膠粉瀝青混合料性能影響研究

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400041)

引言

膠粉瀝青混合料具有優(yōu)良的使用性能，但也有其局限性。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范以及標(biāo)準(zhǔn)，試驗可行性都是在無摻加的瀝青混合料范圍內(nèi)，膠粉顆粒作為細(xì)集料加入級配，因為其本身所具有的高彈性，使得混合料難以壓實，因而其體積和性能參數(shù)的測定均有局限性。現(xiàn)有文獻(xiàn)和專著，還未就這個問題提出根本的解決辦法。為了改善膠粉瀝青混合料不易壓實的特點，采用調(diào)整級配的方法，得出設(shè)計中較為良好的瀝青混合料的級配，并檢驗其相關(guān)體積參數(shù)和性能指標(biāo)。

一、成型條件影響

橡膠瀝青起源于美國，路用橡膠瀝青材料的發(fā)展始于20世紀(jì)30年代，在同中期就已經(jīng)應(yīng)用于瀝青混合料中并評估了各種橡膠對石油瀝青性能的影響。70年代，研究表明橡膠瀝青混合料性質(zhì)變化的因素有：橡膠類型、橡膠粒度、橡膠含量、瀝青類型、反應(yīng)時間以及溫度等。隨后十幾年的時間美國建成了若干條橡膠瀝青混合料公路，聯(lián)邦公路局實施相關(guān)法案分為兩個階段，第一段是由佛羅里達(dá)州牽頭總結(jié)經(jīng)驗[2]。第二段由俄勒岡牽頭確定橡膠瀝青混合料長期性能以及評價可再生性[3]。威斯康星州運輸部的研究不僅描述了廢膠粉瀝青的性質(zhì)，且其結(jié)果表明，廢膠粉的加入影響了混合料的空隙率和摩阻力。這與材料的性質(zhì)和密實程度有關(guān)[1]。

干法橡膠瀝青混合料是指將廢膠粉顆粒按照等體積法替換一部分細(xì)集料直接加入到集料中進(jìn)行混合，再與瀝青拌合得到的混合料。干法工藝中的橡膠顆粒作為集料加入，而不是作為瀝青的改性劑。由于橡膠的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于集料的密度。因而混合料設(shè)計過程中應(yīng)注意橡膠顆粒對瀝青混合料的體積參數(shù)的影響[4]。

廢膠粉瀝青混合料雖然可以消耗大量的廢膠粉，同時提高路面的路用性能、降低車輛行駛的噪音等性能，但由于瀝青和集料的粘結(jié)力不足，使混合料難以壓實，即空隙率過大，最終造成路面松散。空隙率，是指顆粒之間的空隙以及石料的開口孔隙占堆積體積的比例，在瀝青混合料性能方面有很大影響；空隙率過大或過小，瀝青混合料都會在一定程度上引起病害，對路用性能造成一定程度的損害[5]。已有的文獻(xiàn)就廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)的影響因素有了一定的分析，就廢膠粉瀝青混合料試件制備的內(nèi)因和外因，做了一定的分析。

(一)集料性能

薛小剛認(rèn)為，影響空隙率的因素主要在礦粉[6]。礦粉在瀝青混合料中起到非常重要的作用，可以影響混合料的強(qiáng)度、耐久性、變形能力、路用性能等多項指標(biāo)。根據(jù)他們所做的試驗結(jié)果分析，隨著礦粉用量的加大，空隙率明顯減小。但到了一定量之后，加大礦粉用量并不會改善相關(guān)體積參數(shù)，并且過多的礦粉需加入較多的瀝青，還會影響混合料的粘附性。同時,礦粉作為瀝青混合料中至關(guān)重要的原材料之一，如果使用量過多會導(dǎo)致瀝青膜厚度難以滿足要求，使得混合料變脆，容易開裂造成早期損壞[7]。亞利桑那州、加州、佛羅里達(dá)州、俄勒岡州等的Pelham試驗路以及PlusRide工程的道路成果均表明，礦粉的選擇對瀝青混合料體積參數(shù)有較大影響。

文獻(xiàn)表明，廢膠粉瀝青混合料的主要影響因素為基質(zhì)瀝青。瀝青用量過低，又會導(dǎo)致瀝青混合料因粘結(jié)材料不足而無法成型。通過他們的試驗結(jié)果表明，較軟的基質(zhì)瀝青與橡膠顆粒之間更容易相容，且瀝青粘度也會因影響膠粉的溶脹時間而改變混合料的性能。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)，低溫性能較差的基質(zhì)瀝青相比與低溫性能較好的瀝青來說，膠粉加入的改善程度較大。同時，來源不同的同等級瀝青，也會因為瀝青分子量的函數(shù)不同導(dǎo)致膠粉瀝青混合料性質(zhì)不同。

至于粗細(xì)集料，文獻(xiàn)表明，保持4.75mm以上的集料總量一定，改變4.75～9.5mm和9.5～13.2mm的相對含量，發(fā)現(xiàn)隨著9.5mm以上的集料增多，膠粉作為填充空隙的細(xì)集料所能發(fā)揮的作用越大，導(dǎo)致空隙率逐漸減小。因而提升了混合料的性能[8]。

(二)膠粉性能

在以往的工程實踐中，廢膠粉的摻加量大約占18%～22%，大量工程選擇廢膠粉的摻加量為20%對瀝青混合料進(jìn)行改性。高摻量下必然會影響混合料的可壓實性，產(chǎn)生不易壓實和粘結(jié)力差等問題。加入膠粉，會使得混合料的高溫抗車轍、低溫抗裂以及抗水損害能力均有所提高。很多文章證明，存在著膠粉越細(xì)。橡膠瀝青性能越好的趨勢[16]。但有些文獻(xiàn)學(xué)術(shù)研究認(rèn)為。目前在橡膠瀝青混合料中不斷的追求粒徑小的精細(xì)膠粉并不合理[9]。Lalwani報道，粗糙性隨著膠粉粒徑的降低而增加。導(dǎo)致改性瀝青性能降低[10]。

(三)拌和條件

李廉認(rèn)為影響廢膠粉改性瀝青混合料體積參數(shù)的主要因素是改性溫度[11]。通過試驗以及總結(jié)前人經(jīng)驗，他們得出溶脹溫度應(yīng)控制在180～200℃之間為最佳。朱夢良等人也認(rèn)為，溫度是極其重要的可調(diào)節(jié)因素，當(dāng)溫度降至160℃以下，在這個階段中拌和溫度可以改善壓實質(zhì)量。空隙率呈現(xiàn)出“直線”的增大趨勢[12]。Lalwani和Jimenz以及很多文獻(xiàn)均表明，溫度對改性瀝青混合料至關(guān)重要。在高溫情況下，橡膠會發(fā)生脫硫和降解現(xiàn)象，且高的拌合溫度下沒有不利的粘度。車轍試驗表明其仍然具有較好的粘彈性[13][14]。

Billiter以及鐘陽等人的研究表明，較高的剪切速率可以改善、優(yōu)化粘合劑的中、低溫流變性質(zhì)。同時可以顯著的增加橡膠與瀝青之間的相互作用[15]。剪切速率越大，橡膠越容易分散，越有利于橡膠的溶脹，增加兩者之間的相互作用，從而改善粘合劑的性質(zhì)。

(四)擊實次數(shù)

裴建中等人認(rèn)為，認(rèn)為影響廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)的主要因素是擊實次數(shù)[17]。實驗室制作馬歇爾試件通常選用雙面擊實75次的試件，凍融劈裂試驗試件通常選用雙面擊實50次的試件。通過大量試驗數(shù)據(jù)可知，75次馬歇爾擊實馬歇爾試件的空隙率比50次明顯偏小，且雙面擊實75次的試件的空隙率比加入橡膠粉的小，說明橡膠粉的加入改變了混合料的空隙結(jié)構(gòu)，部分橡膠粉填料填充了混合料的空隙，使空隙率減小[5]。同時擊實次數(shù)也決定了成型試件的高度，如果擊實次數(shù)不足以使得混合料達(dá)到密實狀態(tài)，造成空隙率過大，同樣會導(dǎo)致混合料出現(xiàn)病害。

(五)穩(wěn)定劑的選擇

穩(wěn)定劑是指能增加溶液、固體、混合物等穩(wěn)定性能的化學(xué)物質(zhì)，能夠減慢反應(yīng)、保持化學(xué)平衡等作用。在廢膠粉瀝青混合料中加入穩(wěn)定劑是為了改善基質(zhì)瀝青與橡膠粉之間的相容性，同時提高廢膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的界面性能，并起到增塑作用。高芳烴油在沒有破壞膠粉粒子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之外，在瀝青和膠粉之間起到“橋梁”作用，使得廢膠粉瀝青混合料的性能得以優(yōu)化[15]。

(六)級配影響

設(shè)計關(guān)鍵篩孔通過率不同的三組級配，了解級配對廢膠粉瀝青混合料的影響。對比發(fā)現(xiàn)其理論最大相對密度差異不大，但對比毛體積相對密度，較粗的密度較大，較細(xì)的較小，因為密度的影響，直接導(dǎo)致空隙率的不同。膠粉作為細(xì)集料的一部分被摻入到混合料之中，當(dāng)集料級配較粗時，膠粉雖然強(qiáng)度較低，但可以作為細(xì)集料的一部分填充粗骨料產(chǎn)生的空隙，并且其自身所具有的吸附功能，可以吸附一定量的瀝青，使得混合料“粘結(jié)”更加牢固。當(dāng)集料級配較細(xì)時，本身較多的細(xì)集料在填充粗骨料已有空隙的同時還有部分剩余，這部分剩余的細(xì)集料會使得骨架結(jié)構(gòu)被撐開。而且膠粉的回彈性能，會在混合料壓實冷卻的過程中發(fā)生回彈，進(jìn)一步破壞混合料的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更多的空隙，反而使得密度下降，難以達(dá)到混合料自身強(qiáng)度狀態(tài)。

二、相關(guān)參數(shù)影響

發(fā)現(xiàn)加入膠粉使得瀝青混合料的體積參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其毛體積相對密度、理論最大相對密度在一定程度上有所增大，其空隙率減小，相關(guān)體積參數(shù)的優(yōu)化理論上會使得瀝青混合料的性能進(jìn)一步改善，說明加入膠粉會使得混合料更加密實，不易產(chǎn)生空隙。但膠粉因自身強(qiáng)度性質(zhì)較差，且具有一定的彈性性能，摻入混合料后在一定程度上難以與替換的細(xì)集料承受等同的壓力，因而可能會使得混合料整體強(qiáng)度下降。

(一)高度變化

不摻加膠粉的混合料擊實后和脫模后的高度相同，而摻加膠粉的高度均發(fā)生變化。數(shù)據(jù)表明，膠粉在壓實混合料體系中依然具有回彈的性質(zhì)，使得混合料的高度發(fā)生變化。高度的增長，使得混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙，密度減小。并且隨著油石比的增大，高度差均變小。瀝青用量增加，使得膠粉含量在整個體系中降低，宏觀表現(xiàn)為高度差減小。級配較粗，混合料留有較大空隙，膠粉的高彈性質(zhì)對混合料影響較小。

(二)空隙率

加入膠粉，使得混合料密實度不同程度減小。因為膠粉的密度不足細(xì)集料的一半，等體積摻量下整個結(jié)構(gòu)密度降低，同時膠粉自身具有回彈性質(zhì)，混合料前后高度發(fā)生變化，也是密度變化的重要影響因素。

(三)間隙率

不摻加膠粉的混合料空隙率比摻加膠粉的小，說明加入膠粉，增大了混合料各組分之間的空隙。膠粉具有彈性，混合料前后高度的變化一定會引起密度的變化，進(jìn)一步影響混合料空隙率。當(dāng)原本設(shè)計級配粗細(xì)搭配較為合理時，膠粉的加入會使得膠粉因為后期回彈性質(zhì)將混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu) “撐開”，導(dǎo)致間隙率增大。因而在設(shè)計混合料時，因考慮膠粉的回彈性質(zhì)，設(shè)計較粗的級配，讓膠粉成為粗集料之間的填料更佳。

(四)飽和度

加入膠粉的瀝青混合料飽和度大于不加膠粉的，說明加入膠粉，骨架以外的空隙部分體積變小，膠粉起到填充的作用。且在大量試驗數(shù)據(jù)下發(fā)現(xiàn)，細(xì)集料比例越大，飽和度對油石比的變化愈發(fā)敏感，數(shù)據(jù)波動也較大。

(五)穩(wěn)定度、流值

加入膠粉的混合料穩(wěn)定度值遠(yuǎn)大于不加膠粉的混合料穩(wěn)定度值，說明在受力模式下，即使膠粉作為填充材料，其自身的強(qiáng)度也會造成混合料產(chǎn)生強(qiáng)度損失；而對比不同級配下的混合料發(fā)現(xiàn)，較粗級配的毛體積相對密度大，空隙率，礦料間隙率等體積參數(shù)小，表現(xiàn)為穩(wěn)定度值大；而較細(xì)級配和中間級配的密度和空隙率等均因膠粉回彈作用的影響，最終表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度較低。再者，隨著油石比的增大，混合料的穩(wěn)定度都是先增大后減小，說明瀝青用量較小時，混合料密實度較差，強(qiáng)度較低；在合適范圍內(nèi)加大瀝青用量，會使得穩(wěn)定度值增加，然而進(jìn)一步加大瀝青用量時，過多的瀝青會導(dǎo)致易變形和泛油現(xiàn)象，反而使強(qiáng)度降低。

混合料的流值，對比膠粉加入與否，發(fā)現(xiàn)加入膠粉使得變形量增大，說明強(qiáng)度較差；與穩(wěn)定度不同的是，流值隨著油石比的增大也逐漸增大，沒有出現(xiàn)倒縮的現(xiàn)象。

三、結(jié)論

廢膠粉改性瀝青混合料的體積參數(shù)受到很多因素的影響，集料的性質(zhì)，膠粉的性能、剪切速率、攪拌溫度、擊實次數(shù)以及穩(wěn)定劑的選擇等。合適的瀝青用量及礦粉，合格的集料質(zhì)量以及適宜范圍內(nèi)的剪切速率和攪拌溫度、根據(jù)試驗設(shè)計的擊實次數(shù)和穩(wěn)定劑都是對廢膠粉瀝青混合料體積參數(shù)至關(guān)重要的影響參數(shù)。但現(xiàn)有混合料相關(guān)性能檢測的規(guī)范和方法具有一定的局限性，使得檢驗?zāi)z粉瀝青混合料的數(shù)據(jù)難以作為有力支撐，因而在做相關(guān)參數(shù)測試時，應(yīng)注意選擇合適的手段和方法，以保證數(shù)據(jù)的真實性和可用性。