界面活化劑對干法膠粉SMA混合料性能的影響

2017-03-30 18:14:28韓森勾俊芳張亞財牛帥楊賀劉夢梅

筑路機械與施工機械化 2017年3期

韓森+勾俊芳+張亞財+牛帥+楊賀+劉夢梅+袁也+馬英新

摘要：針對干法膠粉瀝青混合料黏度大、施工和易性差，對膠粉SMA混合料中分別摻加進口界面活化劑、國產界面活化劑A、國產界面活化劑B三種瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性進行分析，并將其與普通瀝青SMA混合料、未摻加活化劑的膠粉SMA混合料的路用性能作對比。試驗結果表明，界面活化劑大大改善了膠粉SMA混合料的施工工藝，提升了路用性能。

關鍵詞：膠粉SMA混合料；普通瀝青SMA混合料；路用性能；界面活化劑

中圖分類號：U414.03 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0043-04

Abstract： Aimed at the high viscosity and poor workability of dry-process mixed asphalt mixture with crumb rubber， the stability at high temperature and crack resistance and water stability at low temperature of three kinds of SMA mixtures mixed with imported surfactant， homemade surfactant A and homemade surfactant B respectively were analyzed. And the performance of SMA mixture with surfactant was compared with that of ordinary SMA mixture and crumb rubber modified SMA mixture without adding surfactant， and the results show that the surfactant greatly improves the construction process of crumb rubber modified SMA mixture and enhance the pavement performance.

Key words： crumb rubber modified SMA mixture； ordinary SMA mixture； pavement performance； surfactant

0 引言

橡膠粉的二次利用能減少輪胎等廢舊橡膠制品對環境的污染，符合綠色生態可持續發展戰略要求[1-5]。國內生產膠粉瀝青混合料在添加橡膠粉時一般多采用濕法，但濕法工藝復雜，需要增加額外的攪拌設備。采用傳統干拌工藝生產的膠粉瀝青混合料黏度大，施工難度大，路面易松散、剝落。摻加活化劑的橡膠瀝青混合料是一種新型瀝青混合料[6-8]界面活化劑，一方面對橡膠和瀝青進行物理黏結，另一方面對橡膠和瀝青進行化學改性形成新分子，新分子能夠增強膠結料對石料的附著力，減少瀝青路面松散、剝落現象的產生，從而大大改善傳統干拌法生產膠粉瀝青混合料的施工工藝、路用性能[9-12]。SMA級配屬于骨架密實結構，力學強度高，受溫度影響小，在表面受力方面有良好的整體穩定性和抵抗車輪摩擦性能，適合作為路面的面層材料[13-14]。

由于SMA瀝青混合料性能優異、應用廣泛，本文選用間斷級配SMA結構構成的膠粉瀝青混合料作為研究對象，對干法膠粉SMA混合料（以下簡稱膠粉SMA混合料）分別摻入進口界面活化劑、國產界面活化劑A、國產界面活化劑B，然后對摻入界面活化劑的膠粉SMA混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性進行分析研究，并與普通瀝青SMA混合料、未摻加活化劑的膠粉SMA混合料性能作對比，為干法膠粉瀝青混合料的推廣應用提供理論支持及參考數據。

1 試驗原材料及試驗設計

1.1 原材料與級配

本試驗所用瀝青為70#基質瀝青；粗集料、細集料均為輝綠巖；礦粉由石灰巖磨細制成，性能均滿足規范要求；橡膠粉為長大20目膠粉；界面活化劑為進口界面活化劑、國產界面活化劑A、國產界面活化劑B。基質瀝青的主要技術性質如表1所示。

瀝青混合料級配選用SMA-13結構，油石比均為6.0%，其級配組成如表2所示。根據表2繪制出SMA瀝青混合料的級配曲線，如圖1所示。

1.2 試驗設計

本文選用普通瀝青SMA混合料、膠粉SMA混合料作為研究對象，其中膠粉SMA混合料的膠粉摻量為瀝青混合料總質量的5‰。同時，采用干拌工藝法向膠粉SMA混合料中分別摻入3種不同的界面活化劑，從而制備成不同的膠粉SMA混合料。其中，國產界面活化劑A和國產界面活化劑B的摻量（占膠粉質量的百分比）分別包括2%、3%、4%三種，而進口界面活化劑的摻量為4.2%、4.5%、4.8%。摻加界面活化劑時，分別將國產界面活化劑A溶液與B溶液以噴霧狀的形式均勻噴灑到廢膠粉中，再將處理好的橡膠粉放入60 ℃烘箱中烘干至質量恒定；進口界面活化劑常溫下為顆粒狀固體，因此直接以顆粒形式均勻投放到膠粉瀝青混合料中。

按照上述方法及要求分別制備2種類型的SMA混合料，對摻加活化劑的膠粉SMA混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性進行研究，分析不同種類界面活化劑對膠粉SMA混合料性能的影響。同時，將其與普通瀝青SMA混合料、未摻加活化劑的膠粉SMA混合料的路用性能進行對比。

2 試驗結果與討論

2.1 高溫穩定性試驗

采用車轍試驗來評估瀝青混合料的高溫穩定性，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的要求成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件。在相同的混合料合成級配和最佳油石比條件下，按要求摻入膠粉和不同類型的界面活化劑成型車轍試件，并進行車轍試驗。

在高溫60 ℃條件下分別測定不同試件在車轍儀中的動穩定度，試驗結果如表3所示。

由表3車轍試驗的結果可以看出以下幾點。

（1）在60 ℃高溫條件下，膠粉SMA-13混合料的動穩定度較普通瀝青SMA-13混合料的動穩定度有所提高，這說明膠粉能夠有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

（2）摻加3種活化劑的膠粉SMA-13混合料的動穩定度比未摻加活化劑的膠粉SMA-13混合料的動穩定度大，這說明摻加活化劑能夠顯著提高膠粉瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

膠粉與瀝青能夠發生溶脹作用，但溶脹作用不強，兩者不容易黏結在一起；因此，膠粉SMA-13混合料的高溫性能較普通瀝青SMA-13混合料的有所提高。活化劑的加入能夠促進橡膠粉與瀝青之間的溶脹作用，增強兩者間的黏結力，使橡膠粉的溶脹作用發揮更加充分，最終使集料、瀝青、橡膠粉共同抵抗外力作用，從而增強混合料抵抗變形的能力。因此，摻加活化劑的膠粉SMA混合料較不摻加活化劑的膠粉SMA混合料高溫性能顯著提高。

（3）摻加活化劑的膠粉SMA混合料中，隨著活化劑摻量的增加，3種膠粉SMA-13混合料的動穩定度均呈現先增大后減小的趨勢。添加國產界面活化劑A的膠粉SMA-13瀝青混合料的高溫性能優于添加國產界面活化劑B和添加進口界面活化劑的膠粉瀝青混合料的高溫性能，并且在活化劑摻量為3.0%時高溫性能達到最優。

2.2 低溫抗裂性試驗

本文采用低溫小梁彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能[17-20]。按照規范要求制作尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，采用50 min·mm-1的速度，在-10 ℃的環境下進行單點加荷，以最大彎拉應變作為評價指標。

記錄小梁斷裂時的梁底破壞應變，測得不同類型SMA混合料小梁彎曲試驗結果，如表4所示。

從表4可以看出以下幾點。

（1）低溫條件下，膠粉SMA-13混合料的最大彎拉應變較普通瀝青SMA-13混合料略有提高，這說明膠粉能夠在某種程度上提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（2）摻加3種界面活化劑的膠粉SMA-13混合料的最大彎拉應變比未摻加界面活化劑的膠粉SMA-13混合料要大，這說明摻加界面活化劑能夠顯著提高膠粉SMA-13混合料的低溫抗裂性能。

界面活化劑的加入，一方面加速了橡膠粉與基質瀝青之間的反應，促進橡膠粉的溶脹作用；另一方面對橡膠和瀝青進行化學改性而形成新分子，這種新分子能夠增強膠結料對石料的附著力。這些作用均使橡膠瀝青膠結料的抗拉強度得到進一步提高，故膠粉混合料在低溫環境下的受力狀態會得到一定程度改善。

（3）國產界面活化劑A對膠粉SMA-13混合料低溫性能的影響大于國產界面活化劑B，但2種國產界面活化劑的摻加對膠粉SMA-13混合料的低溫性能的改善都不是很明顯；而進口界面活化劑的摻加對膠粉SMA-13混合料的低溫性能改善較為明顯。

國產界面活化劑的加入只是簡單地將膠粉與瀝青黏結在一起，相當于膠水作用；而進口界面活化劑是將膠粉與瀝青之間通過化學鍵連接起來，在空間上形成致密的網狀結構，大大提高膠結料的整體穩定性，這使得混合料的低溫性能又得到進一步改善。所以添加進口界面活化劑的膠粉混合料的低溫性能比添加國產界面活化劑的膠粉混合料更好。

2.3 水穩定性試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來測定不同類型SMA混合料的水穩定性能，試驗結果如表5所示。

從表5可以得出以下幾點。

（1）膠粉SMA-13混合料的殘留穩定度與凍融劈裂強度比均較普通瀝青SMA-13混合料的有所提高，這說明膠粉能夠在某種程度上提高瀝青混合料的水穩定性能。

（2）摻加3種界面活化劑的膠粉SMA-13混合料的殘留穩定度與凍融劈裂強度比與未摻加界面活化劑的膠粉SMA-13混合料相比有所提高，說明界面活化劑在一定程度上改善了膠粉SMA-13混合料的抗水損害能力。

（3）摻加界面活化劑的膠粉SMA-13混合料中，隨著界面活化劑摻量的增加，3種膠粉SMA-13混合料的殘留穩定度與凍融劈裂強度比均呈現先增大后減小的趨勢，3種界面活化劑的最佳摻量分別為3.0%、3.0%、4.5%。國產界面活化劑A對膠粉SMA-13混合料的水穩性能改善最多，進口界面活化劑對膠粉SMA-13混合料的水穩性能改善最少。

進口界面活化劑的加入將橡膠粉與瀝青表面的硫交聯起來，形成的環狀或鏈狀聚合物網狀結構，能夠增強對碎石材料的黏附性，減少瀝青的剝落；而國產界面活化劑具有較強的偶聯作用，能把2種性質不同的材料牢固地結合起來，使得橡膠瀝青的黏度顯著提高，抗剝落能力增強。因此，摻加國產界面活化劑比摻加進口界面活化劑效果更好。

3 結語

本文基于SMA級配，對摻加3種不同界面活化劑的膠粉SMA混合料的路用性能對比分析，并與普通瀝青SMA混合料、未摻加活化劑的膠粉SMA混合料的路用性能作比較，得出以下結論。

（1）與普通瀝青SMA混合料相比，膠粉SMA混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性均有不同程度的改善，但改善效果較差；而3種界面活化劑的摻加，使得膠粉SMA混合料的高溫穩定性、水穩定性有較顯著提高，低溫抗裂性能改善效果不明顯，說明界面活化劑的摻加對膠粉SMA瀝青混合料的路用性能有很大的改善作用。

（2）綜合考慮3種SMA混合料的路用性能，國產界面活化劑A、國產界面活化劑B、進口界面活化劑的最佳摻量分別為3.0%、3.0%、4.5%。摻加國產界面活化劑A的膠粉瀝青混合料高溫穩定性、水穩定性能、低溫抗裂性最佳，摻加進口界面活化劑的膠粉瀝青混合料次之，摻加國產界面活化劑B的膠粉瀝青混合料最差。因此，在干法膠粉瀝青混合料鋪筑的路面實體工程中，推薦采用國產界面活化劑A。

（3）界面活化劑對膠粉SMA混合料力學性能、疲勞性能等的影響有待進一步研究。

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