橡胶改性沥青混合料稳定性影响因素试验分析

白义松

(黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

将废旧轮胎制成胶粉,通过一定的生产工艺加入沥青之中,可以制备成具有良好高低温性能和较好耐久性的橡胶改性沥青。将橡胶掺入沥青的尝试最早出现在1843年的英国,当时的橡胶沥青只能应用于坑洞修补、接缝封堵和屋面防水等。20世纪40年代起,德国、英国、美国、瑞典、法国、日本、澳大利亚等国家先后对橡胶改性沥青混合料进行了持续研究,相关研究成果均表明橡胶改性沥青混合料具有优良的高温、低温性能和抗疲劳性能,且降噪功能明显,橡胶改性沥青开始逐步应用于路面面层和路面结构中的应力吸收层等[1]。自20世纪90年代起,橡胶改性沥青开始在连续级配、间断级配沥青混凝土中广泛使用。工程应用表明,橡胶改性沥青混合料能够降低沥青路面的养护维修成本,尤其是能够有效降低公路沥青路面的全寿命周期成本,并且在路用性能上表现出良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性,具有更强的承载重交通的能力,应用前景广阔[2-3]。橡胶改性沥青混合料的路用性能与胶粉细度、胶粉掺量、混合料集料级配、油石比等密切相关,现结合黑龙江省伊绥高速公路北安段沥青路面养护维修需求,通过试验作具体分析。

1 试验选用的橡胶改性沥青混合料级配

为提高原有沥青路面的使用寿命,改善旧路面的服务水平,拟加铺厚度为2.5 cm的SMA-10橡胶沥青混合料罩面层。橡胶改性沥青混合料采用90#重交通道路沥青、废旧轮胎制备的胶粉、玄武岩集料(0～3 mm石屑、3～5 mm碎石、5～10 mm碎石)及石灰岩矿粉。

基于断级配SMA-10骨架嵌挤结构,按细集料含量由少至多的顺序选用4种混合料级配(1#、2#、3#、4#)。各筛孔通过率如表1所示。

表1 橡胶改性沥青混合料试验级配

2 橡胶改性沥青混合料的高温稳定性

2.1 胶粉细度对橡胶改性沥青混合料高温稳定性的影响

采用30、40、60、80目胶粉,基于3#级配及由试验确定的最佳油石比,分别制备橡胶改性沥青混合料进行车辙试验。试验结果如表2所示。

表2 不同胶粉细度沥青混合料车辙试验结果

由试验结果可知,在相同的目标空隙率下,橡胶改性沥青混合料的动稳定度随胶粉细度的增加而提高,远大于规范中要求的3 000次/mm。其原因在于随着胶粉粒径的减小,橡胶改性沥青的黏度增大,使橡胶改性沥青混合料的黏聚力增加,提高了混合料抵抗变形的能力[2-4]。此外,胶粉溶胀后使改性沥青的弹性增强,能够有效减少重复荷载产生的累计变形。

2.2 胶粉掺量对橡胶改性沥青混合料高温稳定性的影响

胶粉掺量对橡胶改性沥青黏度的影响十分显著。基于3#级配,采用60目胶粉,取胶粉掺量0%、20%、22%、24%、26%制备橡胶改性沥青混合料。车辙试验结果如表3所示。

表3 不同胶粉掺量沥青混合料车辙试验结果

一般而言,沥青的黏度、劲度越大,沥青混合料抵抗高温变形的能力就越强。从表3可知,采用基质沥青的混合料动稳定度只有1 718次/mm,加入胶粉后沥青混合料的动稳定度提高了1～2倍以上,且胶粉的优化掺量为24%。

2.3 级配对橡胶改性沥青混合料高温稳定性的影响

采用1#级配(粗)～4#级配(细),基于60目橡胶粉、外掺掺量24%制备橡胶改性沥青混合料。不同级配沥青混合料的车辙试验结果如表4所示。

表4 各级配沥青混合料车辙试验结果

由表4可知,细集料的增多将导致橡胶改性沥青混合料动稳定度的下降,但开始时的降低幅度并不大,原因在于粗集料骨架结构使细集料对混合料动稳定的影响减小。但当细集料增加到一定程度时,会导致粗集料骨架结构的改变,混合料的动稳定度迅速下降[5-6]。

2.4 油石比对橡胶改性沥青混合料高温稳定性的影响

油石比直接关系到橡胶改性沥青混合料的抗高温变形能力,它对混合料试件体积指标的影响十分显著。采用60目胶粉、24%掺量制备改性沥青,选取3#级配进行试验。车辙试验结果如表5所示。

表5 不同油石比沥青混合料车辙试验结果

可知当油石比增加,橡胶改性沥青混合料的动稳定度增大。油石比由7.7%增加到9.2%,动稳定度提高幅度在97.8%～264.7%之间。说明油石比较小时,橡胶改性沥青不足以完全裹附集料,且空隙率较大,车辙试验过程中沥青混合料产生的压实变形较大、动稳定度较小。随着油石比的增加,集料之间容易重新定位,碾压成型的试件空隙率下降,压实变形减小、动稳定度增大[6]。但油石比继续提高时动稳定度转为降低,可见橡胶改性沥青混合料的油石比存在一个较优值。

3 橡胶改性沥青混合料的低温稳定性

沥青混合料的低温稳定性可以通过低温小梁弯曲试验进行评价。以下依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的规定进行试验。

3.1 胶粉细度对橡胶改性沥青混合料低温稳定性的影响

采用细度为30、40、60、80目的胶粉,基于3#级配,以空隙率为4%制备橡胶改性沥青混合料试件。低温小梁弯曲试验结果如表6所示。

表6 不同胶粉细度低温小梁弯曲试验结果

可知在相同级配、空隙率不变的情况下,油石比随胶粉目数的增加而增大。同时橡胶改性沥青混合料的弯拉强度下降,但低温变形能力增强。

3.2 胶粉掺量对橡胶改性沥青混合料低温稳定性的影响

采用60目胶粉、3#级配,以0%、20%、22%、24%、26%的胶粉掺量,以4%的空隙率制备橡胶改性沥青混合料试件。试验结果如表7所示。

表7 不同胶粉掺量低温小梁弯曲试验结果

根据表7的试验结果,相对未掺胶粉的基质沥青混合料,橡胶改性沥青混合料的低温弯拉强度及弯拉应变均明显提高,劲度模量显著减小。说明可以通过掺加胶粉来改善沥青混合料的黏聚力,进而提高混合料的弯拉强度并改善其低温变形能力。同时,胶粉的适宜掺量在20%～24%之间。

3.3 级配对橡胶改性沥青混合料低温稳定性的影响

采用由粗到细的1#～4#级配,以对应的最佳油石比制备橡胶改性沥青混合料。低温小梁弯曲试验结果如表8所示。

表8 各级配沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

根据表8,集料级配对混合料低温性能的影响较大,当细集料增多,弯拉应变增加,即混合料的低温性能相应提高。

3.4 油石比对橡胶改性沥青混合料低温稳定性的影响

采用3#级配,以60目胶粉、24%掺量制备橡胶改性沥青混合料进行低温小梁弯曲试验,在不同油石比下测得弯拉劲度、弯拉应变和劲度模量。试验结果如表9所示。

表9 不同油石比低温小梁弯曲试验结果

根据试验结果,随着油石比的增大,弯拉应变逐渐增大,但弯拉强度与劲度模量呈“先升后降”规律。说明油石比的增加能够改善橡胶改性沥青混合料在低温状态下的柔性;当油石比继续提高,虽然弯拉变形能力增强,但弯拉强度与劲度模量呈下降趋势。因此,橡胶改性沥青混合料的油石比存在一个适宜数值。

4 橡胶改性沥青混合料的水稳定性

4.1 胶粉细度对橡胶改性沥青混合料水稳定性的影响

基于3#级配,采用30、40、60、80目胶粉分别外掺24%,制作橡胶改性沥青混合料试件。冻融劈裂试验结果如表10所示。

表10 不同胶粉细度沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表10可知,随胶粉目数的增加,橡胶改性沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)增大,即减小胶粉粒径有利于改善混合料的水稳定性。

4.2 胶粉掺量对橡胶改性沥青混合料水稳定性的影响

基于3#级配,采用60目胶粉分别外掺0%、20%、22%、24%、26%制作橡胶改性沥青混合料试件。冻融劈裂试验结果如表11所示。

表11 不同胶粉掺量沥青混合料冻融劈裂试验结果

根据试验结果,基质沥青混合料冻融劈裂强度较低,TSR值达不到规范要求的80%。加入胶粉后,冻融劈裂强度及TSR值明显增大,说明胶粉能够显著改善橡胶改性沥青混合料的水稳定性。由试验数据可知,随胶粉掺量的增加,冻融劈裂强度先增长后降低,故胶粉掺量有一个较优值,本次试验为24%。

4.3 级配对橡胶改性沥青混合料水稳定性的影响

采用60目胶粉,外掺用量24%,以1#～4#级配制作橡胶改性沥青混合料试件。试验结果如表12所示。

表12 各级配沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表12可知,增加细集料能够改善橡胶改性沥青混合料的水稳定性,4种级配的冻融劈裂强度比(TSR)都在80%以上,均符合规范要求。

4.4 油石比对橡胶改性沥青混合料水稳定性的影响

采用60目胶粉,外掺用量24%,基于3#级配制作橡胶改性沥青混合料试件,测定不同油石比橡胶改性沥青混合料的冻融劈裂强度。试验结果如表13所示。

表13 不同油石比沥青混合料冻融劈裂试验结果

根据试验结果,随着油石比的增大,冻融劈裂强度比(TSR)增大,表明橡胶改性沥青混合料的水稳定性提高,但混合料冻融前后的劈裂强度值是先增大后减小。油石比为8.0%时,TSR值未达到规范要求的80%,故橡胶改性沥青混合料的油石比应大于8.0%。

5 结 论

(1)较细的胶粉有助于改善橡胶改性沥青混合料的高温稳定性;胶粉掺量的增加使橡胶改性沥青黏度增加,混合料动稳度增大。基于高温稳定性,推荐胶粉的外掺掺量为24%～26%。

(2)胶粉目数增大(粒径减小),则橡胶改性沥青混合料的低温性能提升,但胶粉粒径减小到一定程度时,低温弯曲应变的增长趋缓,建议采用60目胶粉;较低的油石比易导致混合料的黏结力减弱,较高的油石比将使混合料变软,不利于提高低温性能,油石比宜在8.5%～9.5%之间;适当增加细集料能够提高沥青混合料的低温性能。

(3)胶粉越细橡胶改性沥青混合料的水稳定性越好,但胶粉掺量不宜过高,建议外掺掺量为24%;较高的油石比对改善水稳定性较有利;增加细集料能够改善橡胶改性沥青混合料的水稳定性。