胶粉改性沥青混合料路用性能研究

孙 杰，许 奎，游 烽，吴 江，杨 静

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉 430046; 2.武汉市汉阳市政建设集团有限公司，武汉 430050)

0 前言

废轮胎胶粉改性沥青是将废旧轮胎胶粉与沥青在高温下充分混合制成沥青混合料，其中沥青为分散剂、胶粉为改性剂[1]。废旧轮胎由于橡胶本身不分解、不降解且焚烧会产生有害气体造成二次污染，被称为“黑色污染”[2]。把废旧轮胎回收做成橡胶粉作为改性剂制备成橡胶沥青，可大幅提升沥青高低温的稳定性、抗老化性能、抗疲劳性等性能。

橡胶沥青制备参数如橡胶目数、橡胶掺量、双氧水掺量等对混合料的路用性能有重要影响。Memon研究发现[3-5]，用双氧水氧化后的胶粉制得的改性沥青的稳定性和流变性能均有所提高。基于国内外学者的研究，胶粉掺入到沥青中制得的改性沥青混合料的路用性能有不同程度的提高，胶粉掺量、胶粉目数、双氧水掺量的不同对路用性能的影响效果有一定差异[6-14]。本文通过车辙试验和冻融劈裂试验，研究了不同因素的胶粉改性沥青混合料对路用性能的影响规律。

1 实验部分

1.1 主要原料

基质沥青，70#A级，宜昌宇源建设有限公司；

橡胶粉，850、425、250、180 μm，石家庄雨馨建筑材料有限公司；

双氧水，质量分数为30 %，武汉市江城化工有限责任公司；

辉绿岩，10～16 mm、5～10 mm、2.36～4.75 mm，郑州诚意化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

马歇尔电动击实仪，GTJ-MJ3,河北高铁建试验仪器有限公司；

自动沥青混合料拌和机，BH-20，北京航天科宇测试仪器有限公司；

电动脱模器，LD-141，北京中科德众科技有限公司；

电热鼓风烘箱，101-4A，无锡市华南实验仪器有限公司；

电脑数控沥青混合料马歇尔稳定度测定仪，LWD-3，河北高铁建试验仪器有限公司；

全自动车辙试验仪，HYCZ-1，北京航天科宇测试仪器有限公司；

液压车辙试样成型机，LHCX-1，北京航天科宇测试仪器有限公司。

1.3 样品制备

双氧水氧化废旧轮胎胶粉：称取100 g废旧轮胎胶粉于不锈钢碗中，用量筒量取280 mL水加入搅拌使其分散均匀，量取10 mL的双氧水加入，混合均匀后置于恒温水槽箱中80 ℃恒温搅拌3 h，期间未加入任何界面改性剂，反应结束后将胶粉过滤烘干至质量不再变化，得到氧化改性胶粉；

废胶粉改性沥青制备：按照实验设计中的各个掺量称取废胶粉或氧化改性胶粉、基质沥青和双氧水，将基质沥青加热至190 ℃时缓慢的加入橡胶粉或氧化改性胶粉，边加入边用玻璃棒进行搅拌使胶粉均匀分布在沥青中，搅拌30 min，等胶粉全部加入并融入沥青后将其移至搅拌机上进行机械搅拌，中间严格控制搅拌温度，90 min后取出样品。

1.4 性能测试与结构表征

沥青测试：本文试验选用70#A级道路石油沥青，选定针入度、延度、黏度、软化点等作为本文试验所使用的基质沥青的技术指标，各项指标的技术指标要求和检测结果如表1所示。

表1 70#A级道路石油沥青技术指标及检测结果

Tab.1 Technical indicators and test results of the 70# grade A road petroleum asphalt

胶粉测试：本文试验选择市售的斜交胎胶粉850、425、250、180 μm。以细胶粉425 μm为例，物理及化学技术指标及检测结果分别如表2、表3所示。

表2 425 μm细胶粉的物理技术指标及检测结果

Tab.2 Physical technical indicators and test results of the 425 μm fine rubber powder

表3 425 μm细胶粉的化学技术指标及检测结果

Tab.3 Chemical technical indicators and test results of the 425 μm fine rubber powder

粗集料测试：本文试验选用辉绿岩作为粗集料，对粗集料的表观密度、吸水率和压碎值等各项指标进行检测，其技术指标和检测结果如表4所示。

表4 辉绿岩粗集料的技术指标及检测结果

Tab.4 Technical indicators and test results of diabase coarse aggregate

填料(矿粉)测试：本文试验选用石灰岩矿粉，对矿粉的表观相对密度、含水量等各项指标进行检测，其技术指标和检测结果如表5所示。

表5 矿粉的技术指标及检测结果

Tab.5 Technical indicators and test results of the mineral powder

2 结果与讨论

2.1 车辙试验结果分析

2.1.1胶粉掺量对高温稳定性的影响

本文试验选用的胶粉掺量分别为15 %、18 %、21 %、24 %，按照胶粉不同掺量与动稳定度的对应关系对试验数据进行整理分析，动稳定度与胶粉掺量的关系如图1所示。试验所得的沥青混合料的动稳定度数值均大于3 000次/mm，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的高温稳定性。以只添加250 μm的胶粉为例，胶粉掺量由15 %增加至24 %的过程中，其动稳定度由3 387次/mm增加至3 874次/mm，其他不同类型的混合料表现出相同的趋势。胶粉的掺量对沥青混合料的动稳定度有一定的影响，相同条件下，随着胶粉掺量的增加，沥青混合料的动稳定度也逐渐增加，这是因为胶粉掺量的增加使橡胶沥青的黏度增大，以及橡胶粉填充在矿料之间胶粉掺量的增加致使矿质集料间的嵌挤力和摩擦力也变大，两者的作用都保证了沥青混合料具有较高的弹性，因而随着胶粉掺量的增加沥青混合料的高温稳定性也得到了改善。以只添加425 μm胶粉为例，随着胶粉掺量由15 %按照3 %的间隔逐渐增加至21 %时，其混合料的动稳定度由3 247次/mm增加至3 705次/mm，曲线的增加幅度较大，胶粉掺量由21 %增加至24 %时，其混合料的动稳定度由3 705次/mm增加至3 758次/mm，曲线增长幅度很小，几乎趋于平稳状态。其他不同类型的混合料表现出相同的趋势。相同条件下，沥青混合料的动稳定度随着胶粉掺量的增加而增加，当胶粉掺量增加到21 %以后增长幅度会减少，这是由于胶粉掺入到基质沥青中逐步达到饱和状态，过多的胶粉掺入反而会降低沥青混合料的强度，因此本文综合分析推荐最佳的胶粉掺量为21 %。

●—850 μm双氧水0 mL混合料 ■—425 μm双氧水0 mL混合料▲—250 μm双氧水0 mL混合料 ◆—180 μm双氧水0 mL混合料○—850 μm双氧水10 mL混合料 □—425 μm双氧水10 mL混合料△—250 μm双氧水10 mL混合料 ◇—180 μm双氧水10 mL混合料 图1 不同胶粉掺量的沥青混合料车辙试验结果Fig.1 Results of the rutting test of the asphalt mixture with different rubber powder contents

2.1.2胶粉目数对高温稳定性的影响

本文试验选用的胶粉目数为850、425、250、180 μm，按照胶粉不同目数与动稳定度的对应关系对试验数据进行整理分析，动稳定度与胶粉目数的关系如图2所示。可以看出，不同胶粉目数下的各种沥青混合料的动稳定度数值均大于3 000次/mm，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的高温稳定性。以只添加21 %的胶粉掺量为例，胶粉目数由850 μm增加至180 μm时，其混合料的动稳定度由3 559次/mm增加至3 913次/mm，其他不同类型的混合料表现出相同的趋势。胶粉目数对沥青混合料的动稳定度有一定的影响，相同条件下，随着胶粉目数的增加，混合料的动稳定度变大，这是由于胶粉颗粒越细，在基质沥青中分布的越均匀，以及其比表面积越大溶胀反应越充分，两者对混合料的抗车辙能力都有一定的正面影响，使混合料的高温稳定性得到一定的改善。以只添加21 %胶粉掺量为例，胶粉目数由850 μm增加至250 μm时，其混合料的动稳定度由3 559次/mm增加至3 865次/mm，增长趋势较陡，而胶粉目数由250 μm增加至180 μm时，动稳定度数仅增加了48，增长曲线几乎趋于平稳，其他不同类型的混合料表现出相同的趋势。相同条件下，随着胶粉目数的增加，混合料的动稳定度曲线的切线值越来越小，即混合料的动稳定度开始以大幅度增大，当胶粉目数超过250 μm后增长幅度会减少，这是由于过细的胶粉颗粒对构成骨架结构和脱硫降解反应都有不利的影响，因此本文综合分析推荐最佳的胶粉目数为250 μm。

●—15 %双氧水0 mL混合料 ■—18 %双氧水0 mL混合料▲—21 %双氧水0 mL混合料 ◆—24 %双氧水0 mL混合料○—15 %双氧水10 mL混合料 □—18 %双氧水10 mL混合料△—21 %双氧水10 mL混合料 ◇—24 %双氧水10 mL混合料图2 不同胶粉目数的沥青混合料车辙试验结果Fig.2 Asphalt mixture rutting test results of different rubber powder meshes

2.1.3双氧水含量对高温稳定性的影响

本文试验选用的双氧水含量为0、10 mL，按照双氧水含量与动稳定度的对应关系对试验数据进行整理分析，以250 μm胶粉为例，其动稳定度与双氧水含量的关系如图3所示。不同双氧水含量下的各种沥青混合料的动稳定度数值均大于3 000次/mm，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的高温稳定性；对比相同掺量、相同目数、不同双氧水含量的混合料的动稳定度，比如250 μm胶粉、21 %掺量、加入10 mL的双氧水后的动稳定度为4 256次/mm，250 μm胶粉、21 %掺量、不添加双氧水的动稳定度为3 865次/mm，相差大概400次/mm，计算分析后得到所有经过双氧水氧化后的胶粉制备的胶粉改性沥青混合料较普通的胶粉改性沥青混合料的动稳定度都约有400次/mm的差距，有很大的提高，而动稳定度越高沥青混合料的抗车辙成能力越强，因此说明双氧水能改善胶粉和沥青之间的界面结合强度，促进胶粉和沥青形成沥青胶状体稳定结构，从而提高改性沥青混合料的高温稳定性。

■—加入0 mL双氧水 ●—加入10 mL双氧水图3 不同双氧水含量的250 μm沥青混合料车辙试验结果Fig.3 Rutting test results of the 250 μm asphalt mixture with different hydrogen peroxide contents

2.2 冻融劈裂试验结果分析

2.2.1胶粉掺量对水稳定性的影响

本文试验选用的胶粉掺量为15 %、18 %、21 %、24 %，按照胶粉不同掺量与劈裂强度比的对应关系对试验数据进行整理分析，劈裂强度比与胶粉掺量的关系如图4所示。不同胶粉掺量下的各种沥青混合料的冻融劈裂强度比数值均大于80 %，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的水稳定性。以250 μm胶粉、不添加双氧水为例，随着胶粉掺量以3 %的间隔增加，冻融劈裂强度比呈先上升后下降的趋势，即在胶粉掺量由15 %增加到21 %的过程中混合料的冻融劈裂强度比值逐渐增大至最大值83.5 %，在从21 %增加到24 %的过程中，冻融劈裂比值为82.9 %反而有一定程度的减少。其他类型的混合料表现出相同的趋势。胶粉掺量对混合料的冻融劈裂强度比有一定的影响，相同条件下随着胶粉掺量的增加，其冻融劈裂强度比呈先增加到一定程度后再下降的趋势，这是由于随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青的黏度变大，混合料的水稳定性增强，当胶粉掺量增加到21 %时，游离的基质沥青分子越来越少橡胶沥青逐步变成了半固体连续相体系，黏度降低；随着胶粉掺量的增加，吸收的基质沥青越多，矿料表面的沥青膜的厚度降低，橡胶沥青与集料、石料与石料间的黏附性降低；胶粉颗粒过多时，在负温度冷冻的过程中，胶粉颗粒收缩体积变小，致使混合料的空隙率变大，以上原因综合在一起就会对冻融劈裂强度比造成下降的不利影响。因此本文综合分析推荐最佳的胶粉掺量为21 %。

●—15 %双氧水0 mL混合料 ■—18 %双氧水0 mL混合料▲—21 %双氧水0 mL混合料 ◆—24 %双氧水0 mL混合料○—15 %双氧水10 mL混合料 □—18 %双氧水10 mL混合料△—21 %双氧水10 mL混合料 ◇—24 %双氧水10 mL混合料图5 不同胶粉目数的沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.5 Results of the freeze-thaw splitting test of asphalt mixtures with different rubber powders meshes

2.2.2胶粉目数对水稳定性的影响

本文试验选用的胶粉目数为850、425、250、180 μm，按照胶粉不同目数与劈裂强度比的对应关系对试验数据进行整理分析，劈裂强度比与胶粉目数的关系如图5所示。不同胶粉目数下的各种沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于80 %，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的水稳定性。以21 %掺量且不添加双氧水为例，850、425、250、180 μm时动稳定度分别为82.4 %、82.7 %、83.5 %、83.9 %，呈现不断增长的趋势，其他不同类型的混合料表现出相同的趋势。相同条件下，随着胶粉目数的增加，混合料的冻融劈裂强度比会逐步增加，这是由于胶粉目数越小，胶粉颗粒体积越大，当胶粉颗粒体积较大时，胶粉颗粒的热胀冷缩作用不可忽略，试验过程中的冷冻和热水浴过程会对沥青混合料的强度形成不利影响，因此胶粉颗粒越细，这种负面影响越小，冻融劈裂强度比越大。因此本文综合分析推荐最佳的胶粉目数为250 μm。

2.2.3双氧水含量对水稳定性的影响

本文试验选用的双氧水含量为0、10 mL，按照双氧水含量与劈裂强度比的对应关系对试验数据进行整理分析，以250 μm为例，其劈裂强度比与双氧水含量的关系如图6所示。不同双氧水掺量下的各种沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于80 %，试验结果均满足相关设计和规范的要求，沥青混合料表现出良好的水稳定性。

对比相同掺量、相同目数、不同双氧水含量的混合料的冻融劈裂强度比，例如250 μm胶粉、21 %胶粉掺量、10 mL的双氧水的冻融劈裂强度比为88.1 %，不添加双氧水的冻融劈裂强度比为83.5 %，分析所有试验数据得到所有经过双氧水氧化后的胶粉制备的胶粉改性沥青混合料较普通的胶粉改性沥青混合料的冻融劈裂强度有很大的提高，说明双氧水能改善胶粉和沥青之间的界面结合强度，促进胶粉和沥青形成沥青胶状体稳定结构，提升沥青混合料的水稳定性。

■—加入0 mL双氧水 ●—加入10 mL双氧水图6 不同双氧水含量的250 μm沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.6 Results of the freeze-thaw splitting test of a 250 μmasphalt mixture with different hydrogen peroxide contents

4 结论

(1)随着胶粉掺量和胶粉目数的增加，沥青混合料的高温稳定性随之增强，当胶粉掺量超过21 %和胶粉目数增加超过250 μm时，沥青混合料的高温稳定性提升幅度会减小，因此本文推荐的最佳胶粉掺量为21 %、最佳胶粉目数为250 μm；

(2)加入双氧水的胶粉改性沥青混合料的动稳定度要明显高于普通改性沥青混合料，这说明双氧水对提升混合料的高温稳定性有正面影响；当胶粉掺量由15 %增加至21 %时，沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐上升至最高值，当胶粉掺量超过21 %时其混合料的冻融劈裂强度比反而下降，这表明胶粉掺量对沥青混合料的水稳定性有一定的影响超过21 %时甚至出现不利影响，基于试验现象本文推荐的最佳掺量为21 %；随着胶粉目数的增加，混合料的冻融劈裂强度比曲线的切线值逐渐变小，这表明随着胶粉目数的增加对提升混合料的水稳定性幅度在减小，比较试验结果和达到的试验效果本文推荐的胶粉目数为250 μm；

(3)对比分析加入双氧水和未加双氧水的冻融劈裂试验结果发现，双氧水对改善沥青混合料的水稳定性能有一定的影响。