基于低溫性能的橡膠顆粒環氧瀝青混合料研究

薛永超++錢振東 夏榮輝

摘要：為了分析橡膠顆粒對環氧瀝青混合料低溫性能的改善作用，在選擇形狀特征及硬度合適的橡膠顆粒的前提下，基于抗彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量、脆化點溫度及應變能密度對不同橡膠顆粒體積摻量下的環氧瀝青混合料的低溫性能進行研究，并通過室內試驗對不同橡膠顆粒體積摻量下的環氧瀝青混合料的水穩定性及高溫性能進行驗證.結果表明：橡膠顆粒的細長扁平顆粒含量越小、邵爾A型硬度越大，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的壓實效果及抗松散性越好；體積摻量合適的橡膠顆粒對環氧瀝青混合料的抗彎拉強度、水穩定性及高溫性能影響不大，但能顯著提高其低溫變形能力，降低其脆化點溫度，改善其低溫性能；在-15 ℃時，5%橡膠顆粒體積摻量下的環氧瀝青混合料相對未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料，應變能密度提高了108.0%.

關鍵詞：環氧瀝青混合料；橡膠顆粒；抗彎拉強度；脆化點溫度；應變能密度

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A

環氧瀝青混合料是鋼橋面鋪裝的典型材料之一，具有優異的高溫性能、疲勞性能、水穩定性及密水性[1-2]，在我國有著很大的應用前景[3].但是環氧瀝青混合料作為一種熱固性材料，在發生固化反應的時候，不僅強度及硬度會大幅提高，柔韌性也會有所下降，導致抗裂性不足，尤其是低溫變形能力，因此在較低的溫度及較大的交通荷載下，低溫開裂一直是環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝的主要病害形式[2， 4].針對環氧瀝青混合料低溫性能的不足，目前的研究主要側重于混合料開裂后的修復，或者利用改性添加劑改善環氧瀝青結合料的低溫性能，而從混合料的集料出發，通過提高混合料的整體變形能力進而改善混合料的低溫性能的研究尚不多見.

廢舊輪胎作為一種固體廢棄物，每年的產量龐大，若棄之不管，會給我國的環境帶來極大的壓力，同時也會造成資源的巨大浪費.目前，將廢舊輪胎破碎成橡膠顆粒作為集料加入到瀝青混合料或者水泥混凝土中，是廢舊輪胎運用于道路工程的一種常用方式[5-7].橡膠顆粒化學穩定性好，在較寬的溫度范圍內具有良好的柔韌性、彈性及變形能力，可以顯著改善瀝青混合料的降噪能力[8]、除冰能力[9]及低溫性能[10]，同時，工藝簡單、經濟性好，并且可以避免處理過程中對環境的二次污染[11-12].

本文在總結現有研究成果的基礎上，選擇形狀特征及硬度合適的橡膠顆粒，將其作為一種集料，替代熱固性材料—環氧瀝青混合料的部分玄武巖集料，組合設計出一種橡膠顆粒環氧瀝青混合料，并通過室內試驗研究橡膠顆粒環氧瀝青混合料在不同橡膠顆粒體積摻量下的低溫性能、水穩定性及高溫性能，以期在不降低其他路用性能的前提下改善環氧瀝青混合料的低溫性能，減少或者避免環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝的裂縫病害.

1橡膠顆粒環氧瀝青混合料組合設計

1.1原材料

試驗研究采用的橡膠顆粒環氧瀝青混合料由環氧瀝青結合料、玄武巖集料、礦質填料及橡膠顆粒以一定的比例混合而成.其中，環氧瀝青結合料為鋼橋面用2910型國產環氧瀝青結合料，玄武巖集料的公稱最大粒徑為9.5 mm，礦質填料為粘附性較好、材質較輕且加工方便的石灰石礦粉，各項原材料主要性能的技術要求及試驗結果見表1；橡膠顆粒的密度為1.29 g/cm3，粒徑為1.18～2.36 mm，有4種邵爾A型硬度：48°，54°，57°和64°，每種邵爾A型硬度的橡膠顆粒又有5類細長扁平顆粒含量：0%，5%，10%，15%和20%；橡膠顆粒環氧瀝青混合料的礦料級配見表2.

采用體積計算法（被替換的玄武巖集料的粒徑及體積與摻加的橡膠顆粒相等）摻加橡膠顆粒：首先根據橡膠顆粒（粒徑為1.18～2.36 mm）的設計體積摻量百分比（與集料總體積的比值）與集料總體積得到需要摻加的橡膠顆粒與被替換的玄武巖集料的體積，結合橡膠顆粒的密度與粒徑為1.18～2.36 mm的玄武巖集料的密度（2.941 g/cm3），分別計算出橡膠顆粒的摻加質量與粒徑為1.18～2.36 mm的玄武巖集料的替換質量；其次，根據玄武巖集料的替換質量取出粒徑為1.18～2.36 mm的部分玄武巖集料；最后根據橡膠顆粒的摻加質量摻加橡膠顆粒，得到摻加有橡膠顆粒的礦料，使用此礦料進行橡膠顆粒環氧瀝青混合料的試驗研究.

1.2橡膠顆粒的參數選擇

橡膠顆粒作為混合料的一種集料，其形狀特征及硬度等參數對混合料的壓實特性和松散特性有著很大的影響[13-14].橡膠顆粒的形狀通常有立方體狀及細長扁平狀兩種形態，硬度也有很大區別，本文首先通過橡膠顆粒環氧瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率及飛散損失研究其壓實特性及松散特性，以確定合適的橡膠顆粒參數.

選擇細長扁平顆粒含量及邵爾A型硬度不同的橡膠顆粒，均以7.5%的體積摻量采用體積計算法摻加橡膠顆粒，進行馬歇爾試驗確定各自的最佳油石比，在各自的最佳油石比下各成型8個馬歇爾試件，4個試件通過瀝青混合料密度試驗得出空隙率，4個試件通過瀝青混合料肯塔堡飛散試驗得出飛散損失，試驗結果的平均值見圖1.

由圖1可以看出，不同邵爾A型硬度下，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的空隙率及飛散損失均隨著橡膠顆粒的細長扁平顆粒含量的增加而增大，這說明橡膠顆粒中的細長扁平顆粒會降低環氧瀝青混合料的壓實效果及抗松散性.這是由于橡膠顆粒的形狀越接近立方體，其棱角就越多，經壓實成型后，橡膠顆粒與玄武巖集料之間就可以形成良好的齒合嵌鎖，混合料的結構就越穩定，反之，如果橡膠顆粒中細長扁平顆粒較多，即使在外力作用下強行壓實成型，在外力消失之后，由于齒合嵌鎖作用較弱，橡膠顆粒的彈性會造成集料之間的滑動，在導致混合料的空隙率增大的同時，破壞了混合料內部結構的穩定.

另一方面，不同細長扁平顆粒含量下，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的空隙率及飛散損失均隨著橡膠顆粒的邵爾A型硬度的增加而減小，這說明橡膠顆粒的邵爾A型硬度越大，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的壓實效果及抗松散性越好.邵爾A型硬度是橡膠顆粒最常用的一個強度評價指標，反映了橡膠顆粒在外力作用下的抗變形能力，在混合料中，橡膠顆粒的邵爾A型硬度越大，橡膠顆粒與玄武巖集料及瀝青之間形成的網絡結構越穩定，混合料的回彈變形就越小，足夠的邵爾A型硬度可以保證混合料的空隙率及抗松散能力.

空隙率是環氧瀝青混合料組成設計的重要控制指標，環氧瀝青混合料的高密水性等特性要求其空隙率小于等于3%[15]，由邵爾A型硬度為48°的橡膠顆粒構成的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的空隙率均大于3%，因此邵爾A型硬度為48°的橡膠顆粒不能作為橡膠顆粒環氧瀝青混合料的組成部分，同時其他硬度下，細長扁平顆粒較多的橡膠顆粒也不能作為橡膠顆粒環氧瀝青混合料的組成部分.

綜合可得，橡膠顆粒的細長扁平顆粒含量越小、邵爾A型硬度越大，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的壓實效果及抗松散性越好，因此，選擇細長扁平顆粒含量為0%且邵爾A型硬度為64°的橡膠顆粒作為后續橡膠顆粒體積摻量設計、低溫性能、水穩定性及高溫性能研究的試驗材料.

1.3橡膠顆粒的體積摻量設計

橡膠顆粒的體積摻量選擇為2.5%，5.0%，7.5%，10.0%和12.5%，同時增加不摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料作為對比，通過馬歇爾試驗確定各個體積摻量下的最佳油石比，并在各自的最佳油石比下補充浸水馬歇爾試驗及肯塔堡浸水飛散試驗，最佳油石比等試驗結果見表3.

從表3可以看出，隨著橡膠顆粒體積摻量的增加，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的最佳油石比、空隙率及浸水飛散損失也逐漸增加，油石比的增加是由于橡膠顆粒對環氧瀝青結合料的吸收能力大于玄武巖集料，空隙率及浸水飛散損失的增加則是由于橡膠顆粒的回彈作用，馬歇爾試件成型后，回彈的橡膠顆粒在一定程度上會撐開橡膠顆粒環氧瀝青混合料的嵌鎖結構，導致空隙率增大、抗松散能力變差；另一方面，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度及殘留穩定度則隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而減小，而且減小的幅度越來越大，但是當體積摻量小于等于5%時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度及殘留穩定度均變化很??；同時，由于橡膠顆粒的密度小于玄武巖集料，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的毛體積相對密度隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而減小.

當體積摻量為12.5%時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的空隙率超過了3%的控制指標[15]，因此在后續橡膠顆粒環氧瀝青混合料的性能研究中，排除此體積摻量.

2橡膠顆粒環氧瀝青混合料的低溫性能研究

2.1小梁彎曲試驗

為了評價橡膠顆粒對環氧瀝青混合料低溫性能的影響，對橡膠顆粒環氧瀝青混合料進行不同溫度下的小梁彎曲試驗，試驗參照JTG E20-2011（T0715-2011）規程進行，小梁的尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，跨徑為200 mm，加載速率為50 mm/min，試驗溫度分別為10 ℃，5 ℃，0 ℃，-5 ℃，-10 ℃和-15 ℃.每個試驗溫度下，不同的橡膠顆粒體積摻量的橡膠顆粒環氧瀝青混合料小梁試件做4個，試驗結果取均值，如圖2所示.

由圖2（a）可以看出，當橡膠顆粒的體積摻量小于5%時，相對于未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料，10 ℃與5 ℃下的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的抗彎拉強度幾乎沒有變化，溫度低于5 ℃下的抗彎拉強度則有略微的增加，說明橡膠顆粒對環氧瀝青混合料的抗彎拉強度影響較小，尤其是常溫抗彎拉強度；當橡膠顆粒的體積摻量大于5%時，抗彎拉強度開始下降，這是由于過多的橡膠顆粒減少了起骨架支撐的集料的用量，橡膠顆粒直接承受外力作用，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的整體強度降低.

圖2（b）中橡膠顆粒環氧瀝青混合料的最大彎拉應變隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而先增大后減小，當溫度大于等于-10 ℃時，5%的橡膠顆粒體積摻量的最大彎拉應變最大；當溫度為-15 ℃時，7.5%橡膠顆粒體積摻量的最大彎拉應變最大，相對于未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料提高了71%，說明體積摻量合適的橡膠顆?？梢燥@著改善環氧瀝青混合料的柔韌性，提高環氧瀝青混合料低溫變形能力.

從圖2（c）可以看出，不同的試驗溫度下，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的彎曲勁度模量均隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而減小，且在低溫時減小的幅度遠遠大于常溫，說明橡膠顆粒對改善環氧瀝青混合料的低溫脆性有很大的作用.在試驗過程中，也可以發現橡膠顆粒環氧瀝青混合料小梁的破壞與未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料不一樣，不是瞬間發生的，而是可以明顯看到裂縫逐漸擴散與蔓延的過程.

同時，將橡膠顆粒對環氧瀝青混合料低溫性能的影響與橡膠粉對環氧瀝青混合料的影響及橡膠顆粒對普通瀝青混合料的影響進行比較，對比分析橡膠顆粒對環氧瀝青混合料低溫性能的影響程度.小梁彎曲試驗采用的橡膠粉為大貨車子午胎膠粉0.38 mm（40目），密度為1.26 g/cm3，試驗采用的普通瀝青混合料為常用的AC13密級配瀝青混合料，試驗溫度為-15 ℃，橡膠粉與橡膠顆粒的體積摻量均為5%，并補充未摻加橡膠顆粒的普通瀝青混合料小梁彎曲試驗，3種瀝青混合料的試驗結果見表4.

從表4中可以看出，在抗彎拉強度、最大彎拉應變及彎曲勁度模量三個指標上，相對于普通瀝青混合料，橡膠顆粒對環氧瀝青混合料的改善較大；橡膠粉對環氧瀝青混合料抗彎拉強度的提高大于橡膠顆粒，而對環氧瀝青混合料最大彎拉應變的提高卻小于橡膠顆粒，說明在改善環氧瀝青混合料低溫變形能力上，橡膠顆粒的效果更明顯.

2.2脆化點溫度分析

從瀝青混合料的彎曲應力應變曲線可以將混合料的破壞狀況分為柔性破壞、脆性破壞及柔性向脆性過渡的破壞狀況.柔性破壞的典型特點就是應力應變關系呈多次拋物線，混合料出現破壞是以試件開始出現微裂縫為基準；脆性破壞的特征就是應力應變關系近似線性變化，混合料出現破壞是以脆性斷裂為基準.在一定的加載速率下，混合料出現從柔性向脆性過渡的破壞狀況所對應的溫度稱為脆化點溫度，脆化點溫度可以用來評價瀝青混合料的低溫性能[16].圖3是橡膠顆粒體積摻量為5%時，從小梁彎曲試驗得到的橡膠顆粒環氧瀝青混合料在不同溫度下的應力應變曲線.

從圖3可以看出，溫度為10 ℃，5 ℃和0 ℃時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的應力應變關系呈多次拋物線，破壞狀況為柔性破壞；溫度為-10 ℃和-15 ℃時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的應力應變關系為線性變化，破壞狀況為脆性破壞；溫度為-5 ℃時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的應力應變關系近似多次拋物線，但部分應變范圍內，應力與應變又呈線性變化，屬于柔性向脆性過渡的破壞狀況.因此保守可取0～-5 ℃及-5～-10 ℃的中點溫度作為脆化點溫度的上下限，即脆化點溫度在-2.5～-7.5 ℃之間.用同樣的方法計算其他橡膠顆粒體積摻量下橡膠顆粒環氧瀝青混合料的脆化點溫度范圍，見表5.

從表5中可以看出，相對于未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料，2.5%～7.5%橡膠顆粒體積摻量下的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的脆化點溫度范圍較低，說明體積摻量合適的橡膠顆粒可以使環氧瀝青混合料在更低的溫度下才發生脆性破壞.

2.3應變能密度分析

根據脆化點溫度只能大概地得出橡膠顆粒對環氧瀝青混合料的影響，不能精確地判斷最合適的橡膠顆粒體積摻量，而單一地根據抗彎拉強度或最大彎拉應變來評價混合料的低溫性能，往往會出現矛盾的結果，比如圖2中的-15 ℃試驗溫度下，5%橡膠顆粒體積摻量的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的抗彎拉強度大于7.5%橡膠顆粒體積摻量，而5%橡膠顆粒體積摻量的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的最大彎拉應變卻小于7.5%橡膠顆粒體積摻量，難以判斷哪個橡膠顆粒體積摻量下的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的低溫性能更優.彎曲破壞應變能密度是混合料破壞時消耗的能量，即外力對混合料做的功，作為混合料抗彎拉強度及最大彎拉應變這兩個指標的綜合，應變能密度越大，也就表明混合料的低溫性能越好[17]，因此本文引進應變能密度來評價橡膠顆粒環氧瀝青混合料的低溫性能，應變能密度按式（1）計算.

Wp=∫εp0σ（ε）dε（1）

式中：Wp為應變能密度；ε為小梁彎曲試驗中的應變；σ（ε）為應變ε時的應力；εp為彎曲破壞時的應變.采用多次多項式對不同溫度及不同橡膠顆粒體積摻量的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的應力應變曲線進行擬合，回歸積分得到應變能密度，計算結果見圖4.

從圖4中可以看出，不同的試驗溫度下，在橡膠顆粒的體積摻量達到5.0%之前，應變能密度均隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而增大，說明體積摻量合適的橡膠顆?？梢蕴岣攮h氧瀝青混合料的應變能密度，這是因為低模量、高變形的橡膠顆粒與相對較硬的環氧瀝青混合料形成一個穩定的共混體系，在受到外力時，會在橡膠顆粒的中心發展出銀紋，橡膠顆粒受到銀紋的拉伸會吸收和消耗大量的能量，提高了環氧瀝青混合料彎曲破壞的應變能密度，且在外力消失時，橡膠顆粒又能依靠自身的回彈能力終止銀紋的繼續發展，提高環氧瀝青混合料的抗開裂能力.但是，當橡膠顆粒的體積摻量超過5%時，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的應變能密度又隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而減小，說明過多的橡膠顆粒會減少環氧瀝青混合料的應變能密度，這是因為過多的橡膠顆粒會導致環氧瀝青混合料的整體抗彎曲強度下降.

另一方面，相對于未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料，橡膠顆粒體積摻量為5%的橡膠顆粒環氧瀝青混合料在10 ℃，5 ℃，0 ℃，-5 ℃，-10 ℃和-15 ℃的溫度下，其應變能密度分別提高了13.8%，25.5%，35.8%，47.2，60.8%和108.0%，說明

橡膠顆粒對環氧瀝青混合料在低溫下的應變能密度提高更明顯，可以顯著改善環氧瀝青混合料的低溫性能.

3橡膠顆粒環氧瀝青混合料的水穩定性及

高溫性能研究

橡膠顆粒在提高環氧瀝青混合料低溫性能的同時，是否降低了其他方面的路用性能，這對橡膠顆粒在環氧瀝青混合料中的應用至關重要.本文通過凍融劈裂試驗及車轍試驗分別對橡膠顆粒環氧瀝青混合料在不同橡膠顆粒體積摻量下的水穩定性及高溫性能進行研究.

凍融劈裂試驗及車轍試驗分別參照JTG E20-2011（T0729-2000）規程及JTG E20-2011（T0719-2011）規程進行，得到橡膠顆粒環氧瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比（TSR）及動穩定度（DS），不同的橡膠顆粒體積摻量均做4次平行試驗，試驗結果取平均值，見圖5.

從圖5中可以看出，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而減小，但當體積摻量小于5%時，減小的幅度很小，5%橡膠顆粒體積摻量之內的橡膠顆粒環氧瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比均在90%以上；另一方面，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的動穩定度隨著橡膠顆粒體積摻量的增加基本保持不變，這是由于環氧瀝青混合料本身是一種熱固性材料，固化后具有優異的動穩定度，高溫下也不會軟化，橡膠顆粒的摻加對其影響很小.

4結論

1）橡膠顆粒的細長扁平顆粒含量越小、邵爾A型硬度越大，橡膠顆粒環氧瀝青混合料的壓實效果及抗松散性越好.

2）橡膠顆粒對環氧瀝青混合料的抗彎拉強度影響不大，對其最大彎拉應變提高較大，體積摻量合適的橡膠顆?？梢燥@著改善環氧瀝青混合料的柔韌性，提高環氧瀝青混合料的低溫變形能力，并能降低環氧瀝青混合料的脆化點溫度，使其在更低的溫度下才發生脆性破壞.

3）橡膠顆?？梢栽龃蟓h氧瀝青混合料的應變能密度，在溫度較低時效果更加明顯，在-15 ℃溫度時，5%橡膠顆粒體積摻量下的環氧瀝青混合料相對未摻加橡膠顆粒的環氧瀝青混合料，應變能密度提高了108.0%，橡膠顆粒可以顯著地改善環氧瀝青混合料的低溫性能.

4）在5%的橡膠顆粒體積摻量內，環氧瀝青混合料的水穩定性及高溫性能基本不受影響.

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