基于瀝青混合料性能評價的干法膠粉粒徑優選研究

為優選干法橡膠瀝青混合料中膠粉的最優粒徑，文章選取100目、40目與20目三種典型粒徑膠粉，采用干法工藝制備成橡膠瀝青混合料，與未摻膠粉的對照組進行體積試驗、馬歇爾試驗、70 ℃車轍試驗、單軸壓縮試驗及不同溫度劈裂試驗對比分析。結果顯示：摻入膠粉后，瀝青混合料最佳油石比較對照組增大，且隨膠粉粒徑增大而降低；混合料相對密度、空隙率、瀝青飽和度較對照組減小，且隨著膠粉粒徑增大而增大；小粒徑膠粉可提升瀝青混合料穩定度與抗壓強度，但穩定度與劈裂強度均較對照組小，且隨膠粉粒徑增大各力學指標均降低；但干法工藝可提升瀝青混合料抗永久變形能力，且粒徑越小效果越好。綜合而言，考慮膠粉粒徑對干法瀝青混合料性能影響的復雜性，膠粉粒徑應視服役環境要求進行綜合遴選。

道路工程；膠粉；干法；力學性能；瀝青混合料

U416.03A020044

基金項目：

中央引導地方科技發展資金項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：

譚楷模（1982—），工程師，主要從事道路檢測與技術咨詢工作。

0" 引言

國家“雙碳目標”戰略對各行各業可持續的高質量發展提出了更高要求［1］。其中，廢舊輪胎等橡膠制品導致的“黑色污染”嚴重危害著生態環境與人類健康［2］。近年來，將廢舊輪胎制備成橡膠顆粒并用于道路工程瀝青材料改性，已被證明具有良好的生態與經濟效益［3］。橡膠瀝青混合料的制備一般采用濕法工藝，即提前將橡膠粉與瀝青通過混熔剪切制備成橡膠瀝青，然后將其作為改性瀝青與集料、填料混合制備成瀝青混合料［4］。目前對濕法工藝橡膠瀝青及瀝青混合料進行了較為廣泛的研究，已證明該方法可有效提升瀝青路面的高溫抗車轍、抗疲勞以及抗老化等綜合性能［5］。但濕法工藝消耗廢胎膠粉能力有限（一般為瀝青質量的15%～25%），且制備工藝復雜、儲存穩定性不佳［6］。而干法工藝可將膠粉與礦料一起直接拌和進行瀝青混合料制備，且膠粉摻量一般可達到礦料質量的2%左右［7］。目前也有較多學者對干法工藝進行了研究，如張筱莉［8］研究了高摻（礦粉質量的10%～50%）細膠粉對瀝青混合料性能的影響；余苗等［9］采用等體積替代法對干法瀝青混合料級配設計方法進行了研究；李燕［10］對膠粉粒徑和用量對多孔瀝青混合料路用性能的影響進行了分析。但上述研究多為瀝青混合料常規路用性能驗證，對干法瀝青混合料性能缺乏系統研究，這也是干法橡膠瀝青未被廣泛推廣的原因之一。

針對上述問題，本研究擬從瀝青混合料體積指標及力學性能入手，系統考查膠粉粒徑對其綜合影響。擬選取100目、40目與20目3種粒徑膠粉，采用干法制備成橡膠瀝青混合料，并與對照組進行瀝青混合料體積試驗、馬歇爾試驗、70 ℃車轍試驗、單軸壓縮試驗及不同溫度劈裂試驗對比分析。期望為干法橡膠瀝青混合料的工程應用提供指導。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料

瀝青選用70#基質瀝青，其主要技術指標如表1所示。粗集料選用玄武巖集料，粒徑分別為5～10 mm、10～15 mm。細集料選用石灰巖細集料，粒徑為0～5 mm。填料選用石灰巖研磨礦粉。集料及礦粉技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）規范技術要求［11］。合成級配如表2、圖1所示。

綜合調研［12］，選取3種典型粒徑橡膠粉進行干法橡膠瀝青混合料試件制備，膠粉粒徑分別為100目（0.15 mm）、40目（0.425 mm）、20目（0.83 mm）。采用膠粉替代部分0～5 mm細集料，替代質量為集料總質量的2%。膠粉加入采用干法技術，即進行混合料拌和時，與加入的集料一起進行制備。

基于瀝青混合料性能評價的干法膠粉粒徑優選研究/譚楷模，曾俐豪

1.2" 試驗方法

1.2.1" 馬歇爾穩定度試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）（以下簡稱試驗規程）中的T 0709-2011進行馬歇爾穩定度試驗［13］，試驗得到馬歇爾試件穩定度（MS）與流值（FL）。馬歇爾穩定度與流值分別表示混合料在承受荷載時抵抗破壞能力以及破壞時的最大變形量。其中，流值一般應在合適的范圍，過大表示瀝青混合料的抗變形能力差，過小則表示瀝青混合料的剛度過大、彈性性能不足。每組試樣進行3次平行試驗，取平均值進行結果分析。

1.2.2" 70 ℃車轍試驗

參照試驗規程中的T 0719-2011方法進行混合料車轍試驗，試驗得到車轍試件動穩定度與車轍深度。為評價試件在高溫環境下抗車轍性能，將試驗溫度由60 ℃提高至70 ℃。每組試樣進行3次平行試驗，取平均值進行結果分析。

1.2.3" 單軸壓縮試驗

參照試驗規程中的T 0713-2000方法進行圓柱體混合料試件單軸壓縮試驗，試驗溫度為20 ℃，加載速率為2 mm/min。每組試樣進行2次平行試驗，取平均值進行結果分析。

1.2.4" 劈裂試驗（ITS）

參照試驗規程中的T 0716-2011方法進行混合料劈裂試驗（又稱間接拉伸試驗，ITS），試驗溫度分別選取常規的15 ℃以及25 ℃，加載速率為50 mm/min。劈裂強度又稱間接拉伸強度，相較于單軸壓縮強度，該試驗通過劈裂條使試件破壞形式呈現拉伸破壞，可表征瀝青混合料拉伸強度。每組試樣進行2次平行試驗，取平均值進行結果分析。

2" 結果與討論

2.1" 體積指標

在干法橡膠瀝青混合料力學分析前應進行各混合料最佳油石比確定。采用馬歇爾設計法，確定的各組瀝青混合料最佳油石比（OAC）及各體積指標參數，如表3所示。

（1）摻入膠粉后，瀝青混合料最佳油石比增大，且隨膠粉粒徑增大油石比呈降低趨勢，但均較無膠粉對照組大。與干法橡膠瀝青混合料相比，對照組中集料與瀝青只存在簡單的裹覆作用。而摻入膠粉后，在高溫拌和作用下，少量膠粉會與瀝青融合，與瀝青形成橡膠-瀝青混合物，會消耗部分瀝青。因此，干法膠粉工藝一定程度上會增大瀝青混合料最佳油石比。但隨著膠粉粒徑增大，膠粉比表面積減小，其與瀝青作用效果和集料-瀝青作用效果接近，使得最佳油石比呈現減小趨勢。

（2）隨粒徑變化，干法橡膠瀝青混合料相對密度與瀝青飽和度（VFA）呈現相似變化規律。即隨膠粉粒徑增大兩個指標均增大，但均較無膠粉的對照組小。這是由于干法摻入膠粉后，膠粉作為“集料”發揮作用，但由于其密度遠小于真實集料，因此摻膠粉瀝青混合料相對密度較對照組小。此外，摻入膠粉后隨著膠粉粒徑增大混合料“骨架”效果更加明顯，此時將引起礦料間隙率（VMA）增大，根據VFA計算公式，在空隙率變化較小時，VMA的增加將導致VFA的提升。

2.2 "馬歇爾試驗

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料穩定度與流值試驗結果如下頁圖2所示。

（1）相較對照組，100目膠粉瀝青混合料穩定度增大，但隨著膠粉粒徑增大混合料穩定度呈降低趨勢。100目、40目與20目膠粉瀝青混合料穩定度較對照組變化幅度分別為+8.3%、-3.0%、-12.1%（+為增加、-為降低）。這是由于小粒徑橡膠摻入后可與瀝青發生一定程度的混融，部分瀝青轉換為粘彈性更好的橡膠瀝青，進而增強混合料抗變形能力。而隨著膠粉粒徑增大，由于拌和時間有限，大粒徑膠粉與瀝青混融作用降低，導致其穩定度呈現顯著的降低趨勢。

（2）相較對照組，100目與40目干法橡膠瀝青混合料流值基本與其相當。但20目膠粉瀝青混合料的流值急劇增大，已不滿足規范2～4 mm的限定要求。這可能是由于采用20目膠粉等體積替代細集料后，大粒徑的膠粉由于拌和混融時間有限，相較原集料而言其與瀝青粘附作用減弱，進而使對應的瀝青混合料穩定度與流值顯著降低。

2.3" 70 ℃車轍試驗

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料高溫（70 ℃）車轍試驗結果如圖3所示。

（1）采用干法工藝摻入膠粉后，各混合料動穩定度均降低，且隨膠粉粒徑增大，降幅更加顯著。相較對照組，摻入膠粉后各粒徑橡膠瀝青混合料動穩定度分別降低6.3%、7.4%與10.4%。該結果表明，干法工藝會對橡膠瀝青混合料高溫穩定性產生一定的不利影響，但整體而言，其降幅仍在可控范圍，各試樣在70 ℃的溫度條件下的動穩定度均高于規范標準試驗條件（60 ℃）限定值（≥1 000次/mm）。

（2）相較對照組，摻入膠粉后各混合料車轍深度值均減小，且100目膠粉瀝青混合料車轍深度最小，表明干法工藝可在一定程度上減小瀝青混合料的永久變形量。這是由于膠粉具有良好的彈性性能，可在一定程度上增強瀝青混合料的彈性能力。但由于本研究干法拌和采用的類似直投法進行混合料試件制備，導致膠粉與瀝青混融效果有限［14］。因此，當膠粉粒徑增大時，混合料車轍深度變大。但整體而言，仍較未摻膠粉混合料的試樣小。

綜合分析，干法橡膠瀝青混合料不同高溫性能指標變化規律存在一定差異，但動穩定度降幅較小，仍可滿足規范規定要求。同時，干法膠粉工藝可顯著降低瀝青混合料永久變形量。實際應用時，可根據工程需求進行針對性工藝優化。

2.4" 單軸壓縮試驗

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料單軸壓縮試驗（20 ℃）結果如圖4所示。

摻入小粒徑膠粉后，瀝青混合料抗壓強度增大，但隨粒徑增加抗壓強度呈降低趨勢。與前述馬歇爾試驗穩定度、動穩定度變化規律一致，隨著膠粉粒徑增大，瀝青混合料抗壓強度呈現降低趨勢，表明膠粉粒徑對瀝青混合料大部分力學指標呈現一致的影響規律。但粒徑為100目、40目的膠粉對應的瀝青混合料抗壓強度均高于對照組，提高幅度分別為6.3%與2.3%，表明干法橡膠瀝青混合料不同力學指標對膠粉粒徑敏感性不一致。但整體而言，在本研究所采用制備工藝下，大粒徑（20目）膠粉對瀝青混合料力學指標存在不利影響。

2.5" 劈裂試驗

不同粒徑膠粉橡膠瀝青混合料在不同溫度下的劈裂試驗結果如圖5所示。

干法摻入膠粉后，瀝青混合料劈裂強度降低，隨著粒徑增大降幅增大，且不同溫度條件下的劈裂強度呈現一致的變化規律。相較對照組，15 ℃與25 ℃條件下的劈裂強度分別為6.7%～23.9%、6.4%～40.1%。劈裂強度采用劈裂條進行端點施壓，是一種間接拉伸試驗方法，表明干法工藝對瀝青混合料抗拉強度具有不利影響。這可能是由于膠粉摻入后降低了瀝青與集料間粘結強度所致的［15］。

2.6" 綜合對比分析

為綜合分析膠粉粒徑對干法工藝瀝青混合料力學性能影響，對不同粒徑膠粉瀝青混合料力學指標進行熱圖排序，如圖6所示。

注：排序值越小，顏色越深，此時對應力學指標性能越好

（1）整體而言，干法摻入膠粉后，隨著膠粉粒徑增大，瀝青混合料力學指標呈降低趨勢。這是由于拌和時間有限，大粒徑膠粉無法與瀝青有效融合形成良好的混融結構，進而導致混合料力學指標降低。但干法膠粉摻入對車轍深度具有積極影響，即膠粉的高彈屬性有效提升了瀝青混合料抗永久變形性能。

（2）綜合分析，小粒徑（100目）膠粉可提升瀝青混合料抗壓力學性能，但干法瀝青混合料抗拉強度均較對照組小。因此工程應用時，應結合具體工況進行針對性設計。

3" 結語

為研究不同粒徑膠粉對干法橡膠瀝青混合料力學性能影響，選取100目、40目與20目3種粒徑膠粉，采用干法制備成橡膠瀝青混合料，與無膠粉的對照組進行瀝青混合料體積試驗、馬歇爾試驗、70 ℃車轍試驗、單軸壓縮試驗及不同溫度劈裂試驗對比分析。得到如下結論：

（1）相較不摻膠粉的對照組，摻入膠粉后瀝青混合料最佳油石比增大，且隨膠粉粒徑增大而降低；而混合料相對密度、空隙率、瀝青飽和度相較對照組減小，且隨著膠粉粒徑增大而增大。

（2）干法摻入膠粉后，小粒徑膠粉瀝青混合料穩定度與抗壓強度均較對照組提升，但隨膠粉粒徑增大，上述兩個力學指標均降低，且逐漸小于對照組。而摻入膠粉可使車轍深度降低，且粒徑越大改善越顯著。

（3）干法工藝瀝青混合料在不同溫度下劈裂強度均較對照組降低，且隨膠粉粒徑增大，劈裂強度降幅增大。

［1］中共中央，國務院.關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm，2021-10-24.

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20240312