輝綠巖橡膠瀝青混合料路用性能研究與應(yīng)用

唐 頌 周春風(fēng)

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010；2.江西贛東路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 江西撫州 344000)

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輝綠巖橡膠瀝青混合料路用性能研究與應(yīng)用

唐 頌1周春風(fēng)2

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010；2.江西贛東路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 江西撫州 344000)

將輝綠巖粗集料用于城市主干道下面層AR-AC16路面，并進(jìn)行集料性能實(shí)驗(yàn)、集料與結(jié)合料黏附性實(shí)驗(yàn)及橡膠瀝青混合料路用性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：除黏附等級(jí)不滿足規(guī)范要求外，輝綠巖其他物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)良，采用水泥替代礦粉并摻加抗剝落劑后，輝綠巖橡膠瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能，其中殘留穩(wěn)定度超過(guò)90%，比未摻加前提高40%以上，AR-AC16動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)4 700，凍融劈裂強(qiáng)度比有明顯提高，低溫小梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦滿足規(guī)范要求。輝綠巖粗集料可用于高等級(jí)瀝青路面中下面層。

道路工程 輝綠巖 橡膠瀝青混合料 黏附等級(jí) 路用性能

將廢舊橡膠輪胎制成路用廢胎膠粉，以不低于15%的內(nèi)摻摻量摻加到基質(zhì)瀝青中生產(chǎn)出橡膠瀝青，不但可以顯著提高結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性以及彈性回彈能力，而且橡膠瀝青路面在延緩反射裂縫、抵抗重載交通等方面有明顯優(yōu)勢(shì)[1-3]，截至目前為止，國(guó)內(nèi)幾乎所有省市均鋪筑了橡膠瀝青路面，部分省市甚至將橡膠瀝青混合料用于中下面層，并取得了良好的路用效果。撫州市迎賓大道首次在江西省采用雙層橡膠瀝青路面進(jìn)行舊路改造，原路為水泥路面，采用白加黑模式進(jìn)行路面改造，即在原水泥路面上加鋪雙層橡膠瀝青混合料，加鋪層采用1+4+4結(jié)構(gòu)，下面層采用4 cm厚的AR-AC16，該層粗集料最初計(jì)劃采用石灰?guī)r，但考慮到該條道路交通量大、紅綠燈多、平均車速低、過(guò)境車輛多、重載交通比重大、甚至存在超載車輛通行等問(wèn)題，故經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，最終決定采用堅(jiān)硬的輝綠巖作為下面層AR-AC16粗集料，細(xì)集料采用石灰?guī)r，在保證路面結(jié)構(gòu)層功能和擴(kuò)建工程順利完成的同時(shí)，亦較好地保證了橡膠瀝青混合料質(zhì)量及路用性能。

1 材料與方法

1.1 粗集料性能指標(biāo)

石灰?guī)r俗稱青石或灰石，屬沉積巖，主要化學(xué)成分是碳酸鈣，主要礦物成分為方解石，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%，屬于堿性石料。石灰?guī)r來(lái)源廣、硬度低、易劈裂便于開(kāi)采，與瀝青的黏附性較好，可以有效地提高抗水損害能力，但其自身強(qiáng)度低、易壓碎、易劈裂、易磨光，所以在目前高等級(jí)道路瀝青路面上面層粗集料中應(yīng)用很少。輝綠巖屬于噴出巖，礦物成分以堿性斜長(zhǎng)石和輝石為主，二氧化硅的含量通常在45%到52%之間，屬于堿性石料。多數(shù)情況下，其礦物粒徑大于玄武巖且更加致密，在高等級(jí)道路路面上面層粗集料中，用量?jī)H次于玄武巖的集料，但在道路中下面層路面尚不常見(jiàn)。

本文依托項(xiàng)目所用1#輝綠巖和1#石灰?guī)r粗集料(規(guī)格9.5～19 mm)，按照現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 42-2005)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同1#粗集料實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Test result of different coarse aggregate

由表1可以看出，石灰?guī)r雖然各指標(biāo)滿足技術(shù)要求[4]，但石料強(qiáng)度偏低，接近技術(shù)要求下限，且壓碎值明顯高于輝綠巖。輝綠巖除黏附等級(jí)低于技術(shù)要求外，其余指標(biāo)均優(yōu)于石灰?guī)r，綜合考慮集料性能及本項(xiàng)目交通特點(diǎn)，最終決定下面層粗集料選用輝綠巖。

1.2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

基質(zhì)瀝青采用東海牌70#A級(jí)道路石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E 20-2011)對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Result of matrix asphalt test

續(xù)表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Result of matrix asphalt test(Continued)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 橡膠瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

橡膠瀝青采用工地現(xiàn)場(chǎng)加工生產(chǎn)。目標(biāo)配合比實(shí)驗(yàn)用橡膠瀝青為實(shí)驗(yàn)室配制，采用20目路用廢胎膠粉，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)際情況，首先進(jìn)行橡膠瀝青配合比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同摻量橡膠瀝青配合比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results with different dosage for asphalt rubber mixture

由表3可以看出：不同實(shí)驗(yàn)摻量下，橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，綜合考慮工程質(zhì)量和施工難易程度[5]，最終確定室內(nèi)橡膠瀝青混合料用橡膠瀝青按表觀黏度3.0 Pa·s進(jìn)行控制，該黏度對(duì)應(yīng)膠粉內(nèi)摻約18%，實(shí)際生產(chǎn)橡膠瀝青混合料時(shí)，將橡膠瀝青黏度控制在2.8～3.2 Pa·s內(nèi)，此時(shí)膠粉內(nèi)摻摻量在17.5%～18.1%之間，以保證橡膠瀝青混合料質(zhì)量。

2.2 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

依據(jù)交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》關(guān)于斷級(jí)配橡膠瀝青混合料的研究成果，并參考以往類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)按照現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F 40-2004)及設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行路用性能驗(yàn)證[4,7]，采用2%水泥替代全部礦粉后，下面層AR-AC16礦料合成級(jí)配與級(jí)配范圍見(jiàn)表4。

表4 AR-AC16礦料合成級(jí)配與級(jí)配范圍Table 4 Material synthesis grading and gradation scope for AR-AC16

注：合成級(jí)配1為輝綠巖粗集料，合成級(jí)配2為石灰?guī)r粗集料。

按照上述級(jí)配制作馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，采取雙面各75次擊實(shí)成型，橡膠瀝青混合料室內(nèi)成型溫度控制見(jiàn)表5。

在此成型溫度下，得到最佳油石比下各橡膠瀝青混合料AR-AC16馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 AR-AC16室內(nèi)拌和與擊實(shí)溫度Table 5 Laboratory mixing and compaction temperature

表6 AR-AC16馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Marshall test results of AR-AC16

由表6可以看出，相同目標(biāo)空隙率，不同集料對(duì)應(yīng)的最佳油石比存在一定的差異，這一方面是因?yàn)榈V料合成級(jí)配本身就存在一定差別，另一方面，估計(jì)與不同集料的影響也存在一定的關(guān)系。采用輝綠巖和石灰?guī)r粗集料時(shí)，最佳油石比下，盡管橡膠瀝青混合料AR-AC16馬歇爾試件的體積指標(biāo)以及穩(wěn)定度和流值均滿足設(shè)計(jì)要求，但是輝綠巖粗集料的穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于石灰?guī)r，這說(shuō)明AR-AC16輝綠巖橡膠瀝青混合料具有更好的強(qiáng)度及高溫穩(wěn)定性。

2.3 橡膠瀝青混合料路用性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

撫州市屬中亞熱帶季風(fēng)型氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，年平均降水量多在1 700 mm左右，且降雨多集中在4～6月份，春季常出現(xiàn)長(zhǎng)陰雨天氣，因此，路面在雨季時(shí)面臨著潛在水損害威脅，對(duì)混合料水穩(wěn)定性要求較高。

瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)定方法可分兩個(gè)階段，在集料性能實(shí)驗(yàn)階段，主要通過(guò)黏附性實(shí)驗(yàn)測(cè)定瀝青與礦料的黏附性，在混合料路用性能驗(yàn)證階段，則通過(guò)混合料的浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

對(duì)1#輝綠巖粗集料采用T 0616-1993水煮法，分別與基質(zhì)瀝青及橡膠瀝青進(jìn)行黏附性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青與輝綠巖粗集料黏附等級(jí)只有3級(jí)，不滿足設(shè)計(jì)要求，而橡膠瀝青與輝綠巖黏附等級(jí)則提高了一級(jí)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的4級(jí)，究其原因，在于相同溫度下，橡膠瀝青黏度遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青，較高黏度增加了粗集料表面瀝青膜厚度，并進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)瀝青含量，從而改善了橡膠瀝青與輝綠巖集料的結(jié)合力和黏附性。

雖然橡膠瀝青與輝綠巖粗集料黏附等級(jí)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但對(duì)橡膠瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，即便在橡膠瀝青混合料中采用2%水泥替代全部礦粉， AR-AC16殘留穩(wěn)定度仍只有62.9%，達(dá)不到規(guī)范不低于85%的要求，需要摻加抗剝落劑。

因橡膠瀝青生產(chǎn)溫度在180～200 ℃之間，橡膠瀝青混合料的正常生產(chǎn)溫度也已超過(guò)170 ℃，遠(yuǎn)高于胺類抗剝落劑的分解溫度，為此，本文選用一種非陽(yáng)離子、非胺類抗剝落劑，其有效成分分解溫度超過(guò)380 ℃，正常情況下為黑色液體，使用時(shí)只需添加瀝青結(jié)合料質(zhì)量的0.2%～0.4%于熱瀝青結(jié)合料中，攪拌均勻即可與結(jié)合料混溶，并取得顯著抗剝落效果，使集料與結(jié)合料黏附等級(jí)由2～3級(jí)提高到5級(jí)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性及質(zhì)量保證，決定抗剝落劑按0.4%摻加，并進(jìn)行RTFOT對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)橡膠瀝青，則是先將抗剝落劑加入到190 ℃橡膠瀝青中，恒溫?cái)嚢?0 min后，再進(jìn)行RTFOT實(shí)驗(yàn)，并取RTFOT后結(jié)合料進(jìn)行黏附性實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證混合料生產(chǎn)及施工過(guò)程中的老化過(guò)程及抗剝落劑的耐高溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同結(jié)合料黏附性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of different binder adhesion

由表7可以看出，無(wú)論基質(zhì)瀝青還是橡膠瀝青，RTFOT后與輝綠巖集料的黏附等級(jí)均能保持5級(jí)，從而顯示出所用抗剝落劑優(yōu)良的耐高溫效果，摻加抗剝落劑后,橡膠瀝青混合料殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比見(jiàn)表8。

表8 摻加抗剝落劑后橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of water stability after adding anti-stripping agent on asphalt rubber mixture

由表8可以看出，未摻加抗剝落劑前，石灰?guī)r橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，但輝綠巖相關(guān)指標(biāo)均低于設(shè)計(jì)值。摻加抗剝落劑后，輝綠巖橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性有較大幅度提高，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為43.4%和38.9%，抗剝落劑和集料巖性均對(duì)橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性具有重要影響。

2.3.2 高溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

作為城市主干道，改造路段交通量大，重載車輛多，且項(xiàng)目所在區(qū)屬瀝青及瀝青混合料氣候分區(qū)中夏炎熱冬溫潮濕區(qū)，最熱月平均最高氣溫超過(guò)30 ℃，所有這些，都對(duì)瀝青混凝土路面高溫性能提出了更高要求。

通常情況下，瀝青稠度高，軟化點(diǎn)高，溫度穩(wěn)定性好，在高溫下仍能保持足夠的黏滯性，使混合料具有一定的強(qiáng)度和勁度，橡膠瀝青黏度高，軟化點(diǎn)高，彈性恢復(fù)好，雖然橡膠瀝青對(duì)混合料高溫性能的影響迄今尚缺乏系統(tǒng)的研究，但就工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，橡膠瀝青混合料雖然油石比遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料，但其動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于后者。已有研究結(jié)果表明，瀝青混合料高溫抗車轍性能60%依賴于礦料級(jí)配，結(jié)合料則有40%貢獻(xiàn)[2]，在相同集料情況下，橡膠瀝青動(dòng)穩(wěn)定度高出普通瀝青混合料很多，這其中，雖然存在級(jí)配差異原因，但是結(jié)合料對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響不容忽視。

內(nèi)摻18%膠粉，黏度3.0 Pa.s時(shí)，對(duì)AR-AC16進(jìn)行車轍實(shí)驗(yàn)，按照現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 20-2011)， 采用輪碾法T 0703-2011；制作300 mm×300 mm×50 mm的試件，在最佳油石比下，對(duì)輝綠巖橡膠瀝青混合料和石灰?guī)r橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同粗集料動(dòng)穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test results of dynamic stability for different coarse aggregate

由表9可以看出，輝綠巖橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度高出石灰?guī)r，二者均滿足設(shè)計(jì)要求，但是輝綠巖橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度比石灰?guī)r橡膠瀝青混合料增加30%以上，超過(guò)了規(guī)程規(guī)定的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)要求，這說(shuō)明排除實(shí)驗(yàn)誤差后，不同集料對(duì)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有著較為顯著的影響，從動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)看，AR-AC16中采用輝綠巖橡膠瀝青混合料比石灰?guī)r具有更好的高溫穩(wěn)定性。

2.3.3 低溫性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

按照T 0715-2011進(jìn)行輝綠巖橡膠瀝青混合料低溫彎曲實(shí)驗(yàn)，在最佳油石比下，采用輪碾成型試件并切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁試件，實(shí)驗(yàn)溫度-10±0.5 ℃，加載速率50 mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10 。

由表10可以看出，輝綠巖橡膠瀝青混合料的破壞應(yīng)變超過(guò)3 000 με以上，說(shuō)明輝綠巖橡膠瀝青混合料具有更好的適應(yīng)低溫變形能力，其低溫抗裂性能好，低溫性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

該項(xiàng)目自2012年8月26日竣工以來(lái)，已運(yùn)行超過(guò)兩年，路面狀況良好，無(wú)明顯水損害發(fā)生。

表10 輝綠巖橡膠瀝青混合料低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 10 Test results of low temperature bending for diabase asphalt rubber

3 結(jié)論

雖然輝綠巖與基質(zhì)瀝青黏附等級(jí)低于石灰?guī)r，但其綜合力學(xué)指標(biāo)優(yōu)于石灰?guī)r，與其結(jié)合料黏附等級(jí)偏低時(shí)，采用水泥替代部分或全部礦粉，并同時(shí)摻加抗剝落劑，可以完全用于橡膠瀝青混合料。

摻加抗剝落劑后，輝綠巖橡膠瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性，其低溫性能亦滿足規(guī)范要求，輝綠巖可替代石灰?guī)r用于高等級(jí)橡膠瀝青路面各結(jié)構(gòu)層。

受實(shí)驗(yàn)條件制約，本文未能進(jìn)行浸水車轍實(shí)驗(yàn)，建議條件許可時(shí)，可通過(guò)浸水車轍等實(shí)驗(yàn)對(duì)摻加抗剝落劑后輝綠巖橡膠瀝青混合料路用性能進(jìn)行深入分析研究。

致謝：本文得到同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院呂偉民教授的指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝！

[1] 呂偉民.橡膠瀝青路面技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 黃衛(wèi)東，李彥偉，杜群樂(lè), 等.橡膠瀝青及其混合料的研究與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2011.

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[9] JTG E42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

Research and Application of Diabase Asphalt Rubber
Mixture on Pavement Performance

TANG Song1， ZHOU Chun-feng2

(1.SchoolofEnvironmentalEngineeringandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010,Sichuan,China;2.JiangxiGandongRoad&BridgeConstructionGroupCO.LTD,Fuzhou344000,Jiangxi,China)

Using diabase coarse aggregate on AR - AC16 for urban main road, and aggregate performance test, aggregate and binder adhesion test and performance test of rubber asphalt mixture. The results show that: in addition to the adhesion level does not meet the requirements of specification, greenstone other excellent physical and mechanical indexes, with cement for mineral powder and adding antistripping agent, diabase rubber asphalt mixture showe excellent road performance, including residual stability more than 90%, more than 40% higher than that of before adding, AR - AC16 dynamic stability is as high as 4700, freeze-thaw splitting strength than to have improved obviously, low temperature tm test results meet the requirements of specification, diabase aggregate can be used for high grade lower surface layer of asphalt pavement.

Road engineering； Diabase； Asphalt rubber mixture； Adhesion levels； Pavement performance

2015-01-07

四川省教育廳基金項(xiàng)目(12ZB334)。

唐頌(1974—)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭蛎驿佈b及工程材料應(yīng)用等。E-mail：tangs2011@163.com

U414

A

1671-8755(2015)02-0028-06