掺加剂对大粒径沥青碎石性能的影响

2020-03-26谢祥兵林上顺

福建工程学院学报 2020年1期

，谢祥兵，林上顺

(1. 福建工程学院土木工程学院，福建福州 350118；2. 郑州航空工业管理学院土木工程学院，河南郑州 410046)

大粒径沥青碎石指公称粒径处于25～63 mm的连续密级配热拌沥青混合料，采用大粒径沥青碎石作为上基层，取代传统的无机结合料基层，这种路面结构具有较高强度、刚度和优良的抗疲劳特性，并能有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生。但中国有90%以上高速公路采用的依然是无机结合料类路面结构，除了历史原因外[1-4]，大粒径沥青碎石成本较高及其柔性材料性能有待研究也是阻碍其作为路面结构使用的主要因素之一[5-7]。随着经济和科技发展，大量废旧轮胎橡胶粉被应用到复合材料中，变废为宝[8-11]。玻璃纤维的掺量居世界第2，资源丰富，不仅能提高材料的抗拉强度和刚度，而且能减少收缩[12-14]。

为了提出添加的外掺剂获得能减少沥青用量、具有良好抗裂性能和承载能力并且适应柔性基层路面结构的材料组成设计，本研究把橡胶粉和玻璃纤维作为外掺剂应用到大粒径沥青碎石中，结合力学性能试验和路用性能试验，研究外掺剂对大粒径沥青碎石沥青用量的影响，同时研究外掺剂对大粒径沥青碎石的力学特征和路用性能的影响。

1 大粒径沥青碎石的材料组成设计

1.1 材料基本性能

1.1.1 沥青

研究采用70#基质沥青，沥青物理指标为针入度67(0.1 mm,25 ℃)，延度21.6 cm(10 ℃)，软化点47 ℃，粘度208 Pa·s(60 ℃)。

1.1.2 集料

试验采用的粗细集料都是石灰岩，粗细集料的岩性一样。按照《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005对粗细集料进行了各项性能指标测试，测试的结果见表1和表2所示。

表1 粗集料性能指标

表2 细集料性能指标

1.1.3 掺加剂1.1.3.1 橡胶粉

在对橡胶粉的物理指标测试中，各项指标所需满足的要求参照ASTMD6114 Standard Specification for Asphalt-Rubber Binder，各项技术要求如表3。

表3 橡胶粉技术要求

1.1.3.2 玻璃纤维

用于实验研究的玻璃纤维参数如表4。

表4 玻璃纤维技术要求

1.2 材料配合比设计

1.2.1 集料级配设计

研究对象为大粒径沥青碎石ATB-30，其级配设计如表5所示。

1.2.2 沥青用量

通过马歇尔试验最终确定的ATB-30大粒径沥青碎石最佳沥青用量为3.3%，为便于研究掺加剂对沥青用量的影响，采用沥青用量分别为2.4%、2.7%、3.0%、3.3%和3.6%。

表5 ATB-30的级配

1.2.3 掺加剂用量

参考文献[15]研究结果选取掺入玻璃纤维为沥青混合料的0.2%，依据参考文献[16]选取废旧橡胶粉掺量为沥青用量的15.0%，根据ATB-30大粒径沥青碎石最佳沥青用量为3.3%，本文选用掺入橡胶粉为沥青混合料的0.5%。

2 掺加剂对大粒径沥青碎石力学性能影响的研究

从掺加剂对大粒径沥青碎石的抗拉强度、抗压强度、抗弯拉强度及回弹模量的影响研究掺加剂对其力学性能的影响。本试验均采用大马歇尔试件，试件高95.3 mm，直径150.0 mm。

2.1 掺加剂对大粒径沥青碎石抗拉强度影响

通过制作掺加剂为橡胶粉、玻璃纤维，沥青含量分别为2.4%、2.7%、3.0%、3.3%和3.6%的大粒径沥青碎石试件，在SANS万能试验仪上进行15℃劈裂试验，试验结果如表6。

由表6可见，现有规范对于粗粒式密级配沥青混凝土的劈裂强度为0.6～1.0 MPa ，有无外掺剂、五种沥青含量的ATB-30的劈裂强度都能满足规范要求。掺加剂增大了ATB-30抗拉强度，特别是添加玻璃纤维的大粒径沥青碎石的抗拉强度最大。掺加剂为橡胶粉时，ATB-30的抗拉强度也有所增大，说明外掺剂能增大大粒径沥青碎石的抗拉强度。加入外掺剂后，沥青含量为2.7%时的抗拉强度已经达到无外掺剂时沥青含量为3.3%及3.6%的强度，因此加入外掺剂减少沥青含量，大粒径沥青碎石的抗拉强度依然能达到要求。

表6 不同掺加剂的ATB-30抗拉强度试验结果

2.2 掺加剂对大粒径沥青碎石抗压强度影响

试验采用沥青混合料单轴压缩试验来测定马歇尔试件的抗压强度，试验温度为20℃，加载速率为2 mm/min。主要试验仪器为SANS万能试验仪，试验结果如表7所示。

表7 不同掺加剂的ATB-30的抗压强度

由表7可知：外掺剂橡胶粉和玻璃纤维均使得ATB-30的抗压强度有所增加但增加量并不明显；有无外掺剂的ATB-30都有较大的抗压强度，满足规范需求。因为沥青混合料的抗压强度远大于荷载应力要求，因此路面结构设计并不把抗压强度作为设计指标，此处抗压强度不作为评价ATB-30的主要指标。

2.3 掺加剂对大粒径沥青碎石的弯拉强度影响

路面结构是由不同的材料分层组成的，每一个路面的结构层在行车荷载的作用下发生变形，每层的上部材料被挤压变形，下部材料则是被拉伸，因此上部受到水平方向的压应力，而每一层的下部受到水平方向的拉应力。因为路面结构材料的抗压强度大于抗拉强度，路面结构首先会产生结构层底的开裂破坏。为了保证路面结构的使用性能和使用寿命，要求路面材料的抗弯拉强度应该满足要求。

沥青混合料的抗弯实验试件主要在车辙实验成型试件进行切割小梁，实验试件是在300 mm×300 mm×50 mm尺寸的车辙板基础上切割长为(250±2) mm、宽为(30±2) mm、高为(35±2) mm的棱柱小梁。制作的小梁试件15℃时在SANS万能试验仪上进行弯曲小梁试验，如图1示，试验结果如表8所示。

图1 小梁弯曲试验及其试件Fig.1 Trabecular bending test and the test piece

表8 不同掺加剂的ATB-30的弯曲试验结果

由表8可知，外掺剂橡胶和玻璃纤维都增加了ATB-30的抗弯拉强度；沥青中添加玻璃纤维比橡胶沥青生成的ATB-30的抗弯拉强度更大，因为在沥青混合料中橡胶和玻璃纤维增加了沥青结合料和集料的黏附性能，增加了抗弯拉强度。添加橡胶和玻璃纤维外掺剂之后，沥青含量减少抗弯拉强度和抗弯拉模量依然比没有外掺剂时的ATB-30的抗弯拉强度大，因此外掺剂可以减少沥青含量，降低工程造价。

2.4 掺加剂对大粒径沥青碎石回弹模量影响

沥青混合料的回弹模量的测定方法采用大型单轴压缩沥青混合料马歇尔试件在SANS万能试验仪上测定，将压力值均等分成10级荷载，试件放在万能实验仪的压板中间位置以2 mm/min进行预加载，并且进行力保载，保载时间为60 s，试件通过逐级加载再进行卸载，通过读取施加荷载和卸载情况下，读取试件所产生的位移值，这两个位移之间的差值就是回弹位移。求得不同掺加剂大粒径沥青碎石回弹模量结果如表9。

由表9可知外掺剂的加入对回弹模量的影响不明显，因为沥青混凝土的回弹模量受集料影响较大，虽然外掺剂的加入使得ATB-30的回弹模量增加，但增加值较小；加入外掺剂后ATB-30的沥青用量减少不影响回弹模量满足需求。

表9 ATB-30的回弹模量(15℃)

3 掺加剂对大粒径沥青碎石路用性能影响研究

3.1 掺加剂对大粒径沥青碎石高温稳定性能影响

采用车辙试验来探究ATB-30的高温稳定性，车辙板试件长300 mm，宽300 mm，厚100 mm，本试验的试验温度为60℃，本试验采用动稳定度做指标，主要试验仪器为车辙仪，试验结果如表10。

表10 不同掺加剂的ATB-30的车辙

由表10可知，无论有无掺加剂，大粒径沥青碎石的动稳定度偏大，均能满足规范要求，一般沥青路面结构的车辙不会出现在大粒径沥青碎石层，高温稳定性较好；掺加剂对动稳定度的影响不大；添加外掺剂后适当减少沥青用量不影响ATB-30的高温稳定性。

3.2 掺加剂对大粒径沥青碎石低温抗裂性能的影响

大粒径沥青碎石低温抗裂性能的试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm车辙板并切成小梁，小梁尺寸为250 mm×30 mm×50 mm，将切割好的小梁放入试验机中，温度设置为-20 ℃，保温2 h左右。以2 mm/min的加载速率进行弯曲蠕变试验，测定试件的破坏荷载P。以P值的0.1倍作为弯曲蠕变试验的荷载P0。将小梁逐次进行弯曲蠕变试验，记录每一个试件跨中挠度曲线。试验结果如表11所示。

由表11可知，掺加剂橡胶粉和玻璃纤维对ATB-30 的低温抗弯拉强度影响较大，其中玻璃纤维掺加剂显著增加了大粒径沥青碎石的抗弯拉强度和劲度模量。在外掺剂橡胶和玻璃纤维的作用下，沥青含量减少到3.0%也满足ATB-30的低温抗裂性能。