高摻量膠粉改性瀝青混合料設計及性能研究

趙占林 蒲昌瑜 薛 冬 高占華 趙 偉

(1.公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心 石家莊 050091;2.河北省交通規劃設計研究院有限公司 石家莊 050091 3.河北雄安榮烏高速公路有限公司 保定 071700)

我國現行瀝青混合料設計體系是基于傳統的體積設計方法,強調礦料級配的作用,忽視瀝青膠漿和砂漿的影響。膠漿是由瀝青和礦粉組成,而砂漿是由瀝青、礦粉和細集料組成,他們的組成結構決定了瀝青混合料的高溫穩定性和低溫變形能力。王國清等[1]利用高溫錐入度試驗和低溫小梁彎曲試驗對20%和30%膠粉改性瀝青進行了研究,發現增加膠粉摻量可有效改善瀝青的高、低溫性能。王新強等[2-3]對膠粉瀝青砂漿與混合料復合模量的關聯性以及不同膠粉瀝青砂漿摻量對動態模量的影響進行了研究。崔世超等[4]以溫拌膠粉改性瀝青砂漿及熱拌膠粉改性瀝青砂漿為研究對象,分析了紫外線老化時長對瀝青開裂特性的影響。 E.G.X. 等[5]研究了填料類型和瀝青膠漿流變性能對瀝青膠漿-集料相互作用的影響。Xu G.等[6]通過室內模擬氣候老化研究了自然氣候對不同粉膠比基質瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿黏彈性和疲勞性能的影響。Wei Z.Y.等[7]通過旋轉黏度測試、動態剪切流變儀測試和彎曲梁流變儀測試研究了鐵尾礦填料和石灰填料膠漿的流變行為。MENG Y.J.等[8]將鋼渣和廢橡膠摻入瀝青中以制備瀝青膠漿,采用多種試驗方法對瀝青膠漿的高溫性能進行了研究。

國內外對瀝青膠漿已有大量研究,但多數集中在SBS改性瀝青膠漿,而對膠粉改性瀝青尤其是高摻量膠粉改性瀝青砂漿研究較少。因此,本文借鑒國內外斷級配膠粉改性瀝青混合料和瀝青瑪蹄脂碎石的組成特點及已有研究成果[9],將粗集料和瀝青砂漿組成的混合料稱為膠粉改性瀝青碎石(stone rubber asphalt,SRA)。通過粗、細集料級配設計分別對關鍵篩孔通過率控制點進行研究,并研究瀝青砂漿填充率對高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13高、低溫性能和抗疲勞性能的影響。

1 試驗方案

1.1 原材料

瀝青采用30%膠粉(粒徑不小于380 μm的廢輪胎膠粉)摻量的膠粉改性瀝青,其技術指標見表1。粗集料為張家口蔚縣的玄武巖石料,細集料為0～3 mm規格機制砂,填料為石灰巖石料經磨細得到的礦粉,其技術指標均滿足規范要求。

表1 膠粉改性瀝青性能指標

1.2 試驗方法

首先通過改變9.5～16 mm和4.75～9.5 mm摻配比例進行粗集料級配設計,根據混合料性能確定9.5 mm關鍵篩孔通過率。其次根據粗集料級配設計結果固定9.5 mm和0.075 mm關鍵篩孔通過率,通過改變4.75 mm關鍵篩孔通過率進行細集料級配設計,并根據混合料性能確定4.75 mm關鍵篩孔通過率。根據粗、細集料級配研究成果采用馬歇爾法進行合成級配設計,以最佳油石比條件下瀝青砂漿填充率的80%,90%,100%和110%進行瀝青砂漿填充,確定各檔集料和填料的摻配比例。通過瀝青膜厚度和集料比表面積估算膠粉改性瀝青用量,最終研究瀝青砂漿填充率對混合料性能的影響。

1.3 試驗方案

將粗集料篩分成單檔,然后進行逐檔填充試驗。為了保證試驗結果的準確性,分別采用干搗實法和PCG旋轉法進行骨架間隙率測定。以最小骨架間隙率對應的摻配比例作為粗集料級配優化的依據。

1.3.1粗集料級配設計

采用等量遞減法設計9.5～16 mm和4.75～9.5 mm 2檔粗集料的主骨架,粗集料骨架間隙率VCA采用搗實法和PCG旋轉法進行測定。其中,VCAd為搗實法測試的粗集料骨架間隙率,VCA30和VCA40分別為PCG旋轉30次和40次測試的粗集料骨架間隙率。不同方法骨架間隙率測試結果見圖1。由圖1可知,2種方法測試的不同摻配比例粗集料骨架間隙率變化趨勢基本一致,搗實法測試結果整體偏小。當9.5～16 mm與4.75～9.5 mm 2檔集料摻配比例為7∶3、6∶4、5∶5及4∶6時,粗集料骨架間隙率較小,集料之間較為緊密。因此,本文采用搗實法進行粗集料骨架間隙率測試,并將上述摻配比例作為粗集料級配優化的依據。

圖1 不同方法骨架間隙率測試結果

1) 9.5～16 mm與4.75～9.5 mm不同摻配比例的級配組成。擬定設計空隙率為4%,礦粉摻量為8%,高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13油石比為6.0%。根據體積設計法由式(1)分別得到4種粗、細集料摻配比例計算結果,見表2?；旌狭虾铣杉壟浞謩e采用GC1、GC2、GC3和GC4表示,見表3。

(1)

式中:qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細集料、礦粉,以及瀝青質量百分數,%;ρf、ρp分別為細集料、礦粉表觀密度,g/cm3;ρa為瀝青密度,g/cm3;ρ為粗集料干搗實密度,g/cm3;VCA為粗集料骨架間隙率,%;Va為瀝青混合料設計空隙率,%;C為粗集料用量;F為細集料用量;OAC為油石比;9.5～16 mm與4.75～9.5 mm摻配比例用“C1∶C2”表示。

表2 粗、細集料摻配比例計算結果

表3 粗集料不同摻配比例合成級配

2) 性能檢驗。根據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對上述4種級配分別進行高、低溫性能和水穩定性檢驗。結果見表4。其中,DS為動穩定度,εB為最大彎拉應變,MS0為浸水殘留穩定度,TSR為凍融劈裂試驗強度比。

表4 SRA-13不同合成級配混合料性能

由表4可知,4種級配動穩定度均大于6 000次/mm,最大彎拉應變均大于3 000×10-6,而水穩定性基本相當。GC3和GC4動穩定度和最大彎拉應變明顯優于GC1和GC2,而GC3和GC4動穩定度和最大彎拉應變基本相當。因此,建議粗集料級配控制在GC3和GC4之間,相應的9.5 mm篩孔通過率控制在62.8%～70.1%之間。

1.3.2細集料級配設計

1) 設計級配。根據粗集料級配設計研究結果,固定9.5 mm關鍵篩孔通過率在66%左右,同時固定0.075 mm篩孔通過率為8%,考慮到關鍵篩孔4.75 mm對混合料骨架結構的形成和混合料性能的影響,設計出3種混合料級配,分別用GF1、GF2和GF3表示,具體級配組成見表5。

表5 SRA-13的不同設計級配

2) 確定最佳油石比。依據馬歇爾方法,3種級配所對應的最佳油石比與體積指標見表6。其中,γf為毛體積相對密度,VMA為礦料間隙率,VFA為瀝青飽和度,VCA為粗集料骨架間隙率。

表6 SRA-13不同礦料級配確定的最佳油石比和體積參數

由表5和表6可知,隨著4.75 mm篩孔通過率增加,最佳油石比和礦料間隙率呈現階梯型遞減,最佳油石比降幅在0.6%左右,礦料間隙率降幅在1.0%左右。據此可知,關鍵篩孔4.75 mm通過率對最佳油石比具有顯著的影響。

3) 性能檢驗。對上述3種級配進行路用性能檢驗,結果見表7。

表7 SRA-13不同礦料級配混合料性能

由表7可知,當關鍵篩孔4.75 mm通過率在30%左右時,高摻量膠粉改性瀝青碎石SRA-13動穩定度最大,高溫抗車轍性能較優,且最大彎拉應變和水穩定性較好。因此將關鍵篩孔4.75 mm通過率控制在30%左右,混合料性能最為均衡。

1.3.3配合比設計

采用馬歇爾設計法進行合成級配設計,粗集料骨架間隙率為39.8%,混合料設計空隙率為4%。假定最佳油石比條件下瀝青砂漿填充率為100%,分別按照80%,90%,100%和110%瀝青砂漿填充率并依據主骨料填充法(CAVF法)[10]設計出4種混合料級配,分別用G1、G2、G3和G4表示,見表8。

表8 不同砂漿填充率合成級配

根據JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》計算4種混合料級配的比表面積,選取瀝青膜厚度為9 mm,根據瀝青膜厚度和集料比表面積初步確定瀝青用量,估算混合料油石比分別為5.04%,5.70%,6.05%和6.50%。

2 試驗結果及分析

2.1 高溫穩定性

膠粉改性瀝青碎石SRA-13高溫性能采用車轍試驗進行評價,試驗溫度為60 ℃,輪壓為0.7 MPa。試件采用輪碾法成型,規格為300 mm×300 mm×50 mm,試驗結果見圖2。由圖2可知,膠粉改性瀝青碎石SRA-13砂漿填充率與動穩定度具有良好的相關性,相關系數達到0.986 1。4種級配動穩定度均超過5 000次/mm,隨著瀝青砂漿填充率的增加,膠粉改性瀝青碎石SRA-13動穩定度呈現逐漸降低趨勢。與正常瀝青砂漿填充率混合料相比,砂漿填充率80%混合料的動穩定度提高了77%,砂漿填充率110%混合料的動穩定度降低了24%。從混合料結構上分析,砂漿填充率80%混合料由于瀝青砂漿填充率較小,混合料呈骨架空隙結構,抗車轍變形能力強。而砂漿填充率110%混合料由于瀝青砂漿填充率超過正常填充率,導致混合料呈密實懸浮結構,故抗車轍變形能力相對較差。

圖2 砂漿填充率與高溫穩定性關系

2.2 低溫抗裂性

膠粉改性瀝青碎石SRA-13低溫抗裂性能采用低溫彎曲試驗進行評價,試驗溫度為-10 ℃,加載速率為50 mm/min。試件采用輪碾法成型后切制的250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁,試驗結果見圖3。

圖3 砂漿填充率與低溫抗裂性關系

由圖3可知,膠粉改性瀝青碎石SRA-13低溫抗裂性能與砂漿填充率具有較高的相關性,相關系數達到0.999 8?；旌狭系牡蜏乜沽研阅茈S著砂漿填充率增大而逐漸提高,與正常砂漿填充率相比,砂漿填充率80%的最大彎拉應變降低了約24%,砂漿填充率110%最大彎拉應變增長幅度很小。

2.3 抗疲勞性能

膠粉改性瀝青碎石SRA-13抗疲勞性能采用四點彎曲疲勞試驗進行評價,采用輪碾法成型板塊試件并切割成380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件。采用UTM試驗機進行小梁四點彎曲疲勞試驗,試驗溫度為10 ℃,加載模式為四點應變控制正弦荷載加載,采用600×10-6進行應變控制,試驗結果見圖4。

圖4 砂漿填充率與抗疲勞性能關系

由圖4可知,膠粉改性瀝青SRA-13疲勞壽命與填充率具有較高的相關性,相關系數達到0.996 0。疲勞壽命隨著砂漿填充率增大而逐漸增大,與正常瀝青砂漿填充率相比,砂漿填充率110%混合料的疲勞壽命提高了約60%,而砂漿填充率80%混合料的疲勞壽命降低了57%,降低幅度較大。由此可知,砂漿填充率對膠粉改性瀝青碎石SRA-13疲勞壽命具有顯著的影響。

3 結論

1) 采用搗實法和PCG旋轉法2種方法測試的粗集料骨架間隙率結果變化趨勢基本一致,但搗實法粗集料骨架間隙率測試結果整體偏小。當關鍵篩孔9.5 mm通過率在62.8%～70.1%之間時,高摻量膠粉改性瀝青SRA-13的高、低溫性能較優,水穩定性基本相當。固定9.5 mm篩孔通過率為66%,當關鍵篩孔4.75 mm通過率在30%左右時,高摻量膠粉改性瀝青SRA-13高、低溫性能和水穩定性較優且最為均衡。

2) 膠粉改性瀝青SRA-13砂漿填充率與動穩定度、彎拉應變和疲勞壽命具有較高的相關性。隨著瀝青砂漿填充率增大,混合料動穩定度呈現逐漸降低趨勢,低溫彎拉應變呈現逐漸增大趨勢,疲勞壽命呈現逐漸增加趨勢。

3) 與正常瀝青砂漿填充率混合料相比,砂漿填充率80%混合料的動穩定度提高了77%,最大彎拉應變降低了約24%,疲勞壽命降低了57%;而砂漿填充率110%混合料的動穩定度降低了24%,最大彎拉應變小幅度提高,疲勞壽命提高了約60%。