高掺量细胶粉干法制备沥青混合料的应用

2020-11-13张筱莉

山西交通科技 2020年5期

张筱莉

（山西交通控股集团有限公司运城北高速公路分公司，山西运城 044000）

沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，主要由沥青结合料、填料和集料组成[1]。沥青与填料在拌和过程中形成沥青玛蹄脂。填料与黏结剂的相互作用对沥青混合料的力学性能有很大影响。许多研究表明填料的使用提高了沥青混合料的疲劳寿命、水稳定性和抗车辙性能[2-4]。

随着汽车保有量的不断增加，废旧轮胎也越来越多，且轮胎易燃，是一种危险的火灾隐患，会产生对人体健康危害极大的有毒烟雾。因此，废旧轮胎的处理已经成为一个亟待解决的问题[5]。废旧轮胎的处理，一般可分为3种主要方式：填埋处理、焚烧和回收。在沥青路面中回收和利用废旧轮胎是一种非常可行的方法[6]。废旧轮胎经加工后生成的细胶粉，用于沥青混合料中，一般采用两种工艺，即干法和湿法。在干法中，一般用碎橡胶颗粒（0.4～10 mm）代替细集料，而在湿法中，在制备沥青混合料之前，细胶粉（0.075～1.2 mm）与沥青先混合来制备橡胶改性沥青，从而改变了原沥青的流变性能。换言之，用胶粉对沥青进行改性是这两种方法的主要区别[7]。采用干法将细胶粉掺入沥青混合料中明显优于湿法，因为更容易加工生产。此外，干法工艺允许使用更大比例的橡胶粉，从而更大程度地缓解了环境问题[8-9]。尽管如此，干法工艺的应用普及程度低，是因为在热拌沥青混合料中采用胶粉（尤其是高掺量的胶粉）进行干法处理，会降低混合料的黏附性，从而导致抗裂性能下降。本研究的重点是通过实施闷料固化工艺和使用极细粒径的橡胶粉来改善橡胶沥青混合料性能。为此，采用粉末状胶粉，分别按矿粉质量的10%、30%和50%替代矿粉，通过车辙试验、水稳定性试验研究了高掺量细胶粉沥青混合料的路用性能。

1 材料与试验设计

1.1 集料

表1 集料的技术指标

表2 AC-16级配曲线

集料使用石灰石碎石。表1列出了粗、细集料技术指标，表2为AC-16级配。

1.2 填料

本研究采用石灰石矿粉和细胶粉两种填料。细胶粉通过低温研磨技术生产，通过200目筛（筛孔粒径0.075 mm）筛分后的通过率如表3所示。细胶粉的主要化学成分见表4。

表3 矿粉和细胶粉的技术指标

表4 细胶粉的主要化学成分

1.3 试样制备

本研究采用SK-70沥青，采用马歇尔配合比设计方法，最佳沥青用量为4.9%。为了进行对比，所有不同替代率细胶粉沥青混合料均采用同样的沥青用量。试验中，将细胶粉添加到加热的集料中，然后干拌30 s。随后加入热沥青，并在165℃下拌和。为了评估老化过程对胶粉沥青混合料的影响，不同沥青混合料分别进行了0 h、1 h和2 h的“闷料”过程，老化温度为165℃。

2 试验方法

根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20—2011）中T0705—2011进行沥青混合料的密度试验。根据T0729—2000，采用冻融劈裂试验方法检测各种胶粉沥青混合料试件的水稳定性。根据T0719—2011，在60℃下使用加载车轮在0.7 MPa条件下进行试验，记录车辙深度，并计算动稳定度。

3 高掺量细胶粉体积特性与路用性能分析

3.1 体积特性

表5为沥青混合料试件体积指标特性。从试样的空隙率和密度结果可以看出，与无胶粉组相比，含有胶粉的沥青混合料有着更高的空隙率，并且如预期的那样，较高的胶粉比例导致了空隙率的增加。究其原因，胶粉沥青混合料的空隙率较高可能是由于胶粉沥青混合料的工作性较差，从而导致更难压实。细胶粉粒径与矿粉接近，作为填料在胶泥中分布更均匀。同时，粗胶粉颗粒的比表面积较小，与沥青结合料的相互作用不充分，因此相容性不如细胶粉。此外，粗胶粉颗粒有可能作为弹性骨料，在压实后表现出更大的弹性体积恢复趋势，需要消耗更多的压实功。

表5 沥青混合料密度和体积特性

3.2 水稳定性试验结果

图1 各种沥青混合料的TSR值

现行公路沥青路面施工技术规范（JTG F40—2004）对潮湿区、湿润区的浸水马歇尔试验残留稳定度TSR要求大于80%，可以认为是普通沥青混合料抗水损害的临界值。从图1可以看出，胶粉改性沥青混合料的主要问题是易受水分损害。未经闷料固化工艺的胶粉沥青混合料不满足要求，细胶粉作为填料的使用降低了沥青混合料的间接拉伸强度。结果表明，闷料固化对材料的抗水损能力有积极的影响，闷料固化时间的延长可提高沥青混合料的TSR值。可以看出，未经过闷料固化的30%胶粉混合料的TSR值小于规范要求的值。通过对混合料进行2 h的闷料固化处理，30%胶粉沥青混合料的TSR值达到规范要求。其他胶粉沥青混合料也显示出类似的闷料固化效果。10%+2 h沥青混合料的TSR值为87.6%，而未掺胶粉沥青混合料为84.8%，经过闷料固化处理后，沥青混合料满足抗水损性要求。应注意的是，使用50%胶粉作为填料对水损坏影响最大，即便进行闷料固化处理，其抗水损能力仍不满足要求。

胶粉改性沥青混合料性能的提高很大程度上取决于胶粉和沥青之间的相互作用，在闷料固化过程中，胶粉受热膨胀与沥青之间的相互作用进一步增强，从而生成胶粉改性沥青，提高了与集料的黏附强度。细胶粉具有更高的表面积，可以与沥青产生更多的接触面，发生更充分的相互作用。由此可以推断，在干法配方设计中，以胶粉作为填料，其最大粒径需要严格控制。同时采用闷料固化工艺和极细的橡胶粉可以有效地提高干法制备的胶粉改性沥青混合料的性能，使其抗水损能力达到要求。

3.3 车辙试验结果

图2 不同沥青混合料的车辙深度

图3 不同沥青混合料的动稳定度

由图2和图3可以看出，与无胶粉组相比，在沥青混合料中加入30%细胶粉和50%细胶粉，混合料的抗车辙性能降低幅度较大。10%+2 h胶粉沥青混合料车辙深度最小，50%胶粉沥青混合料车辙深度最大。然而，当掺50%细胶粉混合料经过2 h闷料固化工艺后，表现出比无胶粉沥青混合料更好的抗车辙性能。沥青混合料的抗车辙性能主要取决于集料的棱角度和矿料级配，同时沥青与集料的黏附对沥青混合料的车辙性能也有显著影响。相比无胶粉沥青混合料，随着胶粉替代比例的提高，沥青混合料的车辙深度逐渐增大，动稳定度逐渐降低。在相同的掺量条件下，随着胶粉沥青混合料“闷料”时间的延长，车辙深度逐渐减小，而动稳定度逐渐增大。这表明，细胶粉填料与闷料固化工艺配合使用，提高了沥青混合料的塑性变形恢复能力。细胶粉同时改善了沥青混合料的温度敏感性，提高了沥青混合料的高温稳定性能。