界面活化剂对干法胶粉SMA混合料性能的影响

2017-03-30 18:14韩森勾俊芳张亚财牛帅杨贺刘梦梅

筑路机械与施工机械化 2017年3期

韩森+勾俊芳+张亚财+牛帅+杨贺+刘梦梅+袁也+马英新

摘要：针对干法胶粉沥青混合料黏度大、施工和易性差，对胶粉SMA混合料中分别掺加进口界面活化剂、国产界面活化剂A、国产界面活化剂B三种沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性进行分析，并将其与普通沥青SMA混合料、未掺加活化剂的胶粉SMA混合料的路用性能作对比。试验结果表明，界面活化剂大大改善了胶粉SMA混合料的施工工艺，提升了路用性能。

关键词：胶粉SMA混合料；普通沥青SMA混合料；路用性能；界面活化剂

中图分类号：U414.03 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0043-04

Abstract： Aimed at the high viscosity and poor workability of dry-process mixed asphalt mixture with crumb rubber， the stability at high temperature and crack resistance and water stability at low temperature of three kinds of SMA mixtures mixed with imported surfactant， homemade surfactant A and homemade surfactant B respectively were analyzed. And the performance of SMA mixture with surfactant was compared with that of ordinary SMA mixture and crumb rubber modified SMA mixture without adding surfactant， and the results show that the surfactant greatly improves the construction process of crumb rubber modified SMA mixture and enhance the pavement performance.

Key words： crumb rubber modified SMA mixture； ordinary SMA mixture； pavement performance； surfactant

0 引言

橡胶粉的二次利用能减少轮胎等废旧橡胶制品对环境的污染，符合绿色生态可持续发展战略要求[1-5]。国内生产胶粉沥青混合料在添加橡胶粉时一般多采用湿法，但湿法工艺复杂，需要增加额外的搅拌设备。采用传统干拌工艺生产的胶粉沥青混合料黏度大，施工难度大，路面易松散、剥落。掺加活化剂的橡胶沥青混合料是一种新型沥青混合料[6-8]界面活化剂，一方面对橡胶和沥青进行物理黏结，另一方面对橡胶和沥青进行化学改性形成新分子，新分子能够增强胶结料对石料的附着力，减少沥青路面松散、剥落现象的产生，从而大大改善传统干拌法生产胶粉沥青混合料的施工工艺、路用性能[9-12]。SMA级配属于骨架密实结构，力学强度高，受温度影响小，在表面受力方面有良好的整体稳定性和抵抗车轮摩擦性能，适合作为路面的面层材料[13-14]。

由于SMA沥青混合料性能优异、应用广泛，本文选用间断级配SMA结构构成的胶粉沥青混合料作为研究对象，对干法胶粉SMA混合料（以下简称胶粉SMA混合料）分别掺入进口界面活化剂、国产界面活化剂A、国产界面活化剂B，然后對掺入界面活化剂的胶粉SMA混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性进行分析研究，并与普通沥青SMA混合料、未掺加活化剂的胶粉SMA混合料性能作对比，为干法胶粉沥青混合料的推广应用提供理论支持及参考数据。

1 试验原材料及试验设计

1.1 原材料与级配

本试验所用沥青为70#基质沥青；粗集料、细集料均为辉绿岩；矿粉由石灰岩磨细制成，性能均满足规范要求；橡胶粉为长大20目胶粉；界面活化剂为进口界面活化剂、国产界面活化剂A、国产界面活化剂B。基质沥青的主要技术性质如表1所示。

沥青混合料级配选用SMA-13结构，油石比均为6.0%，其级配组成如表2所示。根据表2绘制出SMA沥青混合料的级配曲线，如图1所示。

1.2 试验设计

本文选用普通沥青SMA混合料、胶粉SMA混合料作为研究对象，其中胶粉SMA混合料的胶粉掺量为沥青混合料总质量的5‰。同时，采用干拌工艺法向胶粉SMA混合料中分别掺入3种不同的界面活化剂，从而制备成不同的胶粉SMA混合料。其中，国产界面活化剂A和国产界面活化剂B的掺量（占胶粉质量的百分比）分别包括2%、3%、4%三种，而进口界面活化剂的掺量为4.2%、4.5%、4.8%。掺加界面活化剂时，分别将国产界面活化剂A溶液与B溶液以喷雾状的形式均匀喷洒到废胶粉中，再将处理好的橡胶粉放入60 ℃烘箱中烘干至质量恒定；进口界面活化剂常温下为颗粒状固体，因此直接以颗粒形式均匀投放到胶粉沥青混合料中。

按照上述方法及要求分别制备2种类型的SMA混合料，对掺加活化剂的胶粉SMA混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性进行研究，分析不同种类界面活化剂对胶粉SMA混合料性能的影响。同时，将其与普通沥青SMA混合料、未掺加活化剂的胶粉SMA混合料的路用性能进行对比。

2 试验结果与讨论

2.1 高温稳定性试验

采用车辙试验来评估沥青混合料的高温稳定性，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求成型300 mm×300 mm×50 mm的车辙板试件。在相同的混合料合成级配和最佳油石比条件下，按要求掺入胶粉和不同类型的界面活化剂成型车辙试件，并进行车辙试验。

在高温60 ℃条件下分别测定不同试件在车辙仪中的动稳定度，试验结果如表3所示。

由表3车辙试验的结果可以看出以下几点。

（1）在60 ℃高温条件下，胶粉SMA-13混合料的动稳定度较普通沥青SMA-13混合料的动稳定度有所提高，这说明胶粉能够有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能。

（2）掺加3种活化剂的胶粉SMA-13混合料的动稳定度比未掺加活化剂的胶粉SMA-13混合料的动稳定度大，这说明掺加活化剂能够显著提高胶粉沥青混合料的高温抗车辙能力。

胶粉与沥青能够发生溶胀作用，但溶胀作用不强，两者不容易黏结在一起；因此，胶粉SMA-13混合料的高温性能较普通沥青SMA-13混合料的有所提高。活化剂的加入能够促进橡胶粉与沥青之间的溶胀作用，增强两者间的黏结力，使橡胶粉的溶胀作用发挥更加充分，最终使集料、沥青、橡胶粉共同抵抗外力作用，从而增强混合料抵抗变形的能力。因此，掺加活化剂的胶粉SMA混合料较不掺加活化剂的胶粉SMA混合料高温性能显著提高。

（3）掺加活化剂的胶粉SMA混合料中，随着活化剂掺量的增加，3种胶粉SMA-13混合料的动稳定度均呈现先增大后减小的趋势。添加国产界面活化剂A的胶粉SMA-13沥青混合料的高温性能优于添加国产界面活化剂B和添加进口界面活化剂的胶粉沥青混合料的高温性能，并且在活化剂掺量为3.0%时高温性能达到最优。

2.2 低温抗裂性试验

本文采用低温小梁弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能[17-20]。按照规范要求制作尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，采用50 min·mm-1的速度，在-10 ℃的环境下进行单点加荷，以最大弯拉应变作为评价指标。

记录小梁断裂时的梁底破坏应变，测得不同类型SMA混合料小梁弯曲试验结果，如表4所示。

从表4可以看出以下几点。

（1）低温条件下，胶粉SMA-13混合料的最大弯拉应变较普通沥青SMA-13混合料略有提高，这说明胶粉能够在某种程度上提高沥青混合料的低温抗裂性能。

（2）掺加3种界面活化剂的胶粉SMA-13混合料的最大弯拉应变比未掺加界面活化剂的胶粉SMA-13混合料要大，这说明掺加界面活化剂能够显著提高胶粉SMA-13混合料的低温抗裂性能。

界面活化剂的加入，一方面加速了橡胶粉与基质沥青之间的反应，促进橡胶粉的溶胀作用；另一方面对橡胶和沥青进行化学改性而形成新分子，这种新分子能够增强胶结料对石料的附着力。这些作用均使橡胶沥青胶结料的抗拉强度得到进一步提高，故胶粉混合料在低温环境下的受力状态会得到一定程度改善。

（3）国产界面活化剂A对胶粉SMA-13混合料低温性能的影响大于国产界面活化剂B，但2种国产界面活化剂的掺加对胶粉SMA-13混合料的低温性能的改善都不是很明显；而进口界面活化剂的掺加对胶粉SMA-13混合料的低温性能改善较为明显。

国产界面活化剂的加入只是简单地将胶粉与沥青黏结在一起，相当于胶水作用；而进口界面活化剂是将胶粉与沥青之间通过化学键连接起来，在空间上形成致密的网状结构，大大提高胶结料的整体稳定性，这使得混合料的低温性能又得到进一步改善。所以添加进口界面活化剂的胶粉混合料的低温性能比添加國产界面活化剂的胶粉混合料更好。

2.3 水稳定性试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来测定不同类型SMA混合料的水稳定性能，试验结果如表5所示。

从表5可以得出以下几点。

（1）胶粉SMA-13混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比均较普通沥青SMA-13混合料的有所提高，这说明胶粉能够在某种程度上提高沥青混合料的水稳定性能。

（2）掺加3种界面活化剂的胶粉SMA-13混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比与未掺加界面活化剂的胶粉SMA-13混合料相比有所提高，说明界面活化剂在一定程度上改善了胶粉SMA-13混合料的抗水损害能力。

（3）掺加界面活化剂的胶粉SMA-13混合料中，随着界面活化剂掺量的增加，3种胶粉SMA-13混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比均呈现先增大后减小的趋势，3种界面活化剂的最佳掺量分别为3.0%、3.0%、4.5%。国产界面活化剂A对胶粉SMA-13混合料的水稳性能改善最多，进口界面活化剂对胶粉SMA-13混合料的水稳性能改善最少。

进口界面活化剂的加入将橡胶粉与沥青表面的硫交联起来，形成的环状或链状聚合物网状结构，能够增强对碎石材料的黏附性，减少沥青的剥落；而国产界面活化剂具有较强的偶联作用，能把2种性质不同的材料牢固地结合起来，使得橡胶沥青的黏度显著提高，抗剥落能力增强。因此，掺加国产界面活化剂比掺加进口界面活化剂效果更好。

3 结语

本文基于SMA级配，对掺加3种不同界面活化剂的胶粉SMA混合料的路用性能对比分析，并与普通沥青SMA混合料、未掺加活化剂的胶粉SMA混合料的路用性能作比较，得出以下结论。

（1）与普通沥青SMA混合料相比，胶粉SMA混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性均有不同程度的改善，但改善效果较差；而3种界面活化剂的掺加，使得胶粉SMA混合料的高温稳定性、水稳定性有较显著提高，低温抗裂性能改善效果不明显，说明界面活化剂的掺加对胶粉SMA沥青混合料的路用性能有很大的改善作用。

（2）综合考虑3种SMA混合料的路用性能，国产界面活化剂A、国产界面活化剂B、进口界面活化剂的最佳掺量分别为3.0%、3.0%、4.5%。掺加国产界面活化剂A的胶粉沥青混合料高温稳定性、水稳定性能、低温抗裂性最佳，掺加进口界面活化剂的胶粉沥青混合料次之，掺加国产界面活化剂B的胶粉沥青混合料最差。因此，在干法胶粉沥青混合料铺筑的路面实体工程中，推荐采用国产界面活化剂A。

（3）界面活化剂对胶粉SMA混合料力学性能、疲劳性能等的影响有待进一步研究。

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