橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素分析

范斌衛(wèi)，王廣山，陳德云，馬慶偉，陳振華(.西安公路研究院，陜西 西安 70065; .中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 00097；.溫州信達(dá)交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 浙江 溫州 505； .長(zhǎng)安大學(xué)教育部道路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 7006)

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橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素分析

范斌衛(wèi)1，王廣山2，陳德云3，馬慶偉1，陳振華4
(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065; 2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097；3.溫州信達(dá)交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 浙江 溫州 325105； 4.長(zhǎng)安大學(xué)教育部道路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

為了研究橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素，使用不同級(jí)配、黏度、復(fù)合改性及抗車轍劑來分析比較其高溫性能的變化。對(duì)橡膠瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、靜態(tài)模量試驗(yàn)及均勻試驗(yàn)，結(jié)果表明：連續(xù)級(jí)配混合料的高溫性能略優(yōu)于間斷級(jí)配混合料；貫壓試驗(yàn)得到的間斷級(jí)配混合料的內(nèi)摩擦角大于連續(xù)級(jí)配混合料；由均勻試驗(yàn)可知橡膠瀝青混合料ARG-16高溫性能對(duì)9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm檔料的用量并不敏感，對(duì)礦粉的用量較為敏感。

道路工程；橡膠瀝青混合料；高溫性能；車轍試驗(yàn)

0 引 言

有關(guān)橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能影響因素的研究頗多[1-3]，如：王偉通過膠粉來源、膠粉摻量、油石質(zhì)量比、空隙率、瀝青種類等對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能的影響進(jìn)行了研究；吳應(yīng)升等應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析理論，分別從膠結(jié)料和級(jí)配、油石比和空隙率對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能影響因素進(jìn)行敏感性分析。本文不同于以往的研究，主要以橡膠瀝青混合料的級(jí)配類型、橡膠瀝青的黏度、復(fù)合改性及抗車轍劑等為主要因素來探討橡膠瀝青混合料的高溫性能，并利用均勻試驗(yàn)方法來分析橡膠瀝青混合料的高溫敏感性。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用加德士90#A級(jí)瀝青；SBS改性劑為北京燕山4303星型；橡膠粉以貨車斜交輪胎為原材料，目數(shù)為30目。

瀝青混合料使用的粗集料規(guī)格為9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm；細(xì)集料和填料采用9.5～19 mm石灰?guī)r碎石加工生產(chǎn)的0～2.36 mm的機(jī)制砂和0.6 mm規(guī)格以下的礦粉。為了比較橡膠瀝青混合料的高溫性能，橡膠瀝青混合料主要參考《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DG/T J06—2109—2012)進(jìn)行體積設(shè)計(jì)，并采用其中的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。間斷級(jí)配橡膠瀝青混合料ARG-16、ARG-13和連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料ARC-16、ARC-13的最佳油石比見表1。

表1 各種混合料的最佳油石比 %

1.2 試驗(yàn)方案

本文采用車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)和靜態(tài)模量試驗(yàn)來評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料的高溫性能。

2 影響因素分析

2.1 級(jí)配類型的影響

2.1.1 不同級(jí)配的橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

針對(duì)陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)的間斷級(jí)配ARG-13、ARG-16混合料和連續(xù)級(jí)配ARC-13、ARC-16混合料的高溫性能，本文從抗剪強(qiáng)度和動(dòng)穩(wěn)定度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同級(jí)配橡膠瀝青混合料的高溫性能

溫度級(jí)配類型抗剪強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)相對(duì)變形/%60℃ARG-130.4146.533694.10ARG-160.6146.030144.52ARC-130.4243.838183.58ARC-160.4642.738414.21

從抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及內(nèi)摩擦角指標(biāo)可得：除了ARG-16混合料的抗剪強(qiáng)度略大外，其余3種混合料差別不大；間斷級(jí)配混合料由于形成了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，比懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的連續(xù)級(jí)配混合料的內(nèi)摩擦角要大。從動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)及相對(duì)變形指標(biāo)可得：4種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度差別不大，連續(xù)級(jí)配的ARC-13、ARC-16混合料的高溫性能略好于間斷級(jí)配的ARG-13、ARG-16混合料；由于連續(xù)級(jí)配并沒有很大的空隙來容納膠粉顆粒，且連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料的瀝青膜厚度較小(ARG-13為9.6 μm，ARC-13為9.6 μm；ARG-16為11.1 μm，ARC-16為9.8 μm。)，因此其混合料相對(duì)變形較小。

由表2可知，4種混合料的高溫穩(wěn)定性指標(biāo)都不是太高，且連續(xù)級(jí)配略優(yōu)于間斷級(jí)配[4-5]。

2.1.2 間斷級(jí)配混合料高溫敏感性

選擇間斷級(jí)配類型ARG-16對(duì)9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm、礦粉、橡膠瀝青進(jìn)行配比，采用均勻試驗(yàn)分析最佳級(jí)配下混合料的高溫敏感性，主要驗(yàn)證橡膠瀝青路面在施工過程中的施工誤差(主要是各檔料量的變化)對(duì)高溫性能的影響。在固定橡膠瀝青用量的情況下，以抗剪強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，9.5～16 mm檔料的用量、4.75～9.5 mm檔料的用量、0～2.36 mm檔料的用量、礦粉的用量分別記為x1、x2、x3、x4，各因素范圍分別為44%～64%、18%～38%、9%～14%、4%～9%，參考均勻設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)[7]采取4因素6水平表，試驗(yàn)方案見表3。

表3 均勻試驗(yàn)方案 %

為研究各檔料的不同用量對(duì)混合料高溫性能的影響，根據(jù)上述試驗(yàn)方案成型6組靜壓試件(每組3個(gè))并通過單軸貫入試驗(yàn)確定其抗剪強(qiáng)度，油石比不變(按最佳油石比6.1成型)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

(1)回歸分析。將x1、x2、x3、x4分別作為自變量，抗剪強(qiáng)度作為因變量，利用SPSS軟件采用回歸法進(jìn)行線性回歸分析，設(shè)置顯著水平為0.05，得到回歸方程為：y=0.746-0.049x4。該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.437。

表4 均勻試驗(yàn)結(jié)果

由回歸方程可見，x1、x2、x3的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)均為0，即實(shí)際工程中對(duì)9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm礦料的用量不是很敏感；而x4的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)為-0.049，說明隨著礦粉的增加，混合料高溫性能是衰減的，即礦粉的用量對(duì)橡膠瀝青混合料ARG-16抗剪強(qiáng)度的影響顯著。

(2)回歸方程顯著性檢驗(yàn)。回歸方程是否合理，需要檢驗(yàn)其顯著性。利用F分布檢驗(yàn)回歸方程的顯著性，結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析表可得，對(duì)于給定的顯著水平(0.05)，檢驗(yàn)值Ft=3.106，臨界值F(0.05，1，4)=7.71，F(xiàn)t

(3)回歸方程的討論。針對(duì)x1、x2、x3、x4四者之間兩兩的交互作用，探討多元線性方程的組合，仍然得出回歸方程中涉及到x1、x2、x3的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)均為0，且回歸方程均不顯著，由此可以得出：橡膠瀝青混合料ARG-16的高溫敏感性除了受礦粉用量的影響外，還受瀝青用量及級(jí)配等因素的影響。

2.2 橡膠瀝青黏度的影響

《陜西省廢舊輪胎在瀝青路面的應(yīng)用研究》課題中已對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素進(jìn)行了研究，得出采用20～80目膠粉的混合料動(dòng)穩(wěn)定度在2 000～4 000 次·mm-1之間，17.5%～25%膠粉摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度在2 000～4 000 次·mm-1之間，因而膠粉的目數(shù)和摻量對(duì)混合料的性能影響不大。另外，該課題組對(duì)制備工藝對(duì)橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性的影響做了對(duì)比，如表6所示。

從表6可知：相同的橡膠粉摻量(22%)和油石比下，攪拌法制備的混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均高于剪切法，即黏度大(攪拌法的黏度大于剪切法)的混合料高溫性能較好。這主要是因?yàn)榧羟凶饔脮?huì)使橡膠瀝青中的膠粉更小，黏度減小，導(dǎo)致混合料的動(dòng)穩(wěn)定度略小[6-8]。

表6 不同制備工藝對(duì)混合料高溫性能影響

2.3 復(fù)合改性和抗車轍劑的影響

橡膠瀝青混合料的高溫性能不如SMA混合料，為此采用橡膠瀝青復(fù)合SBS改性以及添加抗車轍劑等措施來提高其高溫穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 復(fù)合改性和車轍劑對(duì)混合料高溫性能的影響

反映高溫性能的橡膠瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度與動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)如圖1所示，比較添加抗車轍劑和復(fù)合SBS改性的措施對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，可得以下結(jié)論。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(1)加入抗車轍劑后，橡膠瀝青混合料的模量增大，瀝青路面的承載力整體增強(qiáng)。

(2)加入抗車轍劑后，橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均增大，說明抗車轍劑能增強(qiáng)橡膠瀝青混合料的高溫性能。

(3)復(fù)合橡膠瀝青混合料CR/SBSG-16的動(dòng)穩(wěn)定度為7 412 次·mm-1，抗剪強(qiáng)度為0.972 MPa，均大于橡膠瀝青混合料ARG-16，說明復(fù)合SBS改性也能改善橡膠瀝青混合料的高溫性能[9-10]。

3 不同抗車轍劑的路用性能對(duì)比分析

本文所用到的抗車轍劑為西安公路研究院材料所獨(dú)立自主研發(fā)的HXR-1型抗車轍劑，與之對(duì)比的是廣州路翔的抗車轍劑，采用ARG-13混合料從高溫、低溫、水穩(wěn)定性能來比較抗車轍劑的優(yōu)劣。

(1)高溫性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

(2)低溫性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

(3)水穩(wěn)定性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從2種抗車轍劑的主要路用性能指標(biāo)的比較可知：HXR-1型抗車轍劑改善瀝青混合料高溫性能的效果比路翔抗車轍劑要好，約提高了45%；加入抗車轍劑后混合料硬度變大，破壞撓度較小，故破壞應(yīng)變均小于不加抗車轍的混合料，其中加入HXR-1型抗車轍劑的混合料的低溫抗裂能力略好于加入路翔抗車轍劑的混合料；添加HXR-1型抗車轍劑的混合料的殘留強(qiáng)度比為94.37%，比ARG-13混合料要好，加入路翔抗車轍劑的混合料的水穩(wěn)定性能最差。綜上，加入HXR-1型抗車轍劑的混合料路用性能優(yōu)于加入路翔抗車轍劑的混合料。

HXR-1型抗車轍劑的主要作用機(jī)理有2個(gè)方面。首先是宏觀物理作用：拌和過程中，抗車轍劑在高溫下軟化形成彈性體，在強(qiáng)力機(jī)械攪拌和剪切力的作用下發(fā)生彈性變形、熔融、拉絲，分布在瀝青和集料之間，對(duì)瀝青混合料起到加筋和膠結(jié)作用。第二是黏聚作用：由于瀝青混合料的攪拌和壓實(shí)溫度高于抗車轍劑的軟化溫度，抗車轍劑顆粒處于黏流態(tài)，具有可塑性，在外力作用下，抗車轍劑顆粒根據(jù)礦料顆粒間隙形成各種形態(tài)；溫度下降后，抗車轍劑材料重新恢復(fù)固態(tài)并維持壓實(shí)后的形態(tài)，從而限制礦料顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)，增加礦料顆粒間的黏聚力，提高混合料的高溫抗變形性能[11]。

4 結(jié) 語

(1)由車轍試驗(yàn)及單軸貫入試驗(yàn)得出：間斷及連續(xù)級(jí)配混合料的高溫性能差別不大，連續(xù)級(jí)配混合料的高溫性能略優(yōu)于間斷級(jí)配混合料；但是間斷級(jí)配混合料的內(nèi)摩擦角大于連續(xù)級(jí)配混合料的內(nèi)摩擦角。

(2)由均勻試驗(yàn)得到：橡膠瀝青混合料ARG-16對(duì)9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm檔料的用量并不敏感，對(duì)礦粉的用量較為敏感。

(3)由攪拌法和剪切法制備的橡膠瀝青混合料的高溫性能差別不大，攪拌法的混合料高溫性能略優(yōu)于剪切法，即黏度高的橡膠瀝青混合料高溫性能略好。

(4)復(fù)合SBS的膠粉瀝青混合料的高溫性能較好，可媲美SMA混合料。無論連續(xù)或間斷級(jí)配，添加抗車轍劑的橡膠瀝青混合料高溫性能都明顯得到改善。

[1] 黃衛(wèi)東，王偉，李彥偉，等.橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(7)：1023-1028.

[2] 胡 苗，彌海晨.ARC-13型橡膠瀝青混合料高溫性能影響因素試驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2013(11)：70-71.

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[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

Analysis on Influencing Factors of High Temperature Performance of Rubberized Asphalt Mixture

FAN Bin-wei1, WANG Guang-shan2, CHEN De-yun3, MA Qing-wei1, CHEN Zhen-hua4
(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China; 2. China Highway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100097, China; 3. Wenzhou Xinda Traffic Engineering Test Co., Ltd., Wenzhou 325105, Zhejiang, China; 4. Key Laboratory for Highway Engineering of Ministry of Education, Chnag’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the influencing factors of high temperature performance of rubberized asphalt mixture, different gradation, viscosity, compound modification and rut-resistant agents were used to analyze and compare the change of high temperature performance. Rutting test, uniaxial penetration test, static modulus test and homogeneous test were conducted on the rubberized asphalt mixture. The results show that the high temperature performance of mixture that has continuous gradation is slightly better than that of gap-graded mix; the internal friction angle of the gap-graded mix obtained by the penetration test is bigger than that of mixture that has continuous gradation; it can be seen from the homogeneous test that the high temperature performance of rubberized asphalt mixture ARG-16 is not sensitive to the content of aggregate that passes the mesh of 9.5～16 mm, 4.75～9.5 mm, 0～2.36 mm but the amount of mineral filler.

road engineering; rubberized asphalt mixture; high temperature performance; rutting test

1000-033X(2017)06-0037-04

2016-11-27

陜西省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(15-10k)

范斌衛(wèi)(1975-)，男，陜西蒲城人，高級(jí)工程師，工程碩士，研究方向?yàn)槁坊⒙访嬖O(shè)計(jì)及材料。

U414.01

B