不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料路用性能分析

李昌辉, 倪广聪, 徐希忠, 陈婷婷, 王琳, 张晓萌*, 韩文扬, 孙强

(1.山东高速股份有限公司, 济南 250014; 2.俄罗斯顿河国立技术大学道路-交通学院, 顿河畔罗斯托夫 344022;3.山东省交通科学研究院科技创新中心, 济南 250102)

随着社会经济的高速发展,汽车的使用率大幅提高,随之而来的就是如何有效处理废旧汽车轮胎的问题。轮胎作为一种化学产物,如果得不到有效的处置,不仅会污染地下水,还会造成空气污染。近年来,中国工程建设中提倡绿色、环保、节能的新理念,橡胶沥青作为一种节能环保、性能优良的筑路材料,在国内道路修建工程中得到了越来越多的应用[1-3]。

中外学者对橡胶沥青混合料路面的评价体系有较深入的探索,但对橡胶沥青混合料路面的路用性能研究仍还有很大的进步空间。武建民等[4]依据橡胶沥青的作用机理,基于加速磨耗试验从材料配合比设计及抗滑路用性能方面,分析了钢渣-橡胶沥青混合料抗滑性能及评价指标体系;谢强等[5]介绍了国内外橡胶沥青混凝土的发展历程,得到了片麻岩-SBS橡胶沥青黏附性及混合料路用性能,具有一定的经济、社会和环保效益;房辰泽等[6]评价了橡胶沥青混合料材料的疲劳性能和抗拉强度,提出了基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命;祝谭雍等[7]基于美国Superpave试验方法,对新型改性沥青混合料的路用性能进行评价,得到了橡胶粉改性沥青混合料在低温抗裂和抗疲劳特性方面均有较好的路用性能。综上所述,目前针对在实际工程应用中,针对不同橡胶掺量橡胶沥青混合料的黏附性能、综合路用性能及其微观机理方面的仍有待提升。

现拟通过分析沥青胶结料与集料之间的黏附关系,结合不同掺量下橡胶沥青混合料的力学性能及实际工程应用,对橡胶沥青路面的路用性能进行一个较为全面与准确的评价。

1 橡胶沥青混合料材料性能分析

1.1 橡胶胶粉

胶粉采用30～80目橡胶粉,胎源全部为900 mm以上的大货车轮胎,经常温研磨工艺加工而成,橡胶粉物理化学指标如表1所示。

表1 橡胶粉物理、化学指标检测结果

1.2 橡胶沥青

选用基质沥青为优质的70#A级道路石油沥青,胶粉掺量为基质沥青的0、30%、40%、50%,采用高速剪切搅拌的加工工艺[8],在温度为185 ℃,反应时间1 h的条件下分别测试不同胶粉掺量下橡胶沥青针入度、软化点、黏度指标,结果如表2所示。

表2 不同胶粉掺量橡胶沥青指标的影响

由表2可知,橡胶沥青软化点相对基质沥青可提高约40 ℃,说明橡胶沥青的高温性能较好;随胶粉掺量的不断增加,橡胶沥青软化点呈上升趋势,针入度逐渐变小,黏度逐渐增大。这主要是由于胶粉溶于基质沥青时,吸收了沥青中的部分轻质组分,使得胶粉溶剂中沥青质的含量相对增加,沥青的胶体结构发生改变,降低了自身的黏聚力,增加了沥青与集料间的黏附性,从而使橡胶沥青针入度减小。

1.3 沥青激光回弹试验

LTI-100沥青激光回弹仪可以用来快速评价沥青材料常温下的力学性能和路用性能。通过空气加载技术测得单一应力条件或多应力水平作用下不同胶粉掺量下改性沥青的蠕变及变形恢复能力[9-11]。沥青激光回弹仪器如图1所示。

图1 LTI-100沥青激光回弹试验过程Fig.1 LTI-100 Asphalt laser rebound test process

分别对胶粉掺量0、30%、40%和50%的4种改性沥青进行激光回弹测,试验对比结果如表3所示。图2为不同胶粉掺量改性沥青的时间-变形曲线,能准确反映测试不同胶粉掺量改性沥青试样的变形情况。

表3 不同胶粉掺量下沥青回弹试验结果

图2 不同胶粉掺量下橡胶沥青回弹变形曲线图Fig.2 Resilience deformation curve of asphalt under different rubber powder content

通过以上试验结果分析发现,30%、40%、50%胶粉掺量的沥青PG分级分别为PG76-28、PG82-28,满足相关规范要求;随着橡胶掺量的增加,其最大变形能力变大,恢复率也不断增加,说明胶粉的加入可以有效改善沥青恢复变形能力,对沥青材料的抵抗变形的能力也有显著的影响。

1.4 沥青接触角试验

沥青混合料是由集料和沥青结合料拌和而成的一种复合材料,而复合材料中必然包含着各组分之间构成的界面。已有研究表明,沥青与集料的界面特性直接决定沥青与集料的黏附性,进而影响沥青路面病害的产生。因此,为研究橡胶沥青混合料路面的路用性能,采用DSA100E专家级接触角测量仪(图3),分别测定不同胶粉掺量下改性沥青及固态沥青石灰岩的接触角及表面能参数,对不同种类的沥青及沥青与集料间的黏附性能进行准确评价。在气-固-液三相界面处,气-液与固-液界面张力之间的夹角称为接触角。利用DSA100E专家级接触角测量仪,使用蒸馏水、丙三醇、甲酰胺3种不同滴定液,分别测定不同胶粉掺量下沥青及集料的表观接触角。测量接触角时,分别测定液滴的左接触角和右接触角,并以其平均值作为该试件的表观接触角值。图4为不同胶粉掺量下沥青及集料接触角的大小变化情况。

图3 DSA100E专家级接触角测量仪Fig.3 DSA100E expert-level contact angle measuring instrument

图4 不同液体下沥青与集料接触角的大小变化Fig.4 Variation of contact angle between asphalt and aggregate under different liquids

接触角的大小直接反映了沥青及集料表面浸润性的好坏。根据T. Young方程的关系判定图4可知,随胶粉掺量的增加,甲酰胺溶液的浸润下沥青及集料的接触角都是最小的,表明液体与固体界面湿润越容易,界面黏附的也越牢固,由此确定上、中、下面层沥青混合料胶粉的最佳掺量分别为上面层SMA-13掺量30%,中面层AC-20掺量40%,下面层AC-25掺量50%。

表面自由能为在真空中分开固体或液体产生一个新的界面所需做的功。Fowkes指出,液固界面之间的色散作用可以使用液体和固体表面自由能色散分量的几何平均数进行表示,即液固界面自由能为

(1)

(2)

(3)

根据式(3)计算得到不同胶粉掺量下沥青及集料的表面自由能及分量。计算结果如表4所示。表面自由能越大,说明沥青与集料内部的凝聚力越大。

表4 集料与不同胶粉掺量下沥青表面自由能及其分量

通过对集料和不同胶粉掺量沥青的表面自由能试验数据进行指数拟合,得到如图5所示的拟合曲线。

从热力学的角度出发,考虑固-液体系的能量变化,可采用黏附功来衡量固液体系的浸润程度。在黏附过程中,消失了单位液体表面和固体表面,产生了单位固-液界面,而黏附功即为这个过程中吉布斯自由能变化值的负值,计算公式为

Wa=-ΔG=γl-g(cosθ+1)

(4)

式(4)中:Wa为黏附功, mJ/m2;γl-g为液-气界面张力, N/m;θ为接触角,(°)。

通过式(4)可计算出不同胶粉掺量的沥青黏聚功及沥青-集料的黏附功,如表5所示。

表5 不同胶粉掺量沥青的黏聚功及沥青-集料的黏附功

通过表5可以看出,沥青的黏聚功的大小依次为:30%胶粉掺量>40%胶粉掺量>50%胶粉掺量,沥青-集料的黏附功的大小依次为:50%胶粉掺量>40%胶粉掺量>30%胶粉掺量,随胶粉掺量的增大,沥青的黏聚功逐渐降低,沥青与集料的黏附功逐渐增加。说明胶粉的加入降低了沥青自身的黏聚力,增加了沥青-集料界面间的黏附性,提高了沥青混合料的强度。

图5 集料与不同胶粉掺量沥青表面自由能拟合曲线Fig.5 Fitting curve of surface free energy of aggregate and asphalt with different rubber powder contents

2 不同胶粉掺量下的橡胶沥青混合料性能

2.1 高温与水稳定性

高温条件下,汉堡轮辙试验是目前验证沥青混合料水敏感性和抗车辙性能最苛刻的试验设备之一[11-12]。采用旋转压实仪,按最佳胶粉掺量分别制作不同结构层沥青混合料试件,待试件(150 mm×170 mm)养生冷却后,切割成135 mm×60 mm标准试件。在浸水50 ℃,往返碾压20 000次的条件下,分别测定不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料轮辙深度和变形曲线特征,以此判断沥青混合料的高温水稳定性和抗车辙性能。不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料汉堡试件如图6所示。

图6 不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料轮辙试验图Fig.6 Rotation test diagram of rubber-asphalt mixture under different rubber powder content

汉堡轮辙试验系统自动记录左右轮辙共11个点的变形,最大变形一般发生在第6点,但由于第6点是两块试件的接缝处,不能真实反映混合料的实际变形,因此取第9点(或第3点)的变形评价橡胶沥青混合料的车辙变形。表6为不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料汉堡轮辙试验结果。根据表6绘制不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料汉堡轮辙变形曲线图,如图7所示。

表6 不同胶粉掺量下橡胶沥青混合料汉堡轮辙试验结果

由图7可知:①在不同碾压次数下,随着胶粉掺量的增加,橡胶沥青混合料类型轮辙的变形量波动较小,变形曲线相对稳定,具有较好的抗车辙性能;②由最大车辙深度变化可知,上面层SMA-13-添加30%胶粉的橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能最佳,下面层AC-25次之;③不同胶粉掺量橡胶沥青混合料都无剥落拐点,说明橡胶沥青混合料具有良好的水稳定性能。

研究表明,在保证现场施工路面铺筑质量管控的条件下,汉堡车辙试验结果与沥青混合料现场试验检测具有良好的相关性,胶粉的加入可以不同程度的改善沥青混合料的高温抗车辙性能和水稳定性,保障橡胶沥青路面的长期使用性能,充分发挥优良的路用性能。

2.2 低温弯曲抗裂试验

为了更好地模拟现场路面受力情况,采用SCB (semi-circular bending test) 试验的断裂能作为橡胶沥青混合料低温抗裂性能的评价指标,该试验不仅可以模拟低温条件下路面裂缝扩展行为,还可分析沥青混合料的弹塑性断裂韧度[12-14]。按GB/T 38948《沥青混合料低温抗裂性能评价方法》规范要求[15],将旋转压实成型后的试件切割成150 mm×50 mm×75 mm,试件半径中间处1.5 cm×1.5 mm的预切缝的半圆标准试件。利用AST(asphalt standard testing machine)标准试验机,分别在-12 ℃、25 ℃,加载速率为50 mm/min下进行三点加载抗裂性能,结果如图8所示。

不同温度条件下,沥青混合料断裂能Gf,由断裂功与韧性区面积之比计算得到,计算公式为

(5)

式(5)中:Gf为断裂能, J/m2;Wf为断裂功;Alig为韧性区面积。

Alig=(r-a)t

(6)

式(6)中:r为试件半径, m;a为裂缝长度, m;t为试件厚度, mm。

(7)

式(7)中:P为施加荷载, N;u为荷载平均位移, m。

按式(5)～式(7)计算得到不同胶粉掺量橡胶沥青混合料的断裂能,计算结果如表7所示。

由表7可知,断裂能可较好地区分不同橡胶沥青混合料的抗裂性能;不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料类型SMA-13平均断裂能最大,实际工程路面中的抗裂性能最佳,AC-25最小;低温条件下,胶粉的掺入不仅使沥青混合料的塑性变形能力变强,还增加了沥青与集料间的内聚力,使试件的低温抗裂性能越好;不同温度下,胶粉的加入使沥青与集料黏附性进一步增强,有效提高沥青混合料路面的抗裂性能。

图7 不同胶粉掺量下不同沥青混合料类型的轮辙变形曲线Fig.7 Wheel rut deformation curve of different asphalt mixture types under different rubber powder dosage

图8 半圆弯曲试验流程图Fig.8 Flow chart of semicircle bending test

表7 不同掺量橡胶沥青混合料半圆弯曲抗裂性能试验结果

2.3 直接剪切试验

直剪切试验是将沥青混合料试件一端固定,另一端采用恒定速率施加剪切荷载,使材料产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。针对目前国内外没有统一用于测试沥青混合料层间剪切疲劳的试验方法[16-17],本文研究参考SHRP-M-009试验标准,采用UTM-100材料试验机,在控制应力模式下施加半正失波,频率10 Hz,温度(25±1) ℃,应力比分别选0.3、0.4、0.5进行层间剪切疲劳性能试验。直接剪切试验流程如图9所示。

图9 直接剪切试验过程图Fig.9 Diagram of the process of direct shear test

对于控制应力模式方法研究裂缝形成机理及应力与疲劳寿命的关系,计算公式为

(8)

式(8)中:Nf为达到破坏时重复荷载作用次数;σ0为每个周期内的弯拉应变和弯拉应力的最大值;K、n为由试验所确定的系数。

沥青混合料直接剪切强度为

(9)

式(9)中:σmax为剪切强度, MPa;Fmax为试件最大剪切力, N;A为沥青混合料试件受力面积, mm2。

为避免长时间试验可能出现的试件脱空现象,对试件产生冲击作用,在正式试验前,以最小荷载(最大荷载的10%)对试件进行30 s预压,然后按不同应力比条件下进行试验,直至试验结束。

根据式(8)和式(9)分别对不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料剪切疲劳强度结果进行计算分析,得到剪切强度及疲劳寿命次数如表8所示。

由表8可知:AC-20剪切强度最大,SMA-13次之,AC-25最小,橡胶沥青混合料的疲劳寿命主要受荷载作用影响较大,胶粉掺量的影响较小;随着胶粉掺量的增加,剪切疲劳寿命整体也呈现下降趋势;在荷载重复作用下,每种橡胶沥青混合料的疲劳寿命均随应力比的增大而减小,并且疲劳寿命对应力比的变化很敏感。说明随荷载作用的增大加剧了层间破坏的速率。

虽然本试验方法通过控制应力比的方法可模拟实际路面荷载的作用,但为能较好地模拟在最不利条件下行车荷载对路面结构的剪切破坏状态,急需进一步研究确定快速、有效的试验方法。

表8 不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料直剪切试验结果

3 橡胶沥青混合料路用性能

3.1 三维雷达快速检测路面均匀度

为保证新建沥青路面能拥有良好的长期路用性能[18-22],本次试验采用三维探地雷达检测系统(图10)对新建橡胶沥青路面实施全断面扫描检测,为准确评价橡胶沥青混合料路面结构层的整体、材料厚度均匀性等道路内部结构状况提供技术支持。

图10 三维探地雷达系统现场检测应用Fig.10 Field detection application of 3D ground penetrating radar system

结合实际工程状况,根据三维探地雷达特点,共布置4条测线(每个车道测一条测线),每条测线宽度1.8 m,以200 m为一个单元路段,随机选取两单元路段(共400 m)进行检测。各路段检测结果包括单元路段沥青面层厚度关键统计指标汇总表、厚度分布云图。

由表9和图11可知,右幅路段共采集411 138个样本,实测平均厚度23.25 cm,其中正常区域-87.63%,偏薄区域-11.27%,偏厚区域-1.10%;左幅路段共采集411 096个样本,实测平均厚度23.05 cm,正常区域87.58%,偏薄区域11.39%,偏厚区域1.03%。该路段施工过程中,橡胶沥青混合料路面的结构层厚度整体性基本保持一致,路面材料摊铺也比较均匀,说明胶粉的加入使沥青-集料间黏附性增强,一定程度上促进了路面现场施工的快速、高效及质量管控,提高了橡胶沥青混合料路面的路用性能。

表9 橡胶沥青混合料路面沥青层关键统计指标汇总表

图11 橡胶沥青混合料路面沥青层厚度分布云图Fig.11 Cloud map of asphalt layer thickness distribution on rubber asphalt mixture pavement

3.2 橡胶沥青混合料微米CT三维扫描

为了更好地表征橡胶沥青混合料材料孔隙结构和连通性,通过在现场路面取芯加工后,利用如图12所示的Xradia 510 Versa光学显微镜,对橡胶沥青混合料进行大范围的多倍率扫描成像分析,实现高分辨率、高衬度的3D断层扫描和重构。

图12 Xradia 510 Versa试验设备Fig.12 Xradia 510 Versa test equipment

图13～图15给出的是橡胶沥青混合料不同方向的二维切片和三维重构渲染图,可清晰观察到多角度的沥青胶浆、集料和空隙分布情况。

由图15可以看出,不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料集料、胶浆分布均匀较好,且无裂隙结构,表明现场摊铺质量控制较好;随着胶粉掺量的增加,橡胶沥青混合料的孔隙会变小,30%橡胶沥青混合料的空隙从400～6 500 μm不等,孔隙大小大多集中在1 000～2 000 μm;40%橡胶沥青混合料的空隙从300～7 000 μm不等,孔隙大小大多集中在700～1 500 μm;50%橡胶沥青混合料的空隙从200～2 500 μm不等,孔隙大小大多集中在700～1 300 μm,说明胶粉的掺入使沥青胶体结构发生改变,一定程度上可以改善沥青混合料内部孔隙情况,有效保障橡胶沥青路面结构长期优良的路用性能。

4 结论

通过在70#A级基质沥青中掺加不同质量的胶粉,对不同胶粉掺量下橡胶沥青材料及橡胶沥青混合料的路用性能研究得到以下结论。

(1)随胶粉掺量的增加,橡胶沥青软化点呈升高趋势,针入度逐渐变小,沥青自身的黏聚力降低,但沥青与集料的黏附性逐渐增加。

(2)利用沥青激光回弹试验、沥青接触角试验确定了不同胶粉掺量改性沥青的PG等级以及沥青胶结料与集料之间的黏附特征,即上、中、下面层橡胶沥青混合料的胶粉最佳掺量分别为上面层SMA-13掺量30%,中面层AC-20掺量40%,下面层AC-25掺量50%。

(3)不同温度下,胶粉的加入可以不同程度地改善沥青混合料的高温抗车辙性能和水稳定性,增强沥青与集料间的内聚力,使沥青混合料的塑性变形能力变强,大大提高了沥青路面结构的使用性能,充分发挥橡胶沥青路面优良的路用性能。

集料为亮浅灰色;胶浆为深灰色;空隙为黑色图13 不同胶粉掺量橡胶沥青混合料不同方向的二维切片图Fig.13 Two-dimensional slices of rubber-asphalt mixture in different directions with different rubber powder contents

图15 不同胶粉掺量橡胶沥青混合料孔隙大小分布情况Fig.15 Pore size distribution of rubber-asphalt mixture under different rubber powder content

(4)结合工程实例,应用三维雷达快速检测及现场取芯CT扫描分析发现,胶粉的加入不仅使沥青的胶体结构发生改变,还能促进沥青胶结料与集料间的分子运动,改善沥青混合料的集料孔隙分布情况,使橡胶沥青混合料路面内部结构层的整体性更强,材料摊铺厚度的均匀性更好,提高橡胶沥青路面优良的长期性能,该技术方法的使用对实际工程应用及施工质量评价与控制具有较大的工程使用价值。