橡胶粉与岩沥青复合干法改性高模量沥青混合料试验研究

2021-01-11侯进军

盐城工学院学报（自然科学版） 2020年4期

侯进军

(大丰市恒昌交通建设工程有限公司，江苏大丰 224001)

20世纪80年代，法国提出了高模量沥青混合料(High Modulus Asphalt Concrete,HMAC)的概念[1]，并经过大量的研究和实践形成了相关试验规程、技术指标及混合料设计方法，如规范NF P98-140(1992年)和NF P98-140(1993年)[2]。HMAC具有强度高、高温稳定性优良、韧性好等优势，可用来解决路面强度不足、沥青混合料高温性能不良而造成的车辙变形类病害等。目前，采用SBS、EVA、SBR、PE等改性沥青或在混合料中加入废旧PE提高沥青混凝土模量的方法，在欧洲一些国家、南非及中国得到了较好的应用[3]。

布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt,BRA)是一种岩沥青，产自印度尼西亚布敦岛海底的沥青矿，经过简单的加工工艺形成粉末状产品，可作为沥青混合料改性剂。BRA对沥青混合料的高温性能具有显著的改善作用，但会降低混合料的低温性能[4]。以BRA与70号沥青掺配后，其各项技术指标均满足法国EME2高模量沥青混合料的技术要求[5]。大量室内试验和工程实践表明，高模量沥青混合料在低温和荷载作用下会产生裂缝、疲劳破坏，现有研究多侧重于高模量沥青混合料的适用性以及高低温性能[6-7]。橡胶粉作为一种优良的沥青改性剂，能不同程度改善沥青混合料的高温性能、低温性能及疲劳性能[8-9]。因此，将橡胶粉和BRA复合用于沥青混合料改性，可以改善BRA在沥青混合料改性方面的不足之处[10-13]，已有研究多探讨不同胶粉掺比对沥青混合料路用性能的改善效果，对不同粒度胶粉改性沥青混合料的研究鲜有报道。

本研究将岩沥青与橡胶粉复掺，以干法改性工艺拌制沥青混合料，探讨不同粒度橡胶粉与BRA复合改性沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能。

1 试验用材料

1.1 基质沥青及岩沥青

本研究采用中海A-70#沥青作为基质沥青，按文献[14]规定的试验方法进行检测，试验检测结果均符合A级70号道路石油沥青技术要求[15]，如表1所示。试验用BRA参照文献[16]规定的技术指标进行检测，结果满足要求，如表2所示。

表1 A-70#基质沥青检测结果Table 1 Testing results of A-70# matrix asphalt

表2 BRA检测结果Table 2 Detection results of BRA

1.2 橡胶粉

路用橡胶粉应选用常温磨细的废轮胎橡胶粉，且宜选用斜交胎胶粉或天然胶含量较高的橡胶粉[18]，橡胶粉应为黑色均质粉末，颗粒粒径可在30～80目范围内选用。本试验采购的4种橡胶粉如图1所示，实测颗粒级配如表3所示，级配曲线如图2所示，从图2可以看出这4种胶粉颗粒具有连续级配的特征。

图1 试验用橡胶粉Fig 1 Rubber powder for experiment

表3 橡胶粉颗粒级配Table 3 Gradation of rubber powder particles %

图2 试验用橡胶粉颗粒级配Fig 2 Gradation of rubber powder particles in experiment

采用XY-PRT透反偏光显微镜观察BRA和4种胶粉的外观形貌，如图3所示。由图3b可以看出，BRA颗粒放大照片中天然沥青裹覆于矿粒表面，并渗透入矿粒毛细孔中，粘聚了部分更细微的矿粒；由图3c可以看出，1#橡胶粉含有较多的微细纤维，胶粉颗粒较粗；由图3d～3f可以看出，2#～4# 3种橡胶粉均含有少量轮胎填料等杂质，以及极少量的微细纤维，纤维长度及直径均远小于1#橡胶粉所含纤维。

图3 改性掺合料显微镜照片Fig 3 Microscope photos of modified admixtures

1.3 矿料

本研究所采用的玄武岩粗集料产自连云港，石灰岩石屑(细集料)和矿粉产自安徽，参照文献[17]进行试验检测，相关技术指标满足文献[16]的要求，数据如表4～6所示。

表4 粗集料技术指标Table 4 Technical indicators for coarse aggregate

表5 细集料技术指标Table 5 Technical indicators for fine aggregate

表6 矿粉技术指标Table 6 Technical indicators for mineral powder

2 混合料配合比及试验方案

2.1 混合料配合比设计

依据Superpave一般方法设计Sup-13沥青混合料，调试粗、中、细3个级配，如图4所示。通过旋转压实试件体积参数测定及马歇尔技术指标验证，选择级配2，设计配合比如表7所示。

参考相关文献资料[19-22]及初步试验研究结果可知，BRA中的天然沥青可替代部分基质沥青，BRA中的矿物颗粒可替代部分矿粉等填料；橡胶粉在干法改性过程中溶胀率不高，大部分橡胶颗粒仍以颗粒状存在于混合料中，充当填料角色。因此，设计改性沥青混合料配比方案如表8所示。

图4 3种初试配比的级配曲线Fig 4 Grading curves of three initial ratios

表7 Sup-13配合比设计结果Table 7 Mix ratio design result of Sup-13

2.2 改性沥青混合料试验方案

工程实际应用时，改性外掺料投放入搅拌缸时为冷料状态，需要提高矿料加热温度，通过加热掺合料，使掺合料改性成分软化、活化；参考文献[19]的研究结论，采取焖料措施，增强橡胶粉与基质沥青的融合，设计改性沥青混合料拌制流程及控制参数如图5所示。按文献[14]成型标准马歇尔试件，进行48 h残留稳定度和冻融劈裂试验，验证改性沥青混合料的水稳定性；轮碾法成型车辙板，测试动稳定度，验证改性沥青混合料的高温稳定性；此外，通过低温劈裂试验和小梁弯曲试验，验证改性沥青混合料的低温抗裂性能。

表8 改性沥青混合料配合比方案Table 8 Mix proportion scheme of modified asphalt mixture %

3 试验结果及分析

3.1 水稳定性验证

3.1.1 残留稳定度试验

根据文献[14]规定的试验方法，测定试件在60 ℃水中保温0.5 h与保温48 h后的马歇尔稳定度，计算残留稳定度，结果如表9和图6所示。

图5 BRA/橡胶粉干法改性沥青混合料拌制流程及控制参数Fig 5 Mixing process and control parameters of dry process for asphalt mixture modified by BRA and rubber powder

表9 各组残留稳定度测定值Table 9 Determination of residual stability of samples in each group

实测结果及图6表明，4%掺量的BRA改性沥青混合料残留稳定度提高了11.75%，BRA中的天然沥青组分与基质沥青相融后明显改善了混合料的水稳定性；橡胶粉等量替换部分BRA，使得复合改性混合料中的天然沥青含量降低，残留稳定度有所下降；粒度较细的4#橡胶粉(组别6)相对1#～3#橡胶粉(组别3～5)可减小沥青混合料残留稳定度的降低量。

图6 各组残留稳定度柱状图Fig 6 Column diagram of residual stability of samples in each group

3.1.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂强度试验用以评价沥青混合料的耐水损害性能。相对残留稳定度试验而言，冻融劈裂试验主要表征马歇尔试件在饱水状态下承受冰冻破坏的能力。试验结果如表10和图7所示。

由表10和图7可知，各组沥青混合料试件经冻融循环后劈裂抗拉强度均有不同程度的降低。基准配合比试件(组别1)降低16.62%；4#胶粉与BRA复合改性的混合料(组别6)强度降低最小(7.86%)，其粒度较细与BRA复合改性的试件密实度最高，空隙少而受冻融影响小；1#胶粉与BRA复合改性的混合料(组别3)虽然空隙率相对较高，但因有微细纤维的“加筋”和相对略粗的橡胶颗粒的弹性，其抗冻性能也相对较好。

表10 各组冻融劈裂强度测定值Table 10 Determination of freeze-thaw splitting strength in each group

图7 各组混合料试件冻融劈裂抗拉强度比Fig 7 Freeze-thaw splitting tensile strength ratio of each mixture specimen

各组试件在最大劈裂荷载作用下的垂直压缩变形情况如图8所示。BRA改性混合料(组别2)劈裂破坏相应的变形量最小，显脆性，但图7中其劈裂强度值相对较高，由此可知，组别2的劈裂模量相对较高；组别3～6因在BRA中混掺橡胶粉，使得劈裂破坏时的变形量显著增大，且在总体上呈现橡胶粉粒度越细变形量越大的趋势；同比图7、图8中组别6的强度和变形量，可见粒度较细的胶粉对沥青的改性作用更充分，更有助于提高混合料的抗裂强度、降低试件的脆性。

图8 各组混合料试件最大劈裂荷载对应的垂直变形Fig 8 Vertical deformation corresponding to the maximum splitting load of each mixture specimen

3.2 高温稳定性验证

以轮碾法成型车辙板，进行动稳定度试验，用以检验沥青混合料的高温稳定性，测试结果如表11所示。4%掺量的BRA改性沥青混合料试件(组别2)的动稳定度是基准配比试件(组别1)的2.6倍，BRA对沥青混合料高温稳定性改善效果显著；组别3～6的测试结果表明橡胶粉对沥青混合料的高温稳定性改善效果影响较大，且粒度较细的橡胶粉更有利于提高沥青混合料的动稳定度；100目的4#胶粉与BRA混掺(组别6)效果突出，相对BRA单一改性混合料(组别2)其动稳定度提升了21.2%。

图9为各组试件车辙试验典型曲线。基准配比试件(组别1)车辙变形总体上呈持续发展态势，而组别2、组别6试件在轮碾120次后车辙变形趋于平缓，增大幅度逐渐减小，说明BRA及微细橡胶粉改性沥青混合料热稳定性较好，变形的发展可抑制在受荷初期；组别3试件车辙变形前期发展较大，整体变形量也较大，主要源于其橡胶粉含微细纤维及较粗橡胶颗粒，混合料压实度不高，因而高温条件下往返轮碾变形较大；组别5的试件平行试验结果有分歧，但结果仍表明其具有较好的高温稳定性。

表11 混合料车辙试验结果Table 11 Results of rutting test for mixed materials

图9 各组车辙试验典型曲线Fig 9 Typical curves of rutting test in each group

3.3 低温抗裂性能验证

3.3.1 小梁低温弯曲试验

根据文献[14]规定的试验方法，成型车辙板并切割成小梁试件，使用LWMT-100型沥青混合料万能试验机，进行(-10±0.5)℃条件下的三点弯曲试验，测试结果如表12和图10所示。试验数据表明，4%掺量的BRA沥青混合料(组别2)的弯拉强度和劲度模量分别提高63.5%和164.0%，但其弯拉应变降低了37.5%；混掺橡胶粉降低了BRA改性混合料的劲度模量，但改善了BRA单纯改性混合料的弯曲应变能力。粒度较细的4#橡胶粉与BRA混掺可使混合料的强度、模量及应变改善效果均衡化，相对基准配比沥青混合料，组别6的试件弯拉应变略有减小，但弯拉强度和弯曲劲度模量分别提高了71.8%和87.5%。

表12 小梁弯曲试验结果Table 12 Results of bending test of trabeculae

图10 小梁弯曲测试结果柱状图Fig 10 Column diagram of trabeculae bending test results

3.3.2 低温劈裂试验

低温劈裂试验是以间接抗拉的方式考察沥青混合料的低温抗拉性能，相对于小梁试件其试件成型较为方便，试件尺寸的误差相对较小，因此常被采用。本研究采用双面击实75次，成型标准马氏试件，室温静置1 d后，放入(-10±0.5)℃环境箱中保温2 h。然后转移到带环境箱的万能试验机进行测试。测试结果如表13和图11所示。

试验结果表明，相对基准配比混合料，BRA改性沥青混合料劈裂抗拉强度提高了20.3%，压缩模量增大了11.7%；而BRA和4#胶粉复合改性，劈裂抗拉强度和压缩模量分别提高了35.8%和43.4%。结合前文中图2橡胶粉的级配特性可见，粒度越细，胶粉与BRA复合改性混合料的低温劈裂强度和模量越高，但相应劈裂变形能力有所降低。