1、第38卷第7期2010年7月同濟大學學報(自然科學版JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY (NATURAL SCIEN CE Vol .38No .7Jul .2010文章編號:0253-374X (201007-1023-06DO I :10.3969/j .issn .0253-374x .2010.07.015收稿日期:2009-04-27基金項目:國家自然科學基金資肋項目(50308021作者簡介:黃衛東(1970,男,副研究員,工學博士,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定性

2、影響因素試驗黃衛東1,王偉2,黃巖3,李彥偉4(1.同濟大學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200122;3.上海市政工程設計研究總院,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定性能的主要影響因素進行了系統研究.試驗結果表明,膠粉來源、膠粉摻量、油石質量比、空隙率等因素,對于橡膠瀝青混合料高溫穩定性的影響比較顯著,基質瀝青對高溫穩定性也有一定程度的影響,而膠粉細度等因素所產生的影響較小.盡管不同級配形式下混合料常規動穩定度的測試結

3、果差異不大,但由于浸水對比車轍試驗條件下動穩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.關鍵詞:橡膠瀝青;橡膠瀝青混合料;車轍試驗;動穩定度中圖分類號: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 t

4、he Ministry of E duca tion ,T o ng j i University ,Sha nghai 201804,China ;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 ,Shijiazh

5、ua ng 050051,China Abstract :Based on single -factor analysis ,rutting test 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

6、and air voids have great influence on high -temperature perform ance of AR 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 ga

7、p gradation with less mineral filler and less fine aggregate performs better 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

8、突出的環保優勢和足夠的高溫穩定性,已逐步在國內道路工程中得到應用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,膠粉與基質瀝青改性機理有所不同.以亞利桑那州橡膠瀝青規范為例,同時具有以下特點2:油石質量比高,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定性、防止析漏、填充空隙等作用顯著;混合料的設計目標空隙率達到4.5%6.5%,較一般瀝青混合料大1%2%.常規瀝青混合料的研究表明,較大的空隙率可能導致高溫穩定性下降、抗水損能力減弱.筆者針對橡膠瀝青混合料高溫穩

9、定性的擔憂,采用車轍試驗及浸水車轍試驗,對其高溫穩定性進行大量的試驗研究,并據此對橡膠瀝青混合料高溫穩定性影響因素及影響程度進行了比較與研究.1試驗方法與方案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量的19%.基質瀝青采用加德同濟大學學報(自然科學版第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

10、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.橡膠改性瀝青常規指標的實測結果見表1所示.表1用于試驗研究的橡膠瀝青常規指標Tab.1Conventional req uirement o f asphalt rubber基質瀝青膠粉種類25針入度/0.1mm軟化點/177粘度/(Pas加德士70#上海,20目38.368.43.3加德士70#河北,20目36.569.03.5加德士70#南京,80目54.560.01.8加德士70#南京,20目43.564.52.1加德士70#南京,60目49.561.71.6加德士70#四川,20目47.860

11、.61.4河北宏潤70#河北,20目36.670.94.1河北宏潤70#上海,20目埃索70#上海,20目34.868.03.2中海70#上海,20目38.465.62.9東海金山70#上海,20目39.566.12.9加德士90#上海,20目51.262.22.7盤錦90#上海,20目48.864.63.01.2集料與級配集料包括江蘇茅迪玄武巖和江蘇溧陽石灰巖兩種,篩分成13.209.50,9.504.75,4.752.36, 2.360.075等4檔.對壓碎值、磨耗值、針片狀含量等指標的測試表明,所用集料的各項指標均滿足現行規范的技術要求.由于我國現行瀝青路面設計、施

12、工規范中尚無橡膠瀝青混合料專用級配的技術要求,因此,在級配選擇上參考了國外的經驗.橡膠瀝青的粘度較大,在集料表面所形成的油膜較厚,因此,國外在膠粉摻量較大的情況下,級配選擇上比較傾向于細料較少的間斷級配,而且往往選擇具有較大空隙率的半開級配,其中又以美國亞利桑那州推薦的間斷級配為代表2-3.筆者參考亞利桑那州的間斷級配范圍,選擇了粗、中、細三種級配;為了對比分析,還增加了目前常用的連續級配(AC-13和間斷級配(SMA-13兩種形式.在試件成型中,4.75mm以上的粗集料選擇玄武巖,4.75mm以下選擇石灰巖.選用的各種級配如表2所示.表2試驗中選用的各種級配(質量分數Tab.2Aggrega

13、te gradations in the test(quality p ercenrage%級配篩孔尺寸/mm13.2009.5004.7502.3600.075AR-AC-13粗11006530200AR-AC-13中11007035210AR-AC-13細11007240280 SMA-131006025248AC-131007439306注:1為了提高混合料的抗凍融劈裂性能,參考國內外的工程經驗,在混合料中還外摻了質量分數為1.5%的普通硅酸鹽水泥.1.3車轍試驗根據車轍試驗要求,需在試驗室中成型300mm300m m50mm的車轍板試件(壓實40次.考慮到道路攤鋪時混合料存在短期老化的

14、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量比如表3所示.表3混合料的油石質量比與空隙率Tab.3Asphalt-stone ratios and air voids o f mixtures 級配類型目標空隙率/%最佳油石質量比/%AR-AC-13粗5.48.0AR-AC-13中5.48.0AR-AC

15、-13細5.48.2AC-134.07.3SMA-134.07.0為了在混合料高溫穩定性評價中考慮水的影響,在試驗研究中補充了浸水車轍試驗.即根據各自的最佳油石質量比成型車轍試件,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定性的因素包括基質瀝青的品質、膠粉(包括膠粉來源、目數、摻量、級配形式、油石質量比、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,導致分析結果出現偏差.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102

16、4第7期黃衛東,等:橡膠瀝青混合料高溫穩定性影響因素試驗方案中將其他影響因素盡可能地統一,從而分析該因素的變化對于動穩定度的影響程度.為此,針對上述影響因素分別設計了8個對比試驗方案.車轍動穩定度原始數據參見附件及參考文獻4.2膠結料對于高溫穩定性的影響2.1基質瀝青的影響針對7種不同的基質瀝青,試驗了27組常規車轍.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%(質量分數,后同,混合料級配為AR -AC -13粗(油石質量比為8%,空隙率為5.4%.試驗結果見表4,對比情況見圖1. 圖1基質瀝青對于動穩定度的影響對比Fig .1Dynamic stability co m

17、parison ofdifferent bas e asphalts將7種不同基質瀝青混合料常規車轍試驗動穩定度的試驗結果進行統計,變異系數為15%,變異水平屬于動穩定度試驗的偏高水平.試驗結果表明,中海(70#和宏潤(70#動穩定度相差30%以上.說明不同基質瀝青對橡膠瀝青混合料的高溫穩定性具有一定程度的影響. 表4基質瀝青對于高溫穩定性的影響Tab .4Influence o f b ase asphalts o n high -temperatureperformance基質瀝青車轍試驗組數動穩定度/(次mm -1變異系數/%埃索(70#640709東海(70#3341610宏潤(70#

18、6445512加德士(70#338604加德士(90#3288113盤錦(90#3334714中海(70#3327652.2膠粉的影響在大比例(質量分數大于15%摻入膠粉的情況下,膠粉與基質瀝青在高溫狀態下(180以上通過物理反應(融脹,在顆粒表面將形成瀝青質含量很高的凝膠膜,融脹后橡膠粉體積達到膠結料的近40%5,因此,膠粉性質的變化將對混合料的高溫穩定性產生較大的影響.為此,筆者設計了3個對比試驗方案,分別用于比較膠粉來源、細度、摻量對于動穩定度的影響.混合料級配為AR -AC -13粗(油石質量比8%,空隙率5.4%,膠粉摻量為19%(膠粉摻量分析方案除外,基質瀝青為加德士70#.在膠粉

19、來源的影響分析中,針對4個不同產地、2種不同來源的膠粉所制備的混合料進行了18組常規車轍試驗,試驗結果見表5所示,對比情況見圖2.表5膠粉來源對于高溫穩定性的影響Tab .5Influence of crumb rub ber sources onhigh -temperature perfo rmance膠粉來源車轍試驗組數動穩定度/(次mm -1變異系數/%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定度的

20、影響非常顯著,4個產地膠粉所制備混合料動穩定度的變異系數達到了43%;另一方面,相同來源膠粉(上海與河北,南京與四川之間,動穩定度的變化非常小.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計中建議使用該類膠粉.圖2膠粉來源對于動穩定度的影響對比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組常規車轍試驗,試驗結果見表6.不同細度膠粉動穩定度的變異系數僅1025同濟大學學報(自然科學版第3

21、8卷9%.可以看出,在2080目的細度范圍內,膠粉細度的變化對于混合料高溫穩定性的影響較小,但是,實際應用中存在由較細膠粉制備的橡膠瀝青隨存貯時間延長,177粘度下降較快的現象,需要注意.表6膠粉細度對于高溫穩定性的影響Tab .6Influence of crumb rub ber size /gradationson high -temperature膠粉目數車轍試驗組數動穩定度/(次mm -1變異系數/%20317321560319737803168716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組常規車轍試驗,試驗結果見表7

22、.表7膠粉摻量對于高溫穩定性的影響Tab .7Influence of crumb rub ber content onhigh -temperature perfo rmance膠粉摻量(質量分數/%車轍試驗組數動穩定度/(次mm -1變異系數/%173331218199389412可以看出,膠粉摻量(質量分數從17%增加到19%,混合料的動穩定度增加了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

23、轉粘度快速增長.筆者在橡膠瀝青高溫性能評價標準的試驗研究中發現,橡膠瀝青混合料的動穩定度與橡膠瀝青的177粘度之間具有良好的線性相關性(見圖3.據 圖3旋轉粘度與動穩定度的試驗關系(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 differen

24、t cru mb ru bb er c onten ts參數膠粉摻量(質量分數/%12161820旋轉粘度/(Pa s 1.301.902.008.103級配、油石質量比及空隙率對于高溫穩定性的影響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(質量分數為19%.考慮到基質瀝青對于混合料高溫穩定性的影響很小,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,根據各自的目標空隙率確定了最佳油石質量比.45組常規車轍試驗的結果見表9所示,對比情況見圖4.在最佳油石質量比的情況下,5種不同級配

25、混合料常規動穩定度測試結果的變異系數為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,另一方面說明間斷級配與連續級配相比,高溫穩定性并沒有明顯的優勢,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定性的一般要求.表9不同級配對于高溫穩定性的影響Tab .9Influence of grad ation on high -temperatureperfo rmance級配類型車轍試驗組數空隙率/%油石質量比/%動穩定度/(次mm -1變異系數/%AC -1334.07.337756AR -AC -13粗305.48.03776

26、16AR -AC -13中65.48.0372517AR -AC -13細35.48.234809SMA -1334.07.041687為了進一步分析級配對于高溫穩定性的影響,研究中進行了不同級配情況下混合料常規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%,基質瀝青統一為加德士1026第7期黃衛東,等:橡膠瀝青混合料高溫穩定性影響因素試驗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

27、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定度的下降幅度很大(僅略好于AC -13,主要是由于其油石質量比大大低于最佳油石質量比(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定度的下降幅度最小,原因可能與瀝青膜的厚度有關系.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不同級配對于動穩定度的影響對比Fig .4Dynamic stability compariso n und erdifferent grad

28、atio ns表10不同級配混合料常規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1油石質量比/%動穩定度(常規車轍/(次mm -1動穩定度(浸水車轍/(次mm -1變異系數1/%動穩比值AC -133/37.337759986/63.78AR -AC -13粗3/35.0439*/103.65AR -AC -13中3/38.0348717397/102.01SMA -133/37.0416815207/5

29、2.74注:1“/”左側為常規車轍試驗的數據,右側為浸水車轍試驗的數據. 圖5不同級配常規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油石質量比的影響在油石質量比的影響分析中,膠粉選擇上海20目(摻量(質量分數為19%,級配形式為AR -AC -13粗,基質瀝青為加德士70#,油石質量比選擇了包括最佳油石質量比在內的6種,共進行了21組常規車轍試驗,結果見表11,油石質量比變化趨勢擬合曲線見圖6.混合料的動穩

30、定度隨著油石質量比的增加基本上表現為線性下降的趨勢,而且相關性很好.如果以動穩定度大于2800次mm -1控制混合料的最大表11油石質量比對于高溫穩定性的影響Tab .11Influence of asphalt -stone ratio o nhigh -temperature perfo rmance油石質量比/%車轍試驗組數動穩定度/(次mm -1變異系數/%5.034395108.06386048.33338778.63315989.032766610.0316356圖6油石質量比變化趨勢擬合曲線Fig .6Fitting curve for variatio n o f asphal

31、t -sto ne ratio油石質量比,則對于本試驗的材料和工藝條件,最大油石質量比建議小于8.9%.從油石質量比對于動穩1027 1028 同 濟 大 學 學 報( 自 然 科 學 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 動穩定度而降低油石質量比( 假定因油石質量比變 化引起混合料其他性能的衰減仍處于可接受的范圍 之內 , 那么 , 當油石質量比低于最佳油石質量比時 , 因油石質量比降低引起動穩定度增長的斜率遠小于 油石質量比大于最佳油石質量比的階段 , 兩個階段 動穩定 度 受 油石 質 量 比 變 化的 影 響 斜 率 比值 為 1 6. 5 , 因此 ,

32、這種做法并不“ 經濟” . 3. 3 空隙率的影響 對于空隙率對于動穩定度 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 瀝 青 為 加 德 士 70 # , 摻 量 ( 質 量 分 數 為 19 %, 共進行了 15 組常規車轍試驗 , 結果見表 12 和 圖 7 所示 . 可以看出 , 與其他改性瀝青混合料相似 , 動穩定度隨著空隙率的增加而下降 , 而且下降幅度 比較明 顯 , 并 隨著 級配 形式 的不 同 而存 在一 定的 差異 . 表 12 空隙率對于高溫穩定性的影響 Tab . 12Influence of air void o

33、n high -temperature performance 級配形式 空隙率/ 車轍試驗 油石質量 動穩定度/ 變異系 % 組數 比/ % ( 次 mm -1 數/ % 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 %; 受膠粉性質的影響則非常顯著 , 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 合理控制膠粉的摻量 . ( 2浸水車轍對比試

34、驗結果表明 , 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 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 合料的高溫穩定性受油石質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 量比 小于 8. 9 %. 由于試驗數量的限制 , 研究成果尚待進一步試 驗和現場實際的驗證與修正 . 作為試驗 , 研究成果對 橡膠瀝青混合料的實際應用僅作為技術參考 . 參考文獻 : 1 王旭東 , 李美 江 , 路 凱 冀 . 橡 膠 瀝青 及 混 凝 土 應 用 成 套 技 術 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 fo