廢膠粉改性SMA瀝青混合料路用性能試驗研究

杜沖

作者簡介：杜?沖（1990—），工程師，主要從事公路設計工作。

為研究廢膠粉對于改性SMA瀝青混合料路用性能的影響，文章通過車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗等一系列室內試驗，分析了不同廢膠粉用量（12%、14%、16%、18%、20%）對改性SMA瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性的影響規律。試驗結果表明，適量的廢膠粉能夠提高提高瀝青-集料界面粘附力，增強改性SMA瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力、低溫應力松弛能力和抗水損害能力；綜合各方面路用性能，建議廢膠粉用量為16%。

廢膠粉；SBS改性瀝青；瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）；路用性能

U414.1A230833

0?引言

隨著大量廢舊輪胎的不斷產生，由此帶來的環保問題日益嚴峻，減少輪胎“黑色污染”成為當下亟須解決的關鍵難題。研究表明［1-2］，廢舊輪胎膠粉可以作為瀝青改性劑，不僅提高瀝青路面性能，同時降低環境污染。實踐表明［3］，采用基質瀝青鋪筑的路面在高溫下容易軟化形成車轍，且與集料的粘附性較差，冬季容易產生脆性開裂，而將20-100目數的廢舊輪胎膠粉以一定比例加入到基質瀝青中，可以明顯改善瀝青的溫度敏感性和耐久性能。王鐵慶［4］通過針入度、延度、軟化點等常規技術指標分析橡膠瀝青的技術性能，并由此確定最佳橡膠瀝青用量為17%，最后利用車轍試驗、彎曲蠕變試驗、凍融劈裂試驗等驗證橡膠改性瀝青混合料具有較好的路用性能。譚憶秋等［5］通過BBR試驗研究橡膠改性瀝青的低溫性能，發現瀝青的低溫性能隨橡膠粉摻量的增加顯著提升。李曉娟等［6］研究脫硫橡膠改性瀝青的性能，并探究加入SBS后對脫硫橡膠改性瀝青性能的影響，結果表明，脫硫橡膠改性瀝青的軟化點、延度、車轍因子等指標較高，提高了瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性，同時SBS加入后增強了瀝青的高溫和低溫性能，且彈性恢復能力及短期老化能力得到明顯改善。肖龍等［7］通過將廢胎膠粉與SBS復合，并摻入一定量的助劑研究了改性瀝青混合料路用性能，結果發現復合改性瀝青表現出高彈性和高延展性的良好性能，同時表現出了較好的路用性能。

1?原材料與配合比

1.1?原材料

試驗采用成品SBS-I-D改性瀝青，SBS改性劑摻量為3.5%，技術指標見表1，廢膠粉為陜西產30目常溫研磨粉碎的子午輪胎膠粉，其物理化學指標見表2。粗集料選用質地堅硬、表面粗糙和抗磨耗性強的玄武巖。細集料為石灰巖機制砂，填料為天然石灰巖磨細的礦粉，經檢測，粗細集料及填料的各項性能均滿足技術要求。

1.2?配合比

實踐表明［8-9］，廢膠粉改性瀝青混合料使用間斷級配的路用性能較好，其中SMA級配通過粗集料形成嵌擠的骨架結構，瀝青膠結料、細集料和填料填充于骨架間隙中，形成一種骨架密實型結構的瀝青瑪蹄脂瀝青混合料，這種結構通常用于粘結性高的瀝青膠結料，能夠將粗集料骨架與細集料形成更好的粘結性，發揮較好的高溫穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能。SMA-13型合成級配見表3所示。

參考以往相關學者研究成果［10］，初步擬定五組油石比為5.0%、5.4%、5.8%、6.2%、6.6%，采用以上油石比分別制備馬歇爾試件，測試馬歇爾試件的穩定度與流值、密度、空隙率和飽和度等系列參數。通過各力學體積參數與油石比的關系確定廢膠粉/SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為6.2%。同理可得到SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為5.5%。

2?試驗方案

為研究廢膠粉與SBS復合后對SMA混合料路用性能的影響，并以此確定廢膠粉的最佳用量，首先將12%、14%、16%、18%和20%五種不同用量的廢膠粉分別與成品SBS改性瀝青復合制備廢膠粉/SBS改性瀝青，并拌和SMA混合料用于驗證SMA混合料的路用性能。同時以不摻廢膠粉的SBS改性瀝青混合料作為對照組。采用300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件進行高溫車轍試驗，利用動穩定度評價SMA混合料的高溫抗永久變形能力。采用經車轍板試件切割而成250 mm×30 mm×35 mm的試件進行低溫小梁彎曲試驗，評價SMA混合料的低溫抗裂性，指標為彎拉應變和勁度模量。采用101.6 mm（直徑）×63.5 mm（高度）標準馬歇爾試件分別進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，評價SMA混合料的抗水損害性能，指標為殘留穩定度和凍融劈裂強度比。

3?試驗結果

3.1?高溫穩定性

瀝青作為一種溫度敏感性材料，受熱易變軟，瀝青路面在長期荷載及高溫條件下，會逐漸發生擁包、推移及車轍等永久變形現象，危及行車安全。普通車轍試驗是一種接近瀝青路面實際受荷狀況且用于評價瀝青混合料高溫抗車轍性能的試驗方法，采用車轍試驗對改性瀝青混合料進行高溫穩定性檢驗，試驗溫度為60 ℃，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，動穩定度隨著廢膠粉的用量增加先增大后減小，在16%用量時動穩定度達到4 773次/mm，其值最大。當廢膠粉用量為12%、14%、16%、18%和20%時的動穩定度分別比SBS改性瀝青提高了10.9%、14.8%、23.5%、20.7%、18.1%，說明一定用量廢膠粉可明顯提升改性SMA瀝青混合料的抗車轍能力，但用量過多對于抗永久變形能力也存在一定的制約。這是由于適量的廢膠粉在瀝青膠結料中不僅起到增加黏度，增強瀝青與集料粘附性的作用，而且可以起到填充空隙增加密實度的作用［11］，但用量過多后廢膠粉會產生集聚作用，反而會對瀝青-集料界面粘結性不利，降低其粘附性。

3.2?低溫抗裂性

在冬季溫度突然變化時，瀝青路面會因結構內外的溫差形成溫度應力。當溫度應力超過材料所能承受的閾值時便會開裂形成溫縮裂縫，因此北方地區對于瀝青路面的低溫性能要求較高，需要具有良好的抗裂抗變形能力和應力松弛能力。本文采用低溫小梁彎曲試驗對廢膠粉/SBS改性SMA混合料低溫抗裂性能評價，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著廢膠粉用量的增加，改性SMA瀝青混合料彎曲應變先增大后減小，在廢膠粉用量為16%時，彎曲應變為3 621 με，其值最大，當廢膠粉用量為12%、14%、16%、18%和20%時的彎曲應變分別比SBS改性瀝青提高了6.4%、14.3%、18.6%、15.6%、14.4%，說明適量的廢膠粉可以顯著增加改性SMA瀝青混合料的低溫柔韌性，降低其低溫脆硬性。勁度模量隨廢膠粉用量增加而呈現先略微減小后逐漸增大現象，且整體上在廢膠粉用量超過16%以后勁度模量的增長幅度有所加速。一方面由于廢膠粉摻入后增加了瀝青與集料界面粘結性，形成更為穩固的結構體系；另一方面廢膠粉顆粒自身特性能夠針對外力起到一定緩沖作用，具有吸收外部能量的特性，從而提高改性SMA瀝青混合料的低溫抗裂性。但用量超過一定限度后過多的廢膠粉會聚集在一起，在低溫外部荷載條件下會形成應力集中現象，導致試件出現過早開裂情況［12］。

3.3?水穩定性

在北方積雪和南方多雨地區，雪水或雨水會通過路面裂縫、滲透等方式到達路面內部，結構內部空隙水在車輛荷載作用下會產生動水壓力或負壓抽吸作用。這種作用力會對集料表面的瀝青薄膜產生沖刷或切削，使瀝青逐漸剝離脫落，最終形成坑槽等水損害現象。本文采用國內推薦的凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗用于廢膠粉/SBS改性SMA混合料抗水損害性能評價，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著廢膠粉用量的增加，殘留穩定度和凍融劈裂強度比均呈現先增大后降低現象，并在用量為16%時達到最大值。這說明適量廢膠粉可以明顯改善改性SMA瀝青混合料的抗水損害能力，但廢膠粉用量過大會產生不利影響，可能是由于廢膠粉用量過多時產生集聚現象，降低了瀝青-集料的界面粘結力。

4?結語

通過對改性SMA瀝青混合料的路用性能進行試驗研究，主要得出以下結論：

（1）通過車轍試驗結果可知，廢膠粉可以增加瀝青膠結料的黏度，提高瀝青-集料界面粘附力，增強改性SMA瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力，且在16%用量時效果最好。

（2）通過低溫小梁彎曲試驗結果可知，當廢膠粉用量增加時，改性SMA瀝青混合料試件破壞時的彎拉應變先增加后降低，在摻量16%時最大，且勁度模量先輕微減小后明顯增大，廢膠粉的加入一定程度增強了改性SMA瀝青混合料在低溫時的應力松弛能力，提高了SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（3）通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果可知，殘留穩定度和凍融劈裂強度比隨著廢膠粉用量增加呈先增大后降低趨勢，16%時最大。說明適量廢膠粉可以明顯改善改性SMA瀝青混合料的抗水損害能力。

（4）綜合各方面路用性能，建議廢膠粉最佳用量為16%。

參考文獻

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