橡胶粉颗粒尺寸对沥青混凝土高温性能的影响

樊 衡,刘 涛

(1.葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌 443002;2.湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司,武汉 430071)

半刚性基层和沥青面层组成的道路结构在我国等级公路建设中被广泛采用[1]，其兼具高承载力和舒适性的特点。对于沥青面层而言，其受交通荷载和环境因素的直接作用，因而易产生车辙、坑槽等一系列的病害[2]。车辙是路面失去抵抗变形的能力形成永久变形的一种现象，其严重威胁到行车安全。因此应尽力保证沥青路面具有较好的抗变形性能，尤其对于高温地区的沥青路面而言。

沥青路面抵抗变形的能力主要来自两个方面，一是集料颗粒通过相互嵌挤形成可提供承载力的骨架结构[3]；二是沥青胶浆将骨架粘结成一个整体，增强骨架的稳定性。因此针对沥青路面抗变形性能的研究主要围绕集料颗粒形态、级配设计、沥青胶浆等方面展开。大量研究表明，采用聚合物对沥青进行改性，可有效改善沥青混凝土的高温抗变形性能[4]。

我国目前积存了上亿条的废旧轮胎，且这一数量每年还在以8%～10%的速度增加，废旧轮胎的高效处置一直是个难题。大量堆积的废旧轮胎对环境保护、资源综合利用均带来极为不利的影响。废旧轮胎是一种典型的高弹性聚合物材料，这为其作为沥青改性剂使用提供了可能。同时考虑到道路行业对原材料具有高消耗的特点，如果能将废旧轮胎大量使用到沥青混凝土中，必将实现这一固废的高效循环再生利用。

基于此，该研究考察了废旧轮胎对沥青混凝土高温抗变形性能的影响：在实验室内将废旧轮胎进行研磨，制备不同尺寸的橡胶粉颗粒，进而与基质沥青混合制备成胶粉改性沥青；采用马歇尔设计方法设计沥青混凝土，基于车辙试验研究橡胶粉颗粒尺寸对沥青混凝土高温抗变形性能的影响。

1 原材料

该研究中采用的沥青为AH-90基质石油沥青；粗集料和细集料均为石灰岩；填料为石灰岩磨制的矿粉。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的标准试验方法对沥青的针入度等基本性能指标进行测试[5]；根据《公路工程集料试验规程》中的标准试验方法对石灰岩粗集料、细集料以及矿粉的密度等基本性能指标进行测试[6]。测试结果如表1～表3所示，可见研究中使用的原材料基本性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求[7]。此外，研究中还使用到橡胶粉，3种不同尺寸的橡胶粉颗粒(60目、100目和200目)通过在实验室内研磨废旧轮胎获取。

表1 AH-90基质沥青基本性能指标

表2 石灰岩集料基本性能指标

表3 填料基本性能指标

2 试验方法

制备胶粉改性沥青：将AH-90基质沥青预加热至160 ℃，逐步向基质沥青中添加橡胶粉，边添加边搅拌，橡胶粉与基质沥青的体积掺配比为1∶5。待橡胶粉添加完毕后，将胶粉改性沥青置于高速剪切机下剪切30 min。对于60目、100目和200目3种不同尺寸的橡胶粉颗粒，均按此方法制备胶粉改性沥青。设计沥青混凝土：采用马歇尔设计方法设计沥青混凝土。设计级配类型选用AC-13粗型，石灰石粗集料、细集料和矿粉在矿质混合料中的质量占比分别为65%、32%和3%，矿质混合料的合成级配曲线如图1所示。车辙试验：成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的板状沥青混凝土试件，将其分别置于50 ℃、60 ℃和70 ℃环境下进行车辙试验。试验时，通过钢轮在试件表面的往复运动模拟车载对沥青路面的作用，轮碾荷载为0.7 MPa。钢轮往返运动速度为42次/min，对试件持续碾压1 h。动稳定度是反映沥青混凝土高温稳定性的指标，按照式(1)进行计算

(1)

式中，DS为沥青混凝土的动稳定度，次/mm；S为钢轮往返运动速度，次/min；l60和l45是碾压时间分别对应60 min和45 min时，沥青混凝土试件的车辙变形，mm。

3 结果与讨论

沥青混凝土的车辙变形结果如图2所示，可见，环境温度和沥青类型均对沥青混凝土的抗变形能力产生显著影响。具体来看，随着温度的升高，不管是胶粉改性沥青混凝土还是基质沥青混凝土，其车辙深度都逐渐变大。这主要是因为沥青是一种温敏性材料，随着温度的升高，流动性增强，抗变形能力下降。胶粉改性沥青混凝土与基质沥青混凝土的车辙深度在数值上存在较大区别，在相同测试温度下，前者总是小于后者。且随着测试温度从50 ℃逐步升高至70 ℃，两类沥青混凝土车辙深度的差值也逐渐加大，从0.2～0.6 mm增加至1.8～2.5 mm。由此说明橡胶粉可显著减轻沥青混凝土路面的车辙病害。但对于含不同尺寸橡胶粉的沥青混凝土而言，其车辙深度并未随橡胶粉颗粒尺寸的增加或者减小而表现出一致的变化规律。例如，100目胶粉改性沥青混凝土在50 ℃和60 ℃下的车辙深度略高于另外两种胶粉改性沥青混凝土；但当测试温度达到70 ℃时，情况则大为不同，100目胶粉改性沥青混凝土的车辙深度是三者中最小的。

沥青混凝土的动稳定度计算结果如图3所示。从图3中可以看出，温度对4种沥青混凝土的动稳定度产生一致的影响，随着温度的升高，4种沥青混凝土的动稳定度均呈现快速下降的趋势。当温度从50 ℃逐步升高至70 ℃，基质沥青混凝土、60目胶粉改性沥青混凝土、100目胶粉改性沥青混凝土和200目胶粉改性沥青混凝土的动稳定度分别下降了36%、22%、21%和19%。可见橡胶粉的掺入，同样显著减小了沥青混凝土动稳定度的丧失。同时，在相同的测试温度下，胶粉改性沥青混凝土的动稳定度总是高于基质沥青混凝土，且前者的动稳定度随着橡胶颗粒尺寸的减小而持续增大。因此，就动稳定度结果而言，橡胶粉显著改善了沥青混凝土的抗变形能力，且细颗粒橡胶粉对沥青混凝土高温稳定性的改善效果更佳。

4 结 论

针对废旧轮胎使用率低、沥青路面易发生车辙病害问题，该研究考察了60目、100目和200目3种不同尺寸的废旧轮胎橡胶粉对沥青混凝土高温抗变形性能的影响。研究结果表明，将橡胶粉引入沥青混凝土中可有效改善其高温抗变形性能，相比于基质沥青混凝土，胶粉改性沥青混凝土具有更小的车辙深度和更大的动稳定度；且胶粉改性沥青混凝土的动稳定度随着橡胶粉颗粒尺寸的减小而增大，表明细橡胶颗粒对沥青混凝土高温稳定性的改善效果更佳。