胶粉掺量对沥青混合料高温抗变形性能的影响

王 鹏，吴正炫

(景德镇市建筑设计院有限公司，景德镇 333001)

沥青路面因具有行车舒适、低噪音、耐久性好、维修方便等一系列的优势被广泛应用于高等级公路中[1]。但由于沥青是一种温敏性材料，其流变性质受温度的影响非常显著。尤其在气候炎热地区，路面长期处于高温环境，沥青可能会逐渐软化，使原来稳固的路面结构失去稳定性，产生车辙、拥包等路面永久变形病害[2]；受车载等其他因素的作用，路面变形进一步加剧，这严重威胁到行车安全。因此，良好的抗高温变形性能是沥青路面安全服役的重要保障条件之一。

沥青路面采用沥青混合料铺筑而成，沥青混合料主要包括两种成分：集料，形成能为路面提供承载力的嵌挤结构；沥青胶浆，由沥青和矿粉混合而成，起胶结作用，将骨架粘结成为一个整体[3]。为使沥青路面结构在高温下稳定，降低沥青的温度敏感性是一个重要的研究方向，例如工程上常采用SBS这类聚合物对沥青进行改性。研究表明，SBS显著提高了沥青的粘度，不仅能增加沥青在高温环境下的稳定性，同时还可改善沥青混合料的一系列其他性能[4]。

全球每年报废的废旧轮胎达数亿条，据统计，目前全世界累积的废旧轮胎超过了30亿条。这些废旧轮胎的高效利用一直是个问题。废旧轮胎的堆积对环境及资源综合利用均产生极其不利的影响。而将固废循环利用于土木工程领域也是近年来的一个研究热点，基于此，研究采用废旧轮胎再生胶粉对沥青进行改性，重点研究了胶粉改性沥青混凝土的高温抗变形性能。

1 原材料

研究共采用到四类原材料。集料：粗集料和细集料均采用石灰石；填料：采用石灰石磨制的矿粉；沥青：采用AH-90基质沥青；橡胶粉：通过在实验室内磨制废旧轮胎获得。按照《公路工程集料试验规程》对集料及填料的基本性质进行测试[5]；按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对沥青的基本性质进行测试[6]。测试结果如表1至表4所示，结果表明，集料、填料及沥青基本性质均能满足我国《公路沥青路面施工技术规范》的要求[7]，选取的原材料性质合格。

表1 基质沥青基本性质测试结果

表2 粗集料基本性质测试结果

表3 细集料基本性质测试结果

表4 填料基本性质测试结果

2 试验方法

第1步，制备橡胶粉改性沥青。将胶粉与基质沥青在160 ℃环境下混合均匀，再采用高速剪切机对沥青与胶粉组成的混合物剪切1 h。共制备胶粉体积掺量分别为10%、20%、30%和40%的四种胶粉改性沥青备用。

第2步，设计沥青混合料。采用马歇尔设计方法设计沥青混合料，混合料的公称最大粒径为13.2 mm，粗集料、细集料和填料的掺配比例分别为62%、33%和5%，合成级配曲线如图1所示。

第3步，测试沥青混合料的高温抗变形性能。通过车辙试验评价沥青混合料的高温抗变形性能。车辙试验过程：采用轮碾仪制备尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的沥青混合料板；将沥青混合料板置于60 ℃环境箱中保温4 h后，采用胎压为0.7 MPa的钢轮沿板上表面中部区域往复碾压1 h，轮碾速度为42次/min。沥青混合料板沿竖直方向的变形被实时记录下来，按照式(1)计算动稳定度。可见动稳定可反映沥青混凝土抵抗高温变形的能力。

(1)

式中，Sh为沥青混合料的动稳定度，次/mm；h1和h2是测试试件分别达到60 min和45 min时，沥青混合料板竖直方向上的最大变形量，mm。

3 结果与讨论

四种不同胶粉掺量的沥青混合料车辙变形测试结果如图2所示。从图2中可以看出，胶粉掺量对沥青混合料高温抗变形能力产生显著的影响。四种沥青混合料的变形量总体上均随着轮碾时间的延长而逐步增加，但四种沥青混合料的具体形变特征又有所区别。在初始20 min的测试时间内，四者的变形规律比较一致，混合料该阶段总的变形量在1 mm左右，这说明轮碾试验早期主要是沥青混合料进一步压实的过程。随着轮碾时间的延长，四种沥青混合料并未显现出一致的变形规律。胶粉掺量分别为10%、20%和30%的三种沥青混合料，变形曲线比较相似；胶粉掺量为20%的沥青混合料总变形量与胶粉掺量为30%的沥青混合料相当，接近2 mm。胶粉掺量为10%的沥青混合料总变形量则略高于另外两者，超过了2 mm。对于胶粉掺量为40%的沥青混合料，情况则完全不同，随着轮碾时间的延长，其变形量经历了快速上升阶段，在随后的15 min内，总变形量上升了1倍，测试结束时的总变形量超过了4 mm。因此，从车辙深度方面来看，胶粉在改性沥青体系中的体积掺量不宜超过30%。

基于四种沥青混合料车辙变形测试结果计算而得的动稳定度值如图3所示，可见，胶粉掺量对动稳定度这一指标的影响也十分显著。总体来看，随着胶粉掺量的增加，沥青混合料的动稳定度呈现先上升后下降的规律。当胶粉掺量由10%提高到30%时，沥青混合料的动稳定度从2 420次/mm升高至4 200次/mm，上升了74%。但当胶粉掺量进一步提高时，沥青混合料的动稳定度又快速下降至2 000次/mm附近。这说明胶粉在改性沥青体系中的体积掺量过小或者过大均不能有效改善沥青混合料的高温抗变形性能，这有可能是胶粉改性沥青未能充分粘结集料骨架造成的。虽然沥青混合料的高温稳定性主要由集料形成的嵌挤骨架决定，但沥青对骨架结构的胶结作用同样对沥青混合料的高温抗变形性能产生重要贡献。当胶粉在改性沥青体系中占比过小时，沥青的性质接近于基质沥青，未能发挥出改性沥青的优势；而当胶粉在改性沥青体系中占比过大时，可能会使改性沥青体系的配伍性变化，例如胶粉改性沥青粘度过大，不能有效包裹集料颗粒表面以及造成集料骨架粘结不牢固等问题。因此，从动稳定度方面考虑，胶粉在基质沥青中的体积掺量宜控制在20%～30%。

4 结 论

该研究将废旧轮胎再生为橡胶粉，分析了改性沥青体系中胶粉体积掺量分别为10%、20%、30%和40%时的沥青混合料高温抗变形性能。结果表明，胶粉掺量过少或者过多均不利于改善沥青混合料的高温稳定性。从车辙深度以及动稳定度两方面综合考虑，建议将胶粉在改性沥青体系中的体积掺量控制在20%～30%。