輪胎回收處理后生產(chǎn)而成的,將處理后的橡膠粉摻于瀝青混合料中,能夠提升瀝青的耐久性,改善路面性能,增加路面的彈性[3]。其也可降低車輛行駛過程中輪胎和路面摩擦產(chǎn)生的噪聲,改善車輛行駛的舒適度;并且在冰雪天氣中,也可以提升路面的抗滑能力。為此,文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別對摻入橡膠粉的混合瀝青料進(jìn)行相關(guān)研究,分析其疲勞壽命和蠕變特性。本文為分析瀝青混合料的水穩(wěn)定性,在凍融循環(huán)條件下,展開相關(guān)試驗并進(jìn)行分析。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗原材料
為分析摻入不同量的橡膠粉后,瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)變化,制備瀝青混合料試樣,將制備完成的試樣,在凍融環(huán)境下展開相關(guān)試驗。
試樣的制備采用的材料包含瀝青、骨料(其包含粗集料、細(xì)集料)、橡膠粉、礦粉。其中,瀝青材料的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。使用的橡膠粉是在常溫環(huán)境下[6],對廢舊輪胎粉碎加工處理后形成,橡膠粉技術(shù)指標(biāo):篩余物7.95%、水分0.32%、金屬0.031%、纖維0.55%、相對密度1.15。
1.2 試樣制備配比確定
1.2.1 橡膠粉摻量配比
在進(jìn)行試樣制備時,采用橡膠粉替換骨料中的部分細(xì)集料,為保證替換量的精準(zhǔn)性[7],采用內(nèi)摻法確定替換的摻量。該算法是采用等體積替換方式,對細(xì)集料的質(zhì)量進(jìn)行替換,其公式為:
Ms=M×Rγr×γs(1)
式中:Ms和M均表示質(zhì)量,前者表示被替換的細(xì)集料的質(zhì)量,后者表示混合料的質(zhì)量;R表示質(zhì)量比,對應(yīng)橡膠粉和混合集料;γr和γs均表示密度,前者為混合料的密度,后者為細(xì)集料的密度。
在瀝青混合料的制備過程中,骨料主要包含粗細(xì)2種集料。橡膠粉摻入后會混入骨料中,對骨料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成變化,導(dǎo)致瀝青混合料的穩(wěn)定性受到直接影響[8]。因此,在制備過程中,采用間斷級完成骨料調(diào)配,其以粗集料為主,保證橡膠粉摻入后的容納空間。因此,橡膠粉摻入后,需確定粗細(xì)兩種集料、瀝青和橡膠粉的最佳比例,保證瀝青混合料的穩(wěn)定性[9]。
基于上述分析,為保證計算結(jié)果的精準(zhǔn),采用主集料空隙填充法進(jìn)行骨料間隙率描述其嵌擠程度,以此,確定骨料密實結(jié)構(gòu)的混合料級配比例,其間隙率的計算公式為:
VCADRC=(1-ρsc/ρtc)×100%(2)
式中:VCADRC表示骨料的間隙率;ρsc和ρtc均表示密度,兩者均對應(yīng)主集料,前者對應(yīng)緊裝狀態(tài),后者對應(yīng)表觀狀態(tài)。
主集料空隙填充法在應(yīng)用過程中,粗集料嵌擠結(jié)構(gòu)不會受到細(xì)集料和瀝青混合膠漿的影響 [10]。在此基礎(chǔ)上,確定瀝青、粗集料、粗集料、礦粉的質(zhì)量比例。上述材料質(zhì)量比例確定時,其間隙率和下述參數(shù)存在直接影響,其表達(dá)式為:
qc+qf+qp=100%(3)
qc100ρscVCA-Vvs=qpρtp+qfρtf+qaρa(4)
式中:qc、qf、qp、qa均表示質(zhì)量占比,分別對應(yīng)粗集料、細(xì)集料、礦粉和有效瀝青;ρa、ρtp、ρtf均表示密度,分別對應(yīng)瀝青、細(xì)集料和礦粉;VCA和Vvs均表示間隙率,前者對應(yīng)骨料架,后者對應(yīng)瀝青混合料設(shè)計目標(biāo)。
依據(jù)上述公式即可確定各個材料的質(zhì)量占比,粗集料的質(zhì)量占比為5∶5,此時間隙率最低,為40.45%;基于此,確定其他材料的質(zhì)量占比,得出3種橡膠粉摻量的確定,分別是0%、2.5%和5%。
1.2.2 瀝青混合料的攪拌工藝
在確定橡膠粉的摻量后,制備不同橡膠粉摻量的瀝青混合料。依據(jù)1.2.1小節(jié)將確定各個材料進(jìn)行混合后,對其實行均勻攪拌,其攪拌工藝流程如圖1所示。
將瀝青置于烘箱中,設(shè)定烘箱溫度為190 ℃,對瀝青實行加熱處理[11];將確定質(zhì)量的骨料和礦粉也置于烘干箱中進(jìn)行加熱處理,其烘干溫度為195 ℃。將兩者完成烘干后,再充分進(jìn)行混合攪拌,攪拌過程中溫度保持在185 ℃。為了保證攪拌過程中瀝青和其他材料之間的充分反應(yīng),在攪拌過程的前30 s內(nèi),采用干拌的方式對骨料實行攪拌,該骨料中包含粗細(xì)兩種集料和橡膠粉。在此基礎(chǔ)上,加入瀝青再繼續(xù)進(jìn)行攪拌,保證混合料達(dá)到均勻狀態(tài),持續(xù)時間為2 min。最后,將礦粉加入混合料中繼續(xù)進(jìn)行攪拌,保證混合料達(dá)到均勻狀態(tài),持續(xù)時間為1 min。
完成上述步驟后,即完成瀝青混合料的攪拌,將該混合料置于模板中,制備長方體的瀝青混合料試樣,在圓柱形的上下面采用敲擊的方式,實行100 次擊實處理,以此成型,即可得到圓柱形的3種橡膠粉的摻量的試樣,尺寸均為1.2 m×0.6 m×0.1 m,分別用試樣A、試樣B和試樣C表示,對3種進(jìn)行養(yǎng)生后,備用。
1.3 凍融循環(huán)試驗
凍融循環(huán)試驗包含2步驟:一是試樣飽水;二是凍融循環(huán)。
(1)試樣飽水。為了保證凍融循環(huán)試驗時試驗條件滿足實際情況,模擬冬季冰雪天氣時,瀝青路面在浸水時的狀態(tài),將制備完成后的試樣,在常溫情況下放置于常壓的水池中進(jìn)行浸泡,浸泡時間為5 d;準(zhǔn)備3個塑料袋,各個塑料袋中均裝入1 cm的自來水,將浸泡后的試樣取出,并各自置于有水的塑料袋中,并將塑料袋密封后置于恒溫箱中;
(2)凍融循環(huán)試驗。為保證模擬的真實性,充分考慮冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)3個影響因素,為保證試驗周期的合理性,避免多余的試驗周期,并在短時間內(nèi)完成凍融循環(huán)試驗的模擬,設(shè)定冰凍溫度為-25 ℃,融化溫度為60 ℃。在試驗過程中,由于馬歇爾試樣的尺寸不大,冰凍較為容易,因此,其冰凍時間為3 h,融化時間為1.5 h,并且為保證試樣在凍融循環(huán)條件下,其變化的清晰體現(xiàn),確定的凍融次數(shù)為100 次。
1.4 試樣性能計算方法
1.4.1 試樣孔隙率計算
試樣的密度計算采用表干法完成,獲取密度結(jié)果后,計算試樣孔隙率(VV),其計算公式為:
VV=1-λfλt×100%(5)
式中:λf和λt均表示相對密度,前者對應(yīng)相對密度的最大值,后者對應(yīng)相對密度的表觀相。
1.4.2 試樣低溫抗裂性能計算
本文采用低溫彎拉試驗測試試樣的低溫抗裂性能,該試驗在-15 ℃的條件下進(jìn)行,該試驗的加載速率為55 mm/min,其計算公式為:
RB=3×L×PB2×b×h2(6)
εB=6×h×dL2(7)
SB=RBεB(8)
式中:在試樣發(fā)生破壞的情況下;RB表示抗彎拉強(qiáng)度值;εB表示最大彎拉值;SB表示彎曲勁度模量值;PB表示最大載荷;試樣斷裂面的寬和高分別用b和h表示;L表示跨徑;d表示撓度。
1.4.3 試樣穩(wěn)定性計算
(1)高溫穩(wěn)定性計算。瀝青混合料在高溫情況下會產(chǎn)生變形,影響車輛行駛的舒適性,文中采用車轍試驗完成試樣的高溫穩(wěn)定性測試,其計算公式為:
DS=(t2-t1)×Nd2-d1×C1×C2(9)
式中:DS表示試樣的動穩(wěn)定程度;N表示碾壓速度;t2和t1時刻的變形量分別用d2和d1表示;C1和C2均表示系數(shù)。
(2)水穩(wěn)定性計算。依據(jù)劈裂試驗和計算結(jié)果為依據(jù),對試樣的水穩(wěn)定性進(jìn)行測試,凍融劈裂抗拉強(qiáng)度計算公式為:
TRS=RT2RT1×100(10)
式中:RT2和RT1均表示劈裂抗拉強(qiáng)度,其也表示破壞載荷值,前者對應(yīng)凍融循環(huán)后的劈裂抗拉強(qiáng)度,后者對應(yīng)凍融循環(huán)前的劈裂抗拉強(qiáng)度。
1.4.4 試樣耐久性預(yù)測
在實際情況下,瀝青路面受到的凍融作用呈現(xiàn)持續(xù)特性。在試驗過程中,雖然在最大程度上采用接近的試驗條件,模擬實際凍融情況,但是試驗次數(shù)和凍融試驗的載荷模擬,仍舊與實際情況存在一定差異,因此,本研究為更進(jìn)一步測試試樣在凍融條件下的承載力,采用灰色數(shù)列模型,預(yù)測試樣在凍融循環(huán)條件下的耐久性,并預(yù)測試樣的變化規(guī)律。
GM(1,1)模型是灰色數(shù)列模型中的典型模型,其運算的復(fù)雜程度較低,且預(yù)測結(jié)果可靠。因此,構(gòu)建GM(1,1)模型,其公式為:
dYtdt+αYt=μ(11)
式中:Yt表示t時刻的數(shù)列,且其具有一定規(guī)律;α和μ均表示待定系數(shù)。
對該模型實行求解后得出:
Yt=X0-μαeαt+μα(12)
式中:X0表示原始數(shù)列;e表示運算函數(shù)。
由于模型是通過累加數(shù)據(jù)生成,因此,經(jīng)過累減后獲取預(yù)測值X°,其計算公式為:
X°=Yt-Yt-1(13)
式中:Yt-1表示t-1的數(shù)列。
依據(jù)該步驟即可完成試樣耐久性的預(yù)測結(jié)果,判斷試樣的變化規(guī)律。
2 測試與結(jié)果分析
2.1 試樣質(zhì)量比變化分析
為分析橡膠粉摻入后,瀝青混合料的質(zhì)量變化情況,獲取不同凍融次數(shù)下,3個試樣的質(zhì)量損失率結(jié)果,具體如圖2所示。
對圖2的試驗結(jié)果進(jìn)行分析后得出,在凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加情況下,不同橡膠粉摻量試樣的質(zhì)量損失率也存在明顯區(qū)別。其中,試樣A的橡膠粉摻量為0%,其在凍融次數(shù)為100次時,質(zhì)量損失率最高結(jié)果達(dá)到5.87%;在相同凍融次數(shù)下,試樣C的質(zhì)量損失率結(jié)果為2.86%。這是由于加入橡膠粉后,可增加試樣內(nèi)部的空隙,使試樣內(nèi)部的水分增加。因此,摻入橡膠粉能夠提升試樣的質(zhì)量,降低其質(zhì)量損失率。
2.2 低溫抗裂性能試驗結(jié)果
獲取各個試樣孔隙率結(jié)果后,并進(jìn)行彎曲試驗,獲取各個試樣的試驗結(jié)果,具體如表3所示。
由表2可知,隨著橡膠粉摻量的逐漸增加,3個試樣孔隙率和最大彎拉微應(yīng)變結(jié)果也逐漸增加,而抗彎拉強(qiáng)度和勁度模量逐漸下降。這是由于橡膠粉摻入后,其強(qiáng)度會下降,但是由于橡膠粉的會增加混合料的彈性作用。因此,摻入橡膠粉會提升試樣的破壞應(yīng)變力。
2.3 高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果
獲取3個試樣在高溫條件下,隨著車轍的持續(xù)作用,3個試樣的累計變形結(jié)果,具體如表3所示。
由表3可知,隨著車轍作用時間的逐漸增加,在車轍的持續(xù)作用下,3個試樣的累積變形結(jié)果呈現(xiàn)明顯差異。其中,試樣A的累積變形最明顯,持續(xù)時間為60 min時,累計變形結(jié)果達(dá)到4.22 mm;試樣C的累計變形結(jié)果僅為2.04 mm[12]。這是由于橡膠粉屬于彈性材料,將其摻入到瀝青混合料中后,會降低瀝青混合料的流動變形,從而使試樣的彈性性能也會在一定程度上提升。
2.4 試樣的水穩(wěn)定性試驗
獲取3個試樣在不用劈裂載荷下,其水穩(wěn)定性的試驗結(jié)果,具體如表4所示。
由表4可知,在經(jīng)過凍融前和經(jīng)過凍融后兩種情況下,隨著劈裂載荷的逐漸增加,3種試樣的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度隨著劈裂載荷的增加而降低,但是下降幅度較小。其中,試樣C的RT2和RT1和TRS結(jié)果均優(yōu)于另外2個試樣的結(jié)果,其最高TRS結(jié)果為88.3%,與試樣A的差值為8.2%。這是由于橡膠粉加入后,能夠提升瀝青混合料的彈性[13]。因此,在受到劈裂載荷下,試樣的TRS值越佳,水穩(wěn)定越好。
2.5 試樣的極限強(qiáng)度試驗
獲取在不同的凍融次數(shù)下,3個試樣的極限強(qiáng)度損失結(jié)果,具體如表5所示;其中,負(fù)值表示強(qiáng)度上升,正值表示強(qiáng)度下降。
由表5可知,凍融次數(shù)的不斷變化,橡膠粉摻量為0%的試樣,在凍融次數(shù)達(dá)到100次時,其極限強(qiáng)度損失率結(jié)果為34.7%;試樣B和試樣C的極限強(qiáng)度發(fā)生先小幅度下降后上升再下降的趨勢,在凍融循環(huán)次數(shù)為30次時,二者試樣的值均為負(fù)值,表示此時2個試樣的強(qiáng)度發(fā)生不同程度的上升,上升比例分別為4.45%和6.6%;隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加,2個試樣的極限強(qiáng)度損失率分別為19.6%和12.7%[14]。因此,橡膠粉的摻入能夠增加瀝青混合料的極限強(qiáng)度,降低其損失率。
2.6 試樣耐久性預(yù)測結(jié)果
對3個試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行預(yù)測,將預(yù)測結(jié)果和試驗獲取的結(jié)果進(jìn)行對比,分析本文方法的預(yù)測效果,依據(jù)該結(jié)果判斷本文方法對于試樣變化規(guī)律的預(yù)測效果,具體如表6所示。
由表6可知,在不同的凍融次數(shù)下,3種試樣劈裂抗拉強(qiáng)度的預(yù)測結(jié)果和試驗獲取的結(jié)果之間差距較小,吻合程度較高,表示本文采用的耐久性預(yù)測模型可靠性較高,能夠?qū)ε芽估瓘?qiáng)度結(jié)果進(jìn)行預(yù)測[15]。
3 結(jié)語
將橡膠粉摻入瀝青混凝土,在一定程度上提升混凝土的性能,已經(jīng)成為普遍的方式,為分析橡膠粉對于瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,研究制備了不同橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣,并在凍融循環(huán)條件下展開相關(guān)實驗和分析。結(jié)果顯示,將橡膠粉摻入瀝青混合料后,能夠提升瀝青混合料的耐久性,降低其質(zhì)量損失率[16]。摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的破壞應(yīng)變力、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。橡膠粉對于瀝青混合料的極限強(qiáng)度具有一定提升效果。
綜上所述,在實際施工過程中,可依據(jù)工程的實際需求,適量加入橡膠粉,以此提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性,保證工程質(zhì)量以及車輛行駛的舒適性。
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