不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料路用性能分析

李昌輝, 倪廣聰, 徐希忠, 陳婷婷, 王琳, 張曉萌*, 韓文揚, 孫強

(1.山東高速股份有限公司, 濟南 250014; 2.俄羅斯頓河國立技術大學道路-交通學院, 頓河畔羅斯托夫 344022;3.山東省交通科學研究院科技創新中心, 濟南 250102)

隨著社會經濟的高速發展,汽車的使用率大幅提高,隨之而來的就是如何有效處理廢舊汽車輪胎的問題。輪胎作為一種化學產物,如果得不到有效的處置,不僅會污染地下水,還會造成空氣污染。近年來,中國工程建設中提倡綠色、環保、節能的新理念,橡膠瀝青作為一種節能環保、性能優良的筑路材料,在國內道路修建工程中得到了越來越多的應用[1-3]。

中外學者對橡膠瀝青混合料路面的評價體系有較深入的探索,但對橡膠瀝青混合料路面的路用性能研究仍還有很大的進步空間。武建民等[4]依據橡膠瀝青的作用機理,基于加速磨耗試驗從材料配合比設計及抗滑路用性能方面,分析了鋼渣-橡膠瀝青混合料抗滑性能及評價指標體系;謝強等[5]介紹了國內外橡膠瀝青混凝土的發展歷程,得到了片麻巖-SBS橡膠瀝青黏附性及混合料路用性能,具有一定的經濟、社會和環保效益;房辰澤等[6]評價了橡膠瀝青混合料材料的疲勞性能和抗拉強度,提出了基于勁度模量分析的橡膠瀝青混合料疲勞壽命;祝譚雍等[7]基于美國Superpave試驗方法,對新型改性瀝青混合料的路用性能進行評價,得到了橡膠粉改性瀝青混合料在低溫抗裂和抗疲勞特性方面均有較好的路用性能。綜上所述,目前針對在實際工程應用中,針對不同橡膠摻量橡膠瀝青混合料的黏附性能、綜合路用性能及其微觀機理方面的仍有待提升。

現擬通過分析瀝青膠結料與集料之間的黏附關系,結合不同摻量下橡膠瀝青混合料的力學性能及實際工程應用,對橡膠瀝青路面的路用性能進行一個較為全面與準確的評價。

1 橡膠瀝青混合料材料性能分析

1.1 橡膠膠粉

膠粉采用30～80目橡膠粉,胎源全部為900 mm以上的大貨車輪胎,經常溫研磨工藝加工而成,橡膠粉物理化學指標如表1所示。

表1 橡膠粉物理、化學指標檢測結果

1.2 橡膠瀝青

選用基質瀝青為優質的70#A級道路石油瀝青,膠粉摻量為基質瀝青的0、30%、40%、50%,采用高速剪切攪拌的加工工藝[8],在溫度為185 ℃,反應時間1 h的條件下分別測試不同膠粉摻量下橡膠瀝青針入度、軟化點、黏度指標,結果如表2所示。

表2 不同膠粉摻量橡膠瀝青指標的影響

由表2可知,橡膠瀝青軟化點相對基質瀝青可提高約40 ℃,說明橡膠瀝青的高溫性能較好;隨膠粉摻量的不斷增加,橡膠瀝青軟化點呈上升趨勢,針入度逐漸變小,黏度逐漸增大。這主要是由于膠粉溶于基質瀝青時,吸收了瀝青中的部分輕質組分,使得膠粉溶劑中瀝青質的含量相對增加,瀝青的膠體結構發生改變,降低了自身的黏聚力,增加了瀝青與集料間的黏附性,從而使橡膠瀝青針入度減小。

1.3 瀝青激光回彈試驗

LTI-100瀝青激光回彈儀可以用來快速評價瀝青材料常溫下的力學性能和路用性能。通過空氣加載技術測得單一應力條件或多應力水平作用下不同膠粉摻量下改性瀝青的蠕變及變形恢復能力[9-11]。瀝青激光回彈儀器如圖1所示。

圖1 LTI-100瀝青激光回彈試驗過程Fig.1 LTI-100 Asphalt laser rebound test process

分別對膠粉摻量0、30%、40%和50%的4種改性瀝青進行激光回彈測,試驗對比結果如表3所示。圖2為不同膠粉摻量改性瀝青的時間-變形曲線,能準確反映測試不同膠粉摻量改性瀝青試樣的變形情況。

表3 不同膠粉摻量下瀝青回彈試驗結果

圖2 不同膠粉摻量下橡膠瀝青回彈變形曲線圖Fig.2 Resilience deformation curve of asphalt under different rubber powder content

通過以上試驗結果分析發現,30%、40%、50%膠粉摻量的瀝青PG分級分別為PG76-28、PG82-28,滿足相關規范要求;隨著橡膠摻量的增加,其最大變形能力變大,恢復率也不斷增加,說明膠粉的加入可以有效改善瀝青恢復變形能力,對瀝青材料的抵抗變形的能力也有顯著的影響。

1.4 瀝青接觸角試驗

瀝青混合料是由集料和瀝青結合料拌和而成的一種復合材料,而復合材料中必然包含著各組分之間構成的界面。已有研究表明,瀝青與集料的界面特性直接決定瀝青與集料的黏附性,進而影響瀝青路面病害的產生。因此,為研究橡膠瀝青混合料路面的路用性能,采用DSA100E專家級接觸角測量儀(圖3),分別測定不同膠粉摻量下改性瀝青及固態瀝青石灰巖的接觸角及表面能參數,對不同種類的瀝青及瀝青與集料間的黏附性能進行準確評價。在氣-固-液三相界面處,氣-液與固-液界面張力之間的夾角稱為接觸角。利用DSA100E專家級接觸角測量儀,使用蒸餾水、丙三醇、甲酰胺3種不同滴定液,分別測定不同膠粉摻量下瀝青及集料的表觀接觸角。測量接觸角時,分別測定液滴的左接觸角和右接觸角,并以其平均值作為該試件的表觀接觸角值。圖4為不同膠粉摻量下瀝青及集料接觸角的大小變化情況。

圖3 DSA100E專家級接觸角測量儀Fig.3 DSA100E expert-level contact angle measuring instrument

圖4 不同液體下瀝青與集料接觸角的大小變化Fig.4 Variation of contact angle between asphalt and aggregate under different liquids

接觸角的大小直接反映了瀝青及集料表面浸潤性的好壞。根據T. Young方程的關系判定圖4可知,隨膠粉摻量的增加,甲酰胺溶液的浸潤下瀝青及集料的接觸角都是最小的,表明液體與固體界面濕潤越容易,界面黏附的也越牢固,由此確定上、中、下面層瀝青混合料膠粉的最佳摻量分別為上面層SMA-13摻量30%,中面層AC-20摻量40%,下面層AC-25摻量50%。

表面自由能為在真空中分開固體或液體產生一個新的界面所需做的功。Fowkes指出,液固界面之間的色散作用可以使用液體和固體表面自由能色散分量的幾何平均數進行表示,即液固界面自由能為

(1)

(2)

(3)

根據式(3)計算得到不同膠粉摻量下瀝青及集料的表面自由能及分量。計算結果如表4所示。表面自由能越大,說明瀝青與集料內部的凝聚力越大。

表4 集料與不同膠粉摻量下瀝青表面自由能及其分量

通過對集料和不同膠粉摻量瀝青的表面自由能試驗數據進行指數擬合,得到如圖5所示的擬合曲線。

從熱力學的角度出發,考慮固-液體系的能量變化,可采用黏附功來衡量固液體系的浸潤程度。在黏附過程中,消失了單位液體表面和固體表面,產生了單位固-液界面,而黏附功即為這個過程中吉布斯自由能變化值的負值,計算公式為

Wa=-ΔG=γl-g(cosθ+1)

(4)

式(4)中:Wa為黏附功, mJ/m2;γl-g為液-氣界面張力, N/m;θ為接觸角,(°)。

通過式(4)可計算出不同膠粉摻量的瀝青黏聚功及瀝青-集料的黏附功,如表5所示。

表5 不同膠粉摻量瀝青的黏聚功及瀝青-集料的黏附功

通過表5可以看出,瀝青的黏聚功的大小依次為:30%膠粉摻量>40%膠粉摻量>50%膠粉摻量,瀝青-集料的黏附功的大小依次為:50%膠粉摻量>40%膠粉摻量>30%膠粉摻量,隨膠粉摻量的增大,瀝青的黏聚功逐漸降低,瀝青與集料的黏附功逐漸增加。說明膠粉的加入降低了瀝青自身的黏聚力,增加了瀝青-集料界面間的黏附性,提高了瀝青混合料的強度。

圖5 集料與不同膠粉摻量瀝青表面自由能擬合曲線Fig.5 Fitting curve of surface free energy of aggregate and asphalt with different rubber powder contents

2 不同膠粉摻量下的橡膠瀝青混合料性能

2.1 高溫與水穩定性

高溫條件下,漢堡輪轍試驗是目前驗證瀝青混合料水敏感性和抗車轍性能最苛刻的試驗設備之一[11-12]。采用旋轉壓實儀,按最佳膠粉摻量分別制作不同結構層瀝青混合料試件,待試件(150 mm×170 mm)養生冷卻后,切割成135 mm×60 mm標準試件。在浸水50 ℃,往返碾壓20 000次的條件下,分別測定不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料輪轍深度和變形曲線特征,以此判斷瀝青混合料的高溫水穩定性和抗車轍性能。不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料漢堡試件如圖6所示。

圖6 不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料輪轍試驗圖Fig.6 Rotation test diagram of rubber-asphalt mixture under different rubber powder content

漢堡輪轍試驗系統自動記錄左右輪轍共11個點的變形,最大變形一般發生在第6點,但由于第6點是兩塊試件的接縫處,不能真實反映混合料的實際變形,因此取第9點(或第3點)的變形評價橡膠瀝青混合料的車轍變形。表6為不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料漢堡輪轍試驗結果。根據表6繪制不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料漢堡輪轍變形曲線圖,如圖7所示。

表6 不同膠粉摻量下橡膠瀝青混合料漢堡輪轍試驗結果

由圖7可知:①在不同碾壓次數下,隨著膠粉摻量的增加,橡膠瀝青混合料類型輪轍的變形量波動較小,變形曲線相對穩定,具有較好的抗車轍性能;②由最大車轍深度變化可知,上面層SMA-13-添加30%膠粉的橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍性能最佳,下面層AC-25次之;③不同膠粉摻量橡膠瀝青混合料都無剝落拐點,說明橡膠瀝青混合料具有良好的水穩定性能。

研究表明,在保證現場施工路面鋪筑質量管控的條件下,漢堡車轍試驗結果與瀝青混合料現場試驗檢測具有良好的相關性,膠粉的加入可以不同程度的改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性,保障橡膠瀝青路面的長期使用性能,充分發揮優良的路用性能。

2.2 低溫彎曲抗裂試驗

為了更好地模擬現場路面受力情況,采用SCB (semi-circular bending test) 試驗的斷裂能作為橡膠瀝青混合料低溫抗裂性能的評價指標,該試驗不僅可以模擬低溫條件下路面裂縫擴展行為,還可分析瀝青混合料的彈塑性斷裂韌度[12-14]。按GB/T 38948《瀝青混合料低溫抗裂性能評價方法》規范要求[15],將旋轉壓實成型后的試件切割成150 mm×50 mm×75 mm,試件半徑中間處1.5 cm×1.5 mm的預切縫的半圓標準試件。利用AST(asphalt standard testing machine)標準試驗機,分別在-12 ℃、25 ℃,加載速率為50 mm/min下進行三點加載抗裂性能,結果如圖8所示。

不同溫度條件下,瀝青混合料斷裂能Gf,由斷裂功與韌性區面積之比計算得到,計算公式為

(5)

式(5)中:Gf為斷裂能, J/m2;Wf為斷裂功;Alig為韌性區面積。

Alig=(r-a)t

(6)

式(6)中:r為試件半徑, m;a為裂縫長度, m;t為試件厚度, mm。

(7)

式(7)中:P為施加荷載, N;u為荷載平均位移, m。

按式(5)～式(7)計算得到不同膠粉摻量橡膠瀝青混合料的斷裂能,計算結果如表7所示。

由表7可知,斷裂能可較好地區分不同橡膠瀝青混合料的抗裂性能;不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料類型SMA-13平均斷裂能最大,實際工程路面中的抗裂性能最佳,AC-25最小;低溫條件下,膠粉的摻入不僅使瀝青混合料的塑性變形能力變強,還增加了瀝青與集料間的內聚力,使試件的低溫抗裂性能越好;不同溫度下,膠粉的加入使瀝青與集料黏附性進一步增強,有效提高瀝青混合料路面的抗裂性能。

圖7 不同膠粉摻量下不同瀝青混合料類型的輪轍變形曲線Fig.7 Wheel rut deformation curve of different asphalt mixture types under different rubber powder dosage

圖8 半圓彎曲試驗流程圖Fig.8 Flow chart of semicircle bending test

表7 不同摻量橡膠瀝青混合料半圓彎曲抗裂性能試驗結果

2.3 直接剪切試驗

直剪切試驗是將瀝青混合料試件一端固定,另一端采用恒定速率施加剪切荷載,使材料產生不可恢復的強度衰減積累所引起的一種現象。針對目前國內外沒有統一用于測試瀝青混合料層間剪切疲勞的試驗方法[16-17],本文研究參考SHRP-M-009試驗標準,采用UTM-100材料試驗機,在控制應力模式下施加半正失波,頻率10 Hz,溫度(25±1) ℃,應力比分別選0.3、0.4、0.5進行層間剪切疲勞性能試驗。直接剪切試驗流程如圖9所示。

圖9 直接剪切試驗過程圖Fig.9 Diagram of the process of direct shear test

對于控制應力模式方法研究裂縫形成機理及應力與疲勞壽命的關系,計算公式為

(8)

式(8)中:Nf為達到破壞時重復荷載作用次數;σ0為每個周期內的彎拉應變和彎拉應力的最大值;K、n為由試驗所確定的系數。

瀝青混合料直接剪切強度為

(9)

式(9)中:σmax為剪切強度, MPa;Fmax為試件最大剪切力, N;A為瀝青混合料試件受力面積, mm2。

為避免長時間試驗可能出現的試件脫空現象,對試件產生沖擊作用,在正式試驗前,以最小荷載(最大荷載的10%)對試件進行30 s預壓,然后按不同應力比條件下進行試驗,直至試驗結束。

根據式(8)和式(9)分別對不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料剪切疲勞強度結果進行計算分析,得到剪切強度及疲勞壽命次數如表8所示。

由表8可知:AC-20剪切強度最大,SMA-13次之,AC-25最小,橡膠瀝青混合料的疲勞壽命主要受荷載作用影響較大,膠粉摻量的影響較小;隨著膠粉摻量的增加,剪切疲勞壽命整體也呈現下降趨勢;在荷載重復作用下,每種橡膠瀝青混合料的疲勞壽命均隨應力比的增大而減小,并且疲勞壽命對應力比的變化很敏感。說明隨荷載作用的增大加劇了層間破壞的速率。

雖然本試驗方法通過控制應力比的方法可模擬實際路面荷載的作用,但為能較好地模擬在最不利條件下行車荷載對路面結構的剪切破壞狀態,急需進一步研究確定快速、有效的試驗方法。

表8 不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料直剪切試驗結果

3 橡膠瀝青混合料路用性能

3.1 三維雷達快速檢測路面均勻度

為保證新建瀝青路面能擁有良好的長期路用性能[18-22],本次試驗采用三維探地雷達檢測系統(圖10)對新建橡膠瀝青路面實施全斷面掃描檢測,為準確評價橡膠瀝青混合料路面結構層的整體、材料厚度均勻性等道路內部結構狀況提供技術支持。

圖10 三維探地雷達系統現場檢測應用Fig.10 Field detection application of 3D ground penetrating radar system

結合實際工程狀況,根據三維探地雷達特點,共布置4條測線(每個車道測一條測線),每條測線寬度1.8 m,以200 m為一個單元路段,隨機選取兩單元路段(共400 m)進行檢測。各路段檢測結果包括單元路段瀝青面層厚度關鍵統計指標匯總表、厚度分布云圖。

由表9和圖11可知,右幅路段共采集411 138個樣本,實測平均厚度23.25 cm,其中正常區域-87.63%,偏薄區域-11.27%,偏厚區域-1.10%;左幅路段共采集411 096個樣本,實測平均厚度23.05 cm,正常區域87.58%,偏薄區域11.39%,偏厚區域1.03%。該路段施工過程中,橡膠瀝青混合料路面的結構層厚度整體性基本保持一致,路面材料攤鋪也比較均勻,說明膠粉的加入使瀝青-集料間黏附性增強,一定程度上促進了路面現場施工的快速、高效及質量管控,提高了橡膠瀝青混合料路面的路用性能。

表9 橡膠瀝青混合料路面瀝青層關鍵統計指標匯總表

圖11 橡膠瀝青混合料路面瀝青層厚度分布云圖Fig.11 Cloud map of asphalt layer thickness distribution on rubber asphalt mixture pavement

3.2 橡膠瀝青混合料微米CT三維掃描

為了更好地表征橡膠瀝青混合料材料孔隙結構和連通性,通過在現場路面取芯加工后,利用如圖12所示的Xradia 510 Versa光學顯微鏡,對橡膠瀝青混合料進行大范圍的多倍率掃描成像分析,實現高分辨率、高襯度的3D斷層掃描和重構。

圖12 Xradia 510 Versa試驗設備Fig.12 Xradia 510 Versa test equipment

圖13～圖15給出的是橡膠瀝青混合料不同方向的二維切片和三維重構渲染圖,可清晰觀察到多角度的瀝青膠漿、集料和空隙分布情況。

由圖15可以看出,不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料集料、膠漿分布均勻較好,且無裂隙結構,表明現場攤鋪質量控制較好;隨著膠粉摻量的增加,橡膠瀝青混合料的孔隙會變小,30%橡膠瀝青混合料的空隙從400～6 500 μm不等,孔隙大小大多集中在1 000～2 000 μm;40%橡膠瀝青混合料的空隙從300～7 000 μm不等,孔隙大小大多集中在700～1 500 μm;50%橡膠瀝青混合料的空隙從200～2 500 μm不等,孔隙大小大多集中在700～1 300 μm,說明膠粉的摻入使瀝青膠體結構發生改變,一定程度上可以改善瀝青混合料內部孔隙情況,有效保障橡膠瀝青路面結構長期優良的路用性能。

4 結論

通過在70#A級基質瀝青中摻加不同質量的膠粉,對不同膠粉摻量下橡膠瀝青材料及橡膠瀝青混合料的路用性能研究得到以下結論。

(1)隨膠粉摻量的增加,橡膠瀝青軟化點呈升高趨勢,針入度逐漸變小,瀝青自身的黏聚力降低,但瀝青與集料的黏附性逐漸增加。

(2)利用瀝青激光回彈試驗、瀝青接觸角試驗確定了不同膠粉摻量改性瀝青的PG等級以及瀝青膠結料與集料之間的黏附特征,即上、中、下面層橡膠瀝青混合料的膠粉最佳摻量分別為上面層SMA-13摻量30%,中面層AC-20摻量40%,下面層AC-25摻量50%。

(3)不同溫度下,膠粉的加入可以不同程度地改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性,增強瀝青與集料間的內聚力,使瀝青混合料的塑性變形能力變強,大大提高了瀝青路面結構的使用性能,充分發揮橡膠瀝青路面優良的路用性能。

集料為亮淺灰色;膠漿為深灰色;空隙為黑色圖13 不同膠粉摻量橡膠瀝青混合料不同方向的二維切片圖Fig.13 Two-dimensional slices of rubber-asphalt mixture in different directions with different rubber powder contents

圖15 不同膠粉摻量橡膠瀝青混合料孔隙大小分布情況Fig.15 Pore size distribution of rubber-asphalt mixture under different rubber powder content

(4)結合工程實例,應用三維雷達快速檢測及現場取芯CT掃描分析發現,膠粉的加入不僅使瀝青的膠體結構發生改變,還能促進瀝青膠結料與集料間的分子運動,改善瀝青混合料的集料孔隙分布情況,使橡膠瀝青混合料路面內部結構層的整體性更強,材料攤鋪厚度的均勻性更好,提高橡膠瀝青路面優良的長期性能,該技術方法的使用對實際工程應用及施工質量評價與控制具有較大的工程使用價值。