橡膠粉、水泥對瀝青改性性能的試驗(yàn)

文/新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 張校剛

為提高瀝青混合料與花崗巖等帶有酸性集料的黏附性能，在瀝青混合料中加入橡膠、水泥等外加劑來改善瀝青混合料性能，使改性瀝青與集料具有良好的黏結(jié)力，克服瀝青路面早期破壞的弱點(diǎn)。通過分析剪切時(shí)間和溫度、橡膠粉和水泥的摻量，并運(yùn)用正交試驗(yàn)原理來分析橡膠粉和水泥對瀝青的改性性能，尋求橡膠粉和水泥摻量及剪切時(shí)間和溫度的最佳值，為指導(dǎo)實(shí)際施工提供參考。

研究背景

瀝青路面早期破壞的原因通常是由于瀝青混合料與集料的黏結(jié)不足，而引起瀝青與集料的剝離造成路面的破壞。當(dāng)集料采用花崗巖時(shí)，由于花崗巖的酸性特性，使得瀝青與其黏附性大大減小，即便花崗巖的強(qiáng)度高，也很少在瀝青混合料中使用。

使用水泥代替部分或全部瀝青混合料中的礦粉在國內(nèi)外早有廣泛應(yīng)用，且在使用的過程中取得了良好的效果。水泥加入瀝青混合料中能有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，主要原因是相比礦粉而言，水泥具有較高活性的堿性組分，比表面積大。橡膠瀝青混合料也具有其獨(dú)特的優(yōu)良性能，高溫低溫性能能夠得到有效改善，而目前對橡膠粉與水泥同時(shí)加入基質(zhì)瀝青中的應(yīng)用效果研究有限，對它的探索空間較大。

水泥、橡膠改性瀝青機(jī)理分析

水泥能夠改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，是因?yàn)樗嗑哂休^高的堿活性，能使酸性集料所帶的負(fù)電荷減少并降低集料表面的電位，從而減輕水對集料的作用。堿性的水泥能夠與帶羥酸的瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物為帶有活化劑效果的鈣鹽。水泥的比表面積較大，這就有利于增大集料和瀝青間的分子力，使更多的瀝青能夠吸附于集料表面，形成網(wǎng)狀的凝膠結(jié)構(gòu)，這樣既提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，又提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

橡膠瀝青通常是利用廢舊輪胎粉摻入瀝青中經(jīng)混合后所形成的混合物，液體瀝青中存在大量的低分子油類組分，經(jīng)物理擴(kuò)散進(jìn)入高分子橡膠顆粒架構(gòu)中，這使得橡膠顆粒會產(chǎn)生程度不一的溶脹，體積會比之前增大一倍左右，所以在橡膠顆粒表面會形成一層凝膠質(zhì)，使黏附性增加，大量的橡膠顆粒在充分溶脹后，產(chǎn)生的膠凝與黏度高的瀝青形成一個黏度很大的連續(xù)相體系，不容易流動變形。橡膠瀝青因橡膠粉的摻入使結(jié)合料的稠度、抵抗高低溫性能、彈性恢復(fù)能力都大為提升，橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性與其軟化點(diǎn)和黏度成正相關(guān)，橡膠粉的種類、摻量及粒度等是影響橡膠瀝青路用性能的重要因素，同樣也是影響橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性的重要因素，將水泥與橡膠粉同時(shí)加入基質(zhì)瀝青中，能夠改善瀝青與酸性集料黏附性的問題，有效防止瀝青混合料過早出現(xiàn)水損害，同時(shí)也能明顯改善瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗裂性能。

原材料基本參數(shù)及試驗(yàn)方案

原材料基本參數(shù)

本試驗(yàn)擬采用42.5#水泥、40目廢舊輪胎橡膠粉、70#基質(zhì)瀝青，此三種原料的主要技術(shù)指標(biāo)見表1、表2、表3。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表2 40目橡膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 70#基質(zhì)瀝青主要指標(biāo)

表4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)來對瀝青混合料的性能進(jìn)行分析，通過分析橡膠粉、水泥、剪切溫度、剪切時(shí)間等主要影響瀝青混合料性能的因素，得出各指標(biāo)的最佳摻量或最佳時(shí)間等，并找出最優(yōu)組合進(jìn)而指導(dǎo)施工現(xiàn)場的施工。正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表4所示。

改性瀝青高溫性能正交試驗(yàn)

瀝青混合料的高溫性能是瀝青混合料一項(xiàng)非常重要的性質(zhì)，對此項(xiàng)性質(zhì)的評價(jià)往往通過軟化點(diǎn)來進(jìn)行。在測試9組試驗(yàn)樣品后，得到影響軟化點(diǎn)值的主要因素（膠粉摻量、剪切溫度、水泥摻量、剪切時(shí)間）的規(guī)律性曲線圖（如圖1所示）。

圖1 軟化點(diǎn)和值隨因素水平變化規(guī)律

從圖1可以看出，軟化點(diǎn)隨著橡膠粉摻量和剪切溫度的升高而隨之升高，隨水泥摻量和剪切時(shí)間的增加而降低；軟化點(diǎn)和值在230℃左右時(shí)，橡膠粉摻量、剪切溫度、水泥摻量曲線接近相交，軟化點(diǎn)和值在225℃左右時(shí)，橡膠粉摻量和剪切時(shí)間曲線相交，則可以認(rèn)為在軟化點(diǎn)和值為228℃左右時(shí)，所對應(yīng)的各因素水平為最佳水平；當(dāng)橡膠粉摻量為15%、剪切溫度為175℃～195℃、水泥摻量為3%、剪切時(shí)間為40min時(shí)，改性瀝青的高溫性最佳。

表5 調(diào)配改性瀝青工藝參數(shù)

結(jié)語

當(dāng)橡膠粉的摻量為15%、水泥摻量為3%時(shí)，改性后的瀝青混合料中瀝青與花崗巖集料能夠很好地結(jié)合，且通過浸水試驗(yàn)證明其黏附性能夠達(dá)到理想效果，高溫性能、低溫性能等指標(biāo)也完全能夠滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合考慮，建議采用如表5所示的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)配。