硫酸盐腐蚀再生橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验

张勤玲,杨保存,王　成

(塔里木大学 水利与建筑工程学院, 新疆 阿拉尔　843300)



硫酸盐腐蚀再生橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验

张勤玲,杨保存,王成

(塔里木大学 水利与建筑工程学院, 新疆 阿拉尔843300)

摘要：针对国内外硫酸盐腐蚀环境中再生橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验鲜有研究的现状,采用10%Na2SO4溶液加速劣化下的真空饱水冻融循环劈裂试验,研究在硫酸盐腐蚀介质中,橡胶颗粒的粒径和掺量对再生橡胶颗粒沥青混合料的抗冻融性能的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,再生沥青混合料的TSR值逐渐降低,空隙率逐渐增大,高浓度饱和硫酸盐腐蚀环境加速劣化了再生沥青混合料的性能;在冻融循环次数一致的条件下,掺加小橡胶颗粒的再生沥青混合料的TSR值优于普通再生沥青混合料的TSR值和掺加大橡胶颗粒再生沥青混合料的TSR值。在最佳橡胶颗粒掺量下,掺加小橡胶颗粒的再生沥青混合料的抗冻融性能最优。

关键词：道路工程;再生橡胶颗粒沥青混合料;硫酸盐腐蚀;劈裂试验

目前，我国社会经济、交通等各行业发展迅速，各类公路交通工具也飞速增长。因此，日益增长的废旧橡胶轮胎的数量不但恶化我们赖以生存的环境，更威胁着人类的健康。废旧橡胶轮胎在道路工程中的应用已成为热点研究领域[1-3]。以往对橡胶颗粒沥青混合料的试验研究主要集中于新拌混合料[4-7],较少研究再生橡胶颗粒沥青混合料性能，尤其是对硫酸盐腐蚀介质中再生橡胶颗粒沥青混合料抗冻融性能的研究则更少了。

在南疆盐渍土区，盐渍土的盐胀-冻胀循环严重削弱了沥青混凝土路面的抗冻融性能。本文以南疆新建城市阿拉尔市主干道大学路翻挖、铣刨下来的沥青面层材料为研究对象[8]，采用马歇尔试验确定再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量及其相应的新沥青掺量[9]，以此为基准制备试件，采用浓度为10%的Na2SO4溶液加速劣化下的真空饱水冻融劈裂试验探究再生橡胶颗粒沥青混合料的抗冻融性能，以冻融劈裂强度比和空隙率两项指标来评价再生橡胶颗粒沥青混合料的抗冻融性能。

1试验材料

1.1回收沥青路面材料

本试验所用再生回收沥青路面材料(reclaimed asphalt pavement, RAP)取自南疆小城阿拉尔市内主干道大学路翻挖下来的沥青路面面层。据试验规程[10]中T0722—1993和T0725—2000试验得到RAP级配(表1), RAP的级配已不满足规范[11]要求， 需要掺加新集料加以调整[9]。 再生混合料采用AC-13级配， 以现行规范[11]规定的AC-13级配范围中值为目标级配， 合成矿料级配(表1)。

1.2新沥青

为了恢复RAP中旧沥青性能和确保旧沥青性能的稳定， 使用标号高于旧沥青标号的新沥青掺入到RAP中[8-9]。结合工程实际，本试验选用产于新疆克拉玛依的A级90号道路石油沥青作为新沥青[8-9]。其各项指标见表2。

表1　RAP级配Table 1　Gradation of RAP

表2　克拉玛依90#道路石油沥青技术指标Table 2　Technical standards of road No.90 petroleum asphalt of Karamay

1.3橡胶颗粒

本试验采用的橡胶颗粒(rubber particles,RP)是由废旧轮胎在常温下粉碎而成的。 根据粒径大小可分为1～2.5 mm小橡胶颗粒(small rubber particles,SRP)和4～5 mm大橡胶颗粒(big rubber particles,BRP)两种类型。其技术指标见表3。

表3　橡胶颗粒的技术指标Table 3　Technical standards of rubber particles

2马歇尔试验

2.1试件成型工艺

增加拌和时间可使得容重较小的橡胶颗粒在再生混合料中分散的更为均匀。先将备好的RAP放置于烘箱中加热至其软化;然后将已软化的RAP和称量好的橡胶颗粒倒进搅拌缸进行拌和；最后依次加入新集料、新沥青和矿粉，总拌和时间控制在4 min之内。其中，RAP在烘箱的加热温度为100 ℃，在搅拌缸中的拌和温度170 ℃。再生橡胶颗粒沥青混合料主要用于城市次干路和支路，所以采用双面击实50次的方法进行一次成型[8-10]。其拌和流程如图1所示。

2.2橡胶颗粒最佳掺量的确定

为了研究橡胶颗粒的粒径和掺量对再生沥青混合料的影响，对橡胶颗粒掺量分别为0、1%、2%、3%四种情况的再生橡胶颗粒沥青混合料进行室内马歇尔试验，并对其结果进行对比分析[8-9]。据实际工程经验，再生沥青混合料中沥青的用量应比新拌沥青混合料中沥青用量略高一些[12]。为了方便比较分析试验结果，选择RAP掺量为40%的单一掺量。

试验步骤：①据已有研究，初估未掺加RP时，普通再生沥青混合料中新沥青用量为1.5%， 以0.5%的间隔递增成型5组(即新沥青掺量分别为1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%、 3.5%)马歇尔试件，按照试验规程[10]中T0705—2011和T0709—2011测定试件的毛体积密度和理论最大相对密度，计算空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标，然后进行马歇尔试验，测定其稳定度和流值[8-9]，由马歇尔试验法[11]可确定出普通再生沥青混合料的最佳新沥青掺量为3.13%。②当外掺RP时，再生橡胶颗粒沥青混合料中的新沥青掺量以普通再生沥青混合料中最佳新沥青掺量为基准，以0.5%的间隔递增(即新沥青掺量分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.5%、6.0%)成型试件进行马歇尔试验。试验结果见表4。

图1　再生橡胶颗粒沥青混合料拌和流程Fig.1　Mixing process of recycled rubber particles asphalt

再生混合料类型RP掺量/%新沥青最佳掺量/%毛体积密度ρf/(g·cm-3)空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%有效沥青饱和度VFA/%稳定度MS/kN流值FL/0.1mm再生SRP沥青混合料03.132.2764.014.05171.2126.1524.014.132.3173.712.89771.7228.5423.625.002.3493.811.97368.4424.5327.635.132.2523.515.23274.6125.0725.2再生BRP沥青混合料03.132.2764.014.05171.2126.1524.014.932.3114.113.83070.7827.7224.725.132.2723.814.99974.2426.6125.735.732.2424.416.17873.1425.9426.2规范要求-3～6-60～75>4.0-

从试验结果可知,由马歇尔试验法[11]可确定橡胶颗粒的最佳用量。其方法是以橡胶颗粒掺量为横坐标,分别以稳定度、流值、毛体积密度、空隙率、饱和度及新沥青最佳掺量为纵坐标,绘制橡胶颗粒掺量与这些指标之间的关系曲线(图略)。 取曲线图中ρf和MS最大值、 VV和VFA范围中值的沥青用量, 以四者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1, 根据沥青混合料马歇尔试验技术标准的要求, 确定沥青用量范围OACmin值和OACmax值, 计算其平均值得到OAC2, 取OAC1与 OAC2两者的平均值即可作为再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳新沥青用量[8-9]。经计算,可确定出再生SRP沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.5%,相应的新沥青掺量为4.52%;掺加再生BRP沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.2%,相应的新沥青掺量为5.08%。

3冻融循环劈裂试验

采用10%Na2SO4溶液加速劣化条件下冻融循环劈裂试验来探究再生橡胶颗粒沥青混合料的抗冻融性。同时,为了提高盐腐蚀溶液对试件侵蚀程度,采用真空饱水法往复加压、减压使腐蚀溶液不断地进出试件内部,试验采用真空压98.13 kPa,加减压次数15次[8-14]。

3.1试验方法及试验结果

基于现有的研究成果[15-16], 通过UMC1200高低温环境试验箱模拟再生橡胶颗粒沥青混合料在自然环境中的冻融情况, 结合试验规程[10]中T0729—2000的沥青混合料冻融劈裂试验, 进行再生橡胶颗粒沥青混合料冻融循环劈裂试验方案设计。

以最佳橡胶颗粒掺量下的再生沥青混合料矿料组成为配合比,按照图1再生橡胶颗粒沥青混合料的拌和流程制备标准马歇尔试件,每组不少于8个试件。将制备好的试件进行真空饱水后,随机分成两组:一组在25 ℃恒温水槽中浸水不少于2 h后测其最大破坏荷载PT1;另一组在25 ℃恒温水槽浸水0.5 h后装入塑料袋,注10 mL水后密封,放入环境试验箱中,设置冻结温度20 ℃,冻结时间为12 h;融解温度为20 ℃,融解时间为12 h,此为一个冻融循环。

制备多组标准马歇尔试件,分别进行冻融循环次数为1、5和10次的再生沥青混合料的冻融劈裂试验。待各循环结束后,取出试件放入25 ℃恒温水槽中不少于2 h后测其最大破坏荷载PT2;由试验规程[10]中式T0729-1和T0729-2计算劈裂抗拉强度,按式T0729-3计算冻融劈裂抗拉强度。再生SRP沥青混合料和再生BRP沥青混合料的冻融循环劈裂试验过程同普通再生沥青混合料,试验结果见表5。

可知,无论是掺入小粒径橡胶颗粒的再生混合料还是掺入大粒径橡胶颗粒的再生混合料，在最佳配比下,经过0、1、5和10次冻融循环后,冻融劈裂强度比(TSR)均能达到规范[11]要求。

3.2试验结果分析

为了较为直观地分析再生橡胶颗粒沥青混合料的空隙率和TSR与冻融循环次数的关系,分别绘制了空隙率与冻融循环次数的关系图(图2)和TSR与冻融循环次数的关系图(图3)。

由图2可知,随着冻融循环次数的增加,在两种试验环境中,再生沥青混合料空隙率均呈增大趋势,腐蚀环境中再生沥青混合料的空隙率要大于清水环境中的;在冻融循环次数相同的条件下,随着橡胶颗粒掺量的增加和粒径的增大,再生橡胶颗粒沥青混合料的空隙率也随之增大。

表5　真空饱水冻融循环劈裂试验数据Table 5　Data of vacuum water saturation of freeze-thaw splitting test

图2　不同试验环境中空隙率与冻融循环次数关系Fig.2　Relations between void ratio and freezing thawing cycles in different test environments

由图3可知,在两种试验环境中，再生沥青混合料的TSR均随着冻融循环次数的增加，呈现出不同程度下降。在腐蚀环境中，再生沥青混合料TSR值下降速率较大；在冻融循环次数相同的条件下， 由于橡胶颗粒掺量和粒径大小的不同， 掺加小粒径橡胶颗粒的再生沥青混合料的TSR值要大于掺加大粒径橡胶颗粒的再生沥青混合料和普通再生沥青混合料。

图3　不同试验环境中TSR与冻融循环次数关系Fig.3　Relations between TSR and freezing thawing cycles in different test environments

其原因分析:(1)进行真空饱水试验的试件内部空隙充满溶液,在低温-20 ℃条件下,试件内部空隙由于自由水冻结成冰体积的增大而增大;同时,冻融循环将进一步降低沥青和集料间的粘结力和再生混合料的强度。(2)橡胶颗粒自身的“轻质高弹”特点,在试件击实过程中,代替部分骨料掺入再生沥青混合料中的橡胶颗粒将吸收部分冲击力,致使试件的密实程度低于普通再生沥青混合料试件,而在试件冷却成型过程中,由于橡胶颗粒的高回弹特性致使空隙率进一步增大。再生混合料中橡胶颗粒掺量越多,粒径越大,试件的回弹效应越大。再者,空隙率的增大在一定程度上降低了再生橡胶颗粒沥青混合料的劈裂抗拉强度[17],致使试件的抗冻融能力进一步降低。

4结论

(1)通过马歇尔试验可知,不同粒径和掺量的橡胶颗粒对再生沥青混合料马歇尔各项指标均有一定影响,再生橡胶颗粒沥青混合料中橡胶颗粒的掺量存在一个最佳值。掺加小粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.5%,新沥青掺量为4.52%;掺加大粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.2%,新沥青掺量为5.08%。

(2)冻融循环劈裂试验结果表明:在最佳橡胶颗粒掺量下,再生橡胶颗粒沥青混合料的TSR值均满足规范要求,掺加小橡胶颗粒的再生沥青混合料的抗腐蚀冻融性能最优。随着冻融循环次数的增加,不同橡胶颗粒粒径和掺量的再生橡胶颗粒沥青混合料TSR值呈现出不同程度的下降,空隙率逐渐增大,高浓度饱和硫酸盐腐蚀环境加速劣化了再生沥青混合料的性能;在冻融循环次数相同的条件下,掺加再生SRP沥青混合料的TSR值略高。

(3)由马歇尔试验和冻融循环劈裂试验可知,小颗粒的橡胶颗粒更适合作为再生沥青混合料的外掺物。但是,基于室内马歇尔试验确定的橡胶颗粒最佳掺量仅为一参考值,有待于结合其路用性能试验作进一步验证。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0289-05

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.015

收稿日期：2015-06-02

基金项目：国家自然科学基金项目(51168042); 塔里木大学校长基金创新群体研究项目(TDZKPY201401)

作者简介：张勤玲(1982—),女,硕士,讲师,研究方向:道路建筑新材料的研究与应用,zhqling20031010@163.com。

通讯作者：杨保存,硕士,副教授,1256334257@qq.com。

中图分类号：U414.17

文献标志码：A

Splitting test of recycled rubber particles asphalt mixture under freeze-thaw and sulfate corrosion

ZHANG Qin-ling, YANG Bao-cun, WANG Cheng

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University,Alar 843300,China)

Abstract:Few research has been done on the splitting test of recycled rubber particles asphalt mixture under the effect of freeze-thaw and sulfate corrosion at home and abroad. In order to study the effects of particle size and content of rubber particles on freezing and thawing properties of recycled rubber particles in asphalt mixture, accelerated deterioration tests were carried out through vacuum water saturated freeze-thaw cycles splitting test in 10% of Na2SO4 solution. The test results show that with increasing number of freeze-thaw cycles,the TSR value of recycled asphalt mixture gradually decreases and the porosity increases gradually. The high concentration of saturated sulfate corrosion environment accelerates the deterioration of the performance of recycled asphalt mixture. Under the condition of freezing thawing cycles,the TSR value of recycled asphalt mixture with small rubber particles is better than that of ordinary recycled asphalt mixture TSR value and TSR value of recycled asphalt mixture.Under the optimum condition of rubber particles,with the optimal dosage of rubber particles, the freeze-thaw resistance of recycled small rubber particles asphalt mixture is optimal.

Key words:road engineering;recycled rubber particles asphalt mixture; sulfate corrosion; splitting test

引文格式：张勤玲,杨保存,王成.硫酸盐腐蚀再生橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):289-293.