橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗_黃衛(wèi)東_圖文

1、第38卷第7期2010年7月同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY (NATURAL SCIEN CE Vol .38No .7Jul .2010收稿日期:2009-04-27基金項目:國家自然科學(xué)基金資肋項目(50308021作者簡介:黃衛(wèi)東(1970,男,副研究員,工學(xué)博士,主要研究方向為道路工程、瀝青與瀝青混合料.E -mail :hw d tongji .edu .cn橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗黃衛(wèi)東1,王偉2,黃巖3,李彥偉4(1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室,上海201804;2.上海浦東路橋瀝青材料有限公司,上海2

2、00122;3.上海市政工程設(shè)計研究總院,上海200092;4.石家莊市交通運輸局,河北石家莊050051摘要:通過室內(nèi)車轍試驗和浸水車轍試驗,采用單因素對比分析的方法,對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的主要影響因素進行了系統(tǒng)研究.試驗結(jié)果表明,膠粉來源、膠粉摻量、油石質(zhì)量比、空隙率等因素,對于橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響比較顯著,基質(zhì)瀝青對高溫穩(wěn)定性也有一定程度的影響,而膠粉細度等因素所產(chǎn)生的影響較小.盡管不同級配形式下混合料常規(guī)動穩(wěn)定度的測試結(jié)果差異不大,但由于浸水對比車轍試驗條件下動穩(wěn)定度的衰減幅度最小,因此,礦粉比例低且細料較少的間斷級配形式更適用于橡膠改性瀝青.關(guān)鍵詞:橡膠瀝青;橡膠瀝

3、青混合料;車轍試驗;動穩(wěn)定度中圖分類號:U 416.217文獻標識碼:AInfluencing Factor Researchon High -temperaturePerformanceofAsphaltRubber Mix tureHUAN G Weidong 1,WANG Wei 2,HUANG Yan 3,LI Yanwei4(1.Key La boratory of Roa d and Tra ffic Engineering of the Ministry of E duca tion ,T o ng j i University ,Sha nghai 201804,China ;

4、2.Sha nghai Pudong Ro ad &Bridge Aspha lt -based Material C ompa ny ,Sha nghai 200122,China ;3.Shangha i Munic ipal Enginee ring Design Institute ,Sha nghai 200092,China ;4.Shijia zhua ng Burea u of Tra nsporta tion ,Shijiazhua ng 050051,China Abstract :Based on single -factor analysis ,rutting test

5、 and immersion rutting test were made to study the influencing fa ctors on high -temperature performanc e of asphalt rubber (AR mixture .Test results show that crumb rubber modifier (CRM source ,CRM content ,asphalt c ontent and air voids have great influence on high -temperature perform ance of AR

6、m ixture ,while the effect of base asphalt and CRM size /gra dation on high -temperature performance is not so obvious .Though the rut ting test results under different aggregate gra dations do not show much variation ,the gap gradation with less mineral filler and less fine aggregate performs bette

7、r inimmersion rutting test ,thus the gap gradation with less mineral filler is suitable for application in asphalt rubber mixture .Key wo rds :asphalt rubber ;asphalt rubber m ixture ;rutting test ;dynamic stability橡膠瀝青混合料由于其突出的環(huán)保優(yōu)勢和足夠的高溫穩(wěn)定性,已逐步在國內(nèi)道路工程中得到應(yīng)用1.與其他改性瀝青混合料相比,橡膠瀝青混合料膠粉摻量大,膠粉與基質(zhì)瀝青改性機理有所不同

8、.以亞利桑那州橡膠瀝青規(guī)范為例,同時具有以下特點2:油石質(zhì)量比高,一般為7.0%8.5%,對于一般瀝青混合料,如此高的用油量,其高溫穩(wěn)定性能難以保證;級配中允許不摻加礦粉(小于0.075mm 的細料,而一般瀝青混合料中礦粉對于提升高溫穩(wěn)定性、防止析漏、填充空隙等作用顯著;混合料的設(shè)計目標空隙率達到4.5%6.5%,較一般瀝青混合料大1%2%.常規(guī)瀝青混合料的研究表明,較大的空隙率可能導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性下降、抗水損能力減弱.筆者針對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的擔(dān)憂,采用車轍試驗及浸水車轍試驗,對其高溫穩(wěn)定性進行大量的試驗研究,并據(jù)此對橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素及影響程度進行了比較與研究.1試驗方

9、法與方案1.1橡膠瀝青對橡膠瀝青的改性采用濕法(w et process 工藝,即在1855下,用強力攪拌器以250r min -1轉(zhuǎn)速將瀝青與橡膠粉混合攪拌90min ,橡膠粉的摻量為橡膠瀝青質(zhì)量的19%.基質(zhì)瀝青采用加德同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第38卷士70#,埃索70#,中海70#,河北宏潤70#,東海金山70#,盤錦90#、加德士90#等7種型號.橡膠粉選用4種膠粉,產(chǎn)地分別為上海、河北、四川、南京,其中,上海與河北的膠粉為大貨車子午胎膠粉,四川與南京的膠粉為非大貨車膠粉.膠粉細度以20目為主,南京膠粉還包括60和80目兩種細度.橡膠改性瀝青常規(guī)指標的實測結(jié)果見表1所示.表1用于試驗研

10、究的橡膠瀝青常規(guī)指標Tab.1Conventional req uirement o f asphalt rubber基質(zhì)瀝青膠粉種類25針入度/0.1mm軟化點/177粘度/(Pas1.2集料與級配表2試驗中選用的各種級配(質(zhì)量分數(shù)Tab.2Aggregate gradations in the test(quality p ercenrage%級配篩孔尺寸/mm注:1為了提高混合料的抗凍融劈裂性能,參考國內(nèi)外的工程經(jīng)驗,在混合料中還外摻了質(zhì)量分數(shù)為1.5%的普通硅酸鹽水泥.1.3車轍試驗根據(jù)車轍試驗要求,需在試驗室中成型300mm300m m50mm的車轍板試件(壓實40次.考慮到道路攤鋪

11、時混合料存在短期老化的實際情況,在試件成型時先將新拌橡膠瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤,放入1655的烘箱中,短期老化2h5min后再成型.各種級配橡膠瀝青混合料最佳油石質(zhì)量比采用馬歇爾法確定.拌和溫度為170175,雙面75次擊實,擊實溫度為155160.用計算法求得混合料的最大理論密度,試件的毛體積密度采用水中重法測定.5種級配混合料的目標空隙率與最佳油石質(zhì)量比如表3所示.表3混合料的油石質(zhì)量比與空隙率Tab.3Asphalt-stone ratios and air voids o f mixtures 級配類型目標空隙率/%最佳油石質(zhì)量比/%為了在混合料高溫穩(wěn)定性評價中考慮水的影響,在試驗

12、研究中補充了浸水車轍試驗.即根據(jù)各自的最佳油石質(zhì)量比成型車轍試件,常溫下靜置48h 后,在車轍試驗機的恒溫(60水槽中浸水2h,然后再進行浸水車轍試驗.1.4試驗方案可能影響橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素包括基質(zhì)瀝青的品質(zhì)、膠粉(包括膠粉來源、目數(shù)、摻量、級配形式、油石質(zhì)量比、空隙率等.由于影響因素多,如果分析多因素的綜合影響,一方面室內(nèi)試驗的工作量很大,另一方面由于各因素之間可能存在耦合影響,導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差.因此,采用單因素對比分析方法,即在分析某一影響因素時,在試驗1024第7期黃衛(wèi)東,等:橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗方案中將其他影響因素盡可能地統(tǒng)一,從而分析該因素的變化對于

13、動穩(wěn)定度的影響程度.為此,針對上述影響因素分別設(shè)計了8個對比試驗方案.車轍動穩(wěn)定度原始數(shù)據(jù)參見附件及參考文獻4.2膠結(jié)料對于高溫穩(wěn)定性的影響2.1基質(zhì)瀝青的影響針對7種不同的基質(zhì)瀝青,試驗了27組常規(guī)車轍.膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(上海與河北的20目膠粉,膠粉摻量為19%(質(zhì)量分數(shù),后同,混合料級配為AR -AC -13粗(油石質(zhì)量比為8%,空隙率為5.4%.試驗結(jié)果見表4,對比情況見圖1. 圖1基質(zhì)瀝青對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig .1Dynamic stability co mparison ofdifferent bas e asphalts將7種不同基質(zhì)瀝青混合料常規(guī)車轍試驗動穩(wěn)定度的

14、試驗結(jié)果進行統(tǒng)計,變異系數(shù)為15%,變異水平屬于動穩(wěn)定度試驗的偏高水平.試驗結(jié)果表明,中海(70#和宏潤(70#動穩(wěn)定度相差30%以上.說明不同基質(zhì)瀝青對橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有一定程度的影響. 表4基質(zhì)瀝青對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .4Influence o f b ase asphalts o n high -temperatureperformance基質(zhì)瀝青車轍試驗組數(shù)動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%埃索(70#640709東海(70#3341610宏潤(70#6445512加德士(70#338604加德士(90#3288113盤錦(90#3334714中海(70#3327

15、652.2膠粉的影響在大比例(質(zhì)量分數(shù)大于15%摻入膠粉的情況下,膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫狀態(tài)下(180以上通過物理反應(yīng)(融脹,在顆粒表面將形成瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜,融脹后橡膠粉體積達到膠結(jié)料的近40%5,因此,膠粉性質(zhì)的變化將對混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響.為此,筆者設(shè)計了3個對比試驗方案,分別用于比較膠粉來源、細度、摻量對于動穩(wěn)定度的影響.混合料級配為AR -AC -13粗(油石質(zhì)量比8%,空隙率5.4%,膠粉摻量為19%(膠粉摻量分析方案除外,基質(zhì)瀝青為加德士70#.在膠粉來源的影響分析中,針對4個不同產(chǎn)地、2種不同來源的膠粉所制備的混合料進行了18組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表5所示,

16、對比情況見圖2.表5膠粉來源對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .5Influence of crumb rub ber sources onhigh -temperature perfo rmance膠粉來源車轍試驗組數(shù)動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%上海(大貨車子午胎9389412河北(大貨車子午胎334877南京(非大貨車子午胎3173215四川(非大貨車子午胎317027可以看出,一方面不同來源的膠粉(上海、河北的大貨車子午胎,以及南京、四川的非大貨車子午胎對于混合料動穩(wěn)定度的影響非常顯著,4個產(chǎn)地膠粉所制備混合料動穩(wěn)定度的變異系數(shù)達到了43%;另一方面,相同來源膠粉(上海與河北,南京與四

17、川之間,動穩(wěn)定度的變化非常小.由于大貨車膠粉富含天然橡膠,對瀝青性能的改善效果更加明顯,因此,在橡膠瀝青混合料設(shè)計中建議使用該類膠粉.圖2膠粉來源對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig .2Relatio ns hip between dynamic stability andcrumble rub ber source在膠粉細度的影響分析中,采用20,60,80目等3種細度的南京膠粉進行了9組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表6.不同細度膠粉動穩(wěn)定度的變異系數(shù)僅1025同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第38卷9%.可以看出,在2080目的細度范圍內(nèi),膠粉細度的變化對于混合料高溫穩(wěn)定性的影響較小,但是,實際應(yīng)用中存在由

18、較細膠粉制備的橡膠瀝青隨存貯時間延長,177粘度下降較快的現(xiàn)象,需要注意.表6膠粉細度對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .6Influence of crumb rub ber size /gradationson high -temperature膠粉目數(shù)車轍試驗組數(shù)動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%3168716限于備料不足等原因,在膠粉摻量影響的試驗研究中,僅針對17%和19%兩種摻量,采用20目上海膠粉進行12組常規(guī)車轍試驗,試驗結(jié)果見表7.表7膠粉摻量對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .7Influence of crumb rub ber content onhigh -temperatur

19、e perfo rmance膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù)/%車轍試驗組數(shù)動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%173331218199389412可以看出,膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù)從17%增加到19%,混合料的動穩(wěn)定度增加了18%,影響還是比較顯著的.針對20目貨車輪胎膠粉、70#道路石油瀝青情況,曹榮吉等進行了膠粉摻量對于橡膠瀝青粘度的影響的試驗研究,試驗結(jié)果如表8所示6.可以看出,膠粉摻量對于粘度的影響并不是線性的,隨著摻量從18%增加到20%,橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度快速增長.筆者在橡膠瀝青高溫性能評價標準的試驗研究中發(fā)現(xiàn),橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度與橡膠瀝青的177粘度之間具有良好的線性相關(guān)性(見圖3.據(jù) 圖3

20、旋轉(zhuǎn)粘度與動穩(wěn)定度的試驗關(guān)系(177Fig .3Relationship between 177apparent viscosityand dynamic stability此推斷,膠粉摻量的增加對于混合料動穩(wěn)定度的影響非常顯著.這主要是由于隨著膠粉摻量的增加,橡膠瀝青粘度增加,進而造成混合料動穩(wěn)定度的增加.表8不同膠粉摻量情況下橡膠瀝青的粘度(177,20r min -1T ab .8177visco sities fo r different cru mb ru bb er c onten ts參數(shù)膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù)/%12161820旋轉(zhuǎn)粘度/(Pa s 1.301.902.008.10

21、3級配、油石質(zhì)量比及空隙率對于高溫穩(wěn)定性的影響3.1級配的影響在級配的影響分析中,膠粉選擇大貨車子午胎膠粉(20目,膠粉摻量(質(zhì)量分數(shù)為19%.考慮到基質(zhì)瀝青對于混合料高溫穩(wěn)定性的影響很小,因此,在對比試驗中沒有對瀝青品牌進行限制(即選擇了7種品牌的基質(zhì)瀝青.混合料方面選擇了5種級配(見表2,分別進行了馬歇爾試驗,根據(jù)各自的目標空隙率確定了最佳油石質(zhì)量比.45組常規(guī)車轍試驗的結(jié)果見表9所示,對比情況見圖4.在最佳油石質(zhì)量比的情況下,5種不同級配混合料常規(guī)動穩(wěn)定度測試結(jié)果的變異系數(shù)為7%.一方面說明在級配中礦粉的含量(粒徑小于0.075mm 細料對于橡膠瀝青混合料高溫性能的影響并不顯著,另一方面

22、說明間斷級配與連續(xù)級配相比,高溫穩(wěn)定性并沒有明顯的優(yōu)勢,而且各種級配的橡膠瀝青混合料均可以滿足改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的一般要求.表9不同級配對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .9Influence of grad ation on high -temperatureperfo rmance級配類型車轍試驗組數(shù)空隙率/%油石質(zhì)量比/%動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%34809SMA -1334.07.041687為了進一步分析級配對于高溫穩(wěn)定性的影響,研究中進行了不同級配情況下混合料常規(guī)車轍試驗與浸水車轍試驗的對比分析.試驗中膠粉仍為大貨車子午胎膠粉,摻量為19%,基質(zhì)瀝青統(tǒng)一為加德士1026第

23、7期黃衛(wèi)東,等:橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗70#,選擇了AR -AC -13粗、AR -AC -13中、AC -13、 SMA -13共4種級配,其中AR -AC -13粗混合料降低了油石質(zhì)量比,以分析驗證哪種級配更加適用于橡膠瀝青.浸水車轍對比試驗共進行了24組,結(jié)果見表10所示,對比情況見圖5.對比試驗中,AR -AC -13粗級配的浸水車轍試驗動穩(wěn)定度的下降幅度很大(僅略好于AC -13,主要是由于其油石質(zhì)量比大大低于最佳油石質(zhì)量比(8%,造成混合料中瀝青含量的相對不足.其他采用最佳油石質(zhì)量比的不同級配混合料中,不含礦粉的“AR -AC -13”中級配的混合料浸水車轍試驗動穩(wěn)定

24、度的下降幅度最小,原因可能與瀝青膜的厚度有關(guān)系.其他2種級配由于礦粉的存在,增加了集料的比表面面積,從而減少了裹覆集料的瀝青膜厚度.圖4不同級配對于動穩(wěn)定度的影響對比Fig .4Dynamic stability compariso n und erdifferent gradatio ns表10不同級配混合料常規(guī)車轍與浸水車轍試驗的對比Tab .10Co nventio nal and immersion rutting test results of mixtures under different gradations級配類型車轍試驗組數(shù)1油石質(zhì)量比/%動穩(wěn)定度(常規(guī)車轍/(次mm -1

25、動穩(wěn)定度(浸水車轍/(次mm -1變異系數(shù)1/%動穩(wěn)比值A(chǔ)C -133/37.337759986/63.78AR -AC -13粗3/35.0439*/103.65AR -AC -13中3/38.0348717397/102.01SMA -133/37.0416815207/52.74注:1“/”左側(cè)為常規(guī)車轍試驗的數(shù)據(jù),右側(cè)為浸水車轍試驗的數(shù)據(jù). 圖5不同級配常規(guī)與浸水車轍試驗的對比 Fig .5C omp ariso n o f c onven tional and immers io n ruttingtest results under different gradatio ns3.2

26、油石質(zhì)量比的影響在油石質(zhì)量比的影響分析中,膠粉選擇上海20目(摻量(質(zhì)量分數(shù)為19%,級配形式為AR -AC -13粗,基質(zhì)瀝青為加德士70#,油石質(zhì)量比選擇了包括最佳油石質(zhì)量比在內(nèi)的6種,共進行了21組常規(guī)車轍試驗,結(jié)果見表11,油石質(zhì)量比變化趨勢擬合曲線見圖6.混合料的動穩(wěn)定度隨著油石質(zhì)量比的增加基本上表現(xiàn)為線性下降的趨勢,而且相關(guān)性很好.如果以動穩(wěn)定度大于2800次mm -1控制混合料的最大表11油石質(zhì)量比對于高溫穩(wěn)定性的影響Tab .11Influence of asphalt -stone ratio o nhigh -temperature perfo rmance油石質(zhì)量比/%車

27、轍試驗組數(shù)動穩(wěn)定度/(次mm -1變異系數(shù)/%316356圖6油石質(zhì)量比變化趨勢擬合曲線Fig .6Fitting curve for variatio n o f asphalt -sto ne ratio油石質(zhì)量比,則對于本試驗的材料和工藝條件,最大油石質(zhì)量比建議小于8.9%.從油石質(zhì)量比對于動穩(wěn)1027 1028 同 濟 大 學(xué) 學(xué) 報( 自 然 科 學(xué) 版 第 38 卷 定度的影響趨勢擬合情況還可看出 , 如果為了增加 動穩(wěn)定度而降低油石質(zhì)量比( 假定因油石質(zhì)量比變 化引起混合料其他性能的衰減仍處于可接受的范圍 之內(nèi) , 那么 , 當油石質(zhì)量比低于最佳油石質(zhì)量比時 , 因油石質(zhì)量比降低

28、引起動穩(wěn)定度增長的斜率遠小于 油石質(zhì)量比大于最佳油石質(zhì)量比的階段 , 兩個階段 動穩(wěn)定 度 受 油石 質(zhì) 量 比 變 化的 影 響 斜 率 比值 為 1 6. 5 , 因此 , 這種做法并不“ 經(jīng)濟” . 3. 3 空隙率的影響 對于空隙率對于動穩(wěn)定度 的影響 , 對比試驗采 前者選擇上海 20 目膠粉 , 后者選擇了河北 20 目膠 粉 , 基質(zhì) 瀝 青 為 加 德 士 70 # , 摻 量 ( 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 19 %, 共進行了 15 組常規(guī)車轍試驗 , 結(jié)果見表 12 和 圖 7 所示 . 可以看出 , 與其他改性瀝青混合料相似 , 動穩(wěn)定度隨著空隙率的增加而下降 , 而且下降幅度

29、 比較明 顯 , 并 隨著 級配 形式 的不 同 而存 在一 定的 差異 . 表 12 空隙率對于高溫穩(wěn)定性的影響 Tab . 12Influence of air void on high -temperature performance 級配形式 空隙率/ 車轍試驗 油石質(zhì)量 動穩(wěn)定度/ 變異系 % 組數(shù) 比/ % ( 次 mm -1 數(shù)/ % 6. 8 AR- AC - 13 粗 5. 6 4. 7 SMA - 13 2. 5 4. 0 3 3 3 3 3 8 8 8 8 7 2 808 3 860 4 725 4 963 4 168 3 4 17 7 7 30 %; 受膠粉性質(zhì)的影響則

30、非常顯著 , 且以膠粉來源 和膠粉摻量這兩個因素的影響為主 . 對于橡膠瀝青 混合料 , 建議采用大貨車子午胎膠粉進行改性 , 并應(yīng) 合理控制膠粉的摻量 . ( 2浸水車轍對比試驗結(jié)果表明 , 礦粉比例低 且細料較少的間斷級配形式 , 其橡膠瀝青混合料浸 水車轍 試驗 結(jié) 果更 好 , 表明 其有 更好 的 抗水 損害 能力 . ( 3與其他改性瀝青混合料相似 , 橡膠瀝青混 合料的高溫穩(wěn)定性受油石質(zhì)量比與空隙率變化的影 本試驗 的材 料 和工 藝條 件 , 建議 油石 質(zhì) 量比 小于 8. 9 %. 由于試驗數(shù)量的限制 , 研究成果尚待進一步試 驗和現(xiàn)場實際的驗證與修正 . 作為試驗 , 研

31、究成果對 橡膠瀝青混合料的實際應(yīng)用僅作為技術(shù)參考 . 參考文獻 : 1 王旭東 , 李美 江 , 路 凱 冀 . 橡 膠 瀝青 及 混 凝 土 應(yīng) 用 成 套 技 術(shù) M . 北京 : 人民交通出版社 , 2008 . WANG Xudong , LI Meijiang , LU K aiji . T he appli ed technology of the crumb rubber in the asphalt and mixture M . Beijing : China Communications Press , 2008 . 2 Ari zona Department of Transportation . Standard specifications for road & bridge construction S . Phoenix : s. n. , 2000 . 3 呂偉民 , 孫大權(quán) . 瀝青混合 料設(shè) 計手冊 M . 北京 : 人民 交通 出 版社 , 2007