橡膠粉顆粒尺寸對瀝青混凝土高溫性能的影響

樊 衡,劉 濤

(1.葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002;2.湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司,武漢 430071)

半剛性基層和瀝青面層組成的道路結構在我國等級公路建設中被廣泛采用[1]，其兼具高承載力和舒適性的特點。對于瀝青面層而言，其受交通荷載和環境因素的直接作用，因而易產生車轍、坑槽等一系列的病害[2]。車轍是路面失去抵抗變形的能力形成永久變形的一種現象，其嚴重威脅到行車安全。因此應盡力保證瀝青路面具有較好的抗變形性能，尤其對于高溫地區的瀝青路面而言。

瀝青路面抵抗變形的能力主要來自兩個方面，一是集料顆粒通過相互嵌擠形成可提供承載力的骨架結構[3]；二是瀝青膠漿將骨架粘結成一個整體，增強骨架的穩定性。因此針對瀝青路面抗變形性能的研究主要圍繞集料顆粒形態、級配設計、瀝青膠漿等方面展開。大量研究表明，采用聚合物對瀝青進行改性，可有效改善瀝青混凝土的高溫抗變形性能[4]。

我國目前積存了上億條的廢舊輪胎，且這一數量每年還在以8%～10%的速度增加，廢舊輪胎的高效處置一直是個難題。大量堆積的廢舊輪胎對環境保護、資源綜合利用均帶來極為不利的影響。廢舊輪胎是一種典型的高彈性聚合物材料，這為其作為瀝青改性劑使用提供了可能。同時考慮到道路行業對原材料具有高消耗的特點，如果能將廢舊輪胎大量使用到瀝青混凝土中，必將實現這一固廢的高效循環再生利用。

基于此，該研究考察了廢舊輪胎對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響：在實驗室內將廢舊輪胎進行研磨，制備不同尺寸的橡膠粉顆粒，進而與基質瀝青混合制備成膠粉改性瀝青；采用馬歇爾設計方法設計瀝青混凝土，基于車轍試驗研究橡膠粉顆粒尺寸對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響。

1 原材料

該研究中采用的瀝青為AH-90基質石油瀝青；粗集料和細集料均為石灰巖；填料為石灰巖磨制的礦粉。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的標準試驗方法對瀝青的針入度等基本性能指標進行測試[5]；根據《公路工程集料試驗規程》中的標準試驗方法對石灰巖粗集料、細集料以及礦粉的密度等基本性能指標進行測試[6]。測試結果如表1～表3所示，可見研究中使用的原材料基本性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求[7]。此外，研究中還使用到橡膠粉，3種不同尺寸的橡膠粉顆粒(60目、100目和200目)通過在實驗室內研磨廢舊輪胎獲取。

表1 AH-90基質瀝青基本性能指標

表2 石灰巖集料基本性能指標

表3 填料基本性能指標

2 試驗方法

制備膠粉改性瀝青：將AH-90基質瀝青預加熱至160 ℃，逐步向基質瀝青中添加橡膠粉，邊添加邊攪拌，橡膠粉與基質瀝青的體積摻配比為1∶5。待橡膠粉添加完畢后，將膠粉改性瀝青置于高速剪切機下剪切30 min。對于60目、100目和200目3種不同尺寸的橡膠粉顆粒，均按此方法制備膠粉改性瀝青。設計瀝青混凝土：采用馬歇爾設計方法設計瀝青混凝土。設計級配類型選用AC-13粗型，石灰石粗集料、細集料和礦粉在礦質混合料中的質量占比分別為65%、32%和3%，礦質混合料的合成級配曲線如圖1所示。車轍試驗：成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的板狀瀝青混凝土試件，將其分別置于50 ℃、60 ℃和70 ℃環境下進行車轍試驗。試驗時，通過鋼輪在試件表面的往復運動模擬車載對瀝青路面的作用，輪碾荷載為0.7 MPa。鋼輪往返運動速度為42次/min，對試件持續碾壓1 h。動穩定度是反映瀝青混凝土高溫穩定性的指標，按照式(1)進行計算

(1)

式中，DS為瀝青混凝土的動穩定度，次/mm；S為鋼輪往返運動速度，次/min；l60和l45是碾壓時間分別對應60 min和45 min時，瀝青混凝土試件的車轍變形，mm。

3 結果與討論

瀝青混凝土的車轍變形結果如圖2所示，可見，環境溫度和瀝青類型均對瀝青混凝土的抗變形能力產生顯著影響。具體來看，隨著溫度的升高，不管是膠粉改性瀝青混凝土還是基質瀝青混凝土，其車轍深度都逐漸變大。這主要是因為瀝青是一種溫敏性材料，隨著溫度的升高，流動性增強，抗變形能力下降。膠粉改性瀝青混凝土與基質瀝青混凝土的車轍深度在數值上存在較大區別，在相同測試溫度下，前者總是小于后者。且隨著測試溫度從50 ℃逐步升高至70 ℃，兩類瀝青混凝土車轍深度的差值也逐漸加大，從0.2～0.6 mm增加至1.8～2.5 mm。由此說明橡膠粉可顯著減輕瀝青混凝土路面的車轍病害。但對于含不同尺寸橡膠粉的瀝青混凝土而言，其車轍深度并未隨橡膠粉顆粒尺寸的增加或者減小而表現出一致的變化規律。例如，100目膠粉改性瀝青混凝土在50 ℃和60 ℃下的車轍深度略高于另外兩種膠粉改性瀝青混凝土；但當測試溫度達到70 ℃時，情況則大為不同，100目膠粉改性瀝青混凝土的車轍深度是三者中最小的。

瀝青混凝土的動穩定度計算結果如圖3所示。從圖3中可以看出，溫度對4種瀝青混凝土的動穩定度產生一致的影響，隨著溫度的升高，4種瀝青混凝土的動穩定度均呈現快速下降的趨勢。當溫度從50 ℃逐步升高至70 ℃，基質瀝青混凝土、60目膠粉改性瀝青混凝土、100目膠粉改性瀝青混凝土和200目膠粉改性瀝青混凝土的動穩定度分別下降了36%、22%、21%和19%。可見橡膠粉的摻入，同樣顯著減小了瀝青混凝土動穩定度的喪失。同時，在相同的測試溫度下，膠粉改性瀝青混凝土的動穩定度總是高于基質瀝青混凝土，且前者的動穩定度隨著橡膠顆粒尺寸的減小而持續增大。因此，就動穩定度結果而言，橡膠粉顯著改善了瀝青混凝土的抗變形能力，且細顆粒橡膠粉對瀝青混凝土高溫穩定性的改善效果更佳。

4 結 論

針對廢舊輪胎使用率低、瀝青路面易發生車轍病害問題，該研究考察了60目、100目和200目3種不同尺寸的廢舊輪胎橡膠粉對瀝青混凝土高溫抗變形性能的影響。研究結果表明，將橡膠粉引入瀝青混凝土中可有效改善其高溫抗變形性能，相比于基質瀝青混凝土，膠粉改性瀝青混凝土具有更小的車轍深度和更大的動穩定度；且膠粉改性瀝青混凝土的動穩定度隨著橡膠粉顆粒尺寸的減小而增大，表明細橡膠顆粒對瀝青混凝土高溫穩定性的改善效果更佳。