橡胶沥青技术的推广应用对于解决日益严重的废旧轮胎“黑色污染”问题有十分积极的现实意义。然而,橡胶沥青具有粘度高、不易压实、现场施工难度大的特点,制约着橡胶沥青路面技术的发展与应用[1-3]。分析其原因,一是橡胶沥青的粘度高,易造成工作性能差;二是胶粉颗粒具有弹性特征。在压实过程中,胶粉颗粒与集料颗粒协同受力,同时承受压实荷载的作用。对于普通混合料的细集料是通过排列位置的重布以形成密实结构,而橡胶沥青结合料中的胶粉颗粒则通过自身变形来响应压实荷载。
荷载卸载后,这种变形不同程度得到恢复,橡胶颗粒与集料的级配就将发生不可忽略的干涉效应。另外,没有完全溶入到沥青中的胶粉颗粒在混合料中所起的作用很复杂,由于橡胶沥青混合料模量低,回弹变形较大,即使碾压成型后,胶粉颗粒在混合料中仍然会发生溶胀,如果混合料的空隙不足以容纳其溶胀,这种作用将对混合料的级配有干涉作用,影响橡胶沥青混合料的压实效果,从而影响其路用性能[4-8]。
为此,本文基于上述胶粉颗粒的粒子干涉效应,通过设计正交试验,研究不同的胶粉目数对橡胶沥青混合料体积参数的影响,即研究胶粉目数对橡胶沥青混合料的粒子干涉作用,并通过分析干涉作用产生的条件,提出橡胶沥青混合料级配设计的关键控制要点,为橡胶沥青混合料配合比设计提供优化方法。
粒子干涉效应 粒子干涉理论提出者C.A.G.Weymouth研究认为,为达到最大密实度,前一级颗粒之间孔隙,应由下一级颗粒所填充并以此规律迭代,其填充原则为填隙的颗粒粒径(d)小于等于其上级颗粒间隙距离(t),否则大小粒子之间则会发生干涉,[11]如图1所示。 已往研究通常将橡胶沥青考虑成一个整体,或单纯将其视为结合料进行研究,忽略了胶粉颗粒的客观存在及属性特点。事实上,橡胶沥青混合料是一种三相体系:胶粉颗粒-沥青-集料。虽然目前多采用“湿法”将基质沥青与胶粉颗粒提前进行融合,但是胶粉颗粒仍对集料的级配有干涉作用,从而对压实产生较大的影响[9-12]。橡胶沥青中胶粉颗粒的比例通常大于15%,以油石比7%进行估算,则在质量上有约1.0%的比例为胶粉颗粒。胶粉相对密度取值1.2,矿料相对密度取均值2.7,因此橡胶颗粒体积比例约为3%。如此大的体积比例若被忽略或没有与级配进行协同考虑,极易造成颗粒难以填充,宏观层面则表现为混合料的压实难度增大。 因此,在级配设计时,应充分将胶粉所占体积比例纳入整体级配曲线设计。干涉作用是指次级粒子对上级粒子形成密实结构的影响作用。具体分析时,可将胶粉颗粒视为次级粒子,并根据胶粉颗粒的体积确定同级与上级粒子,当胶粉颗粒的直径小于上级粒子的间隙时,则干涉作用微弱,易于成型。为此,应首先确定与橡胶沥青胶粉颗粒发生干涉作用明显的同级粒子,而对湿法工艺的橡胶沥青技术而言,胶粉含量是不得随意更改的。因此,为了最大程度减小干涉作用,在级配设计时应严格控制该范围内集料的用量比例。 由橡胶颗粒与沥青的反应机理可知[13],橡胶颗粒与沥青主要进行3种相互作用:溶胀-裂解-脱硫,在这3种作用中,溶胀效果最为显著。橡胶粉在加入基质沥青后,体积发生较大膨胀,其溶胀后体积可达原体积的1.5~3倍。因此,在应用粒子干涉理论进行分析时,应将橡胶颗粒的溶胀作用考虑在内,即控制橡胶颗粒溶胀后粒径所对应的同级粒子用量比例。20目、40目与80目胶粉干涉区间与细集料分档如表1所示。其中80目胶粉的颗粒肉眼几乎不可见,可以忽略胶粒的干涉作用,后续的研究也验证了该结论。 在级配设计试验过程中,对应具体目数胶粉的橡胶沥青,必须考虑其干涉区间。对干涉区间进行高比例、中比例与低比例设计,除干涉区间之外,对9.5mm档、4.75mm档通过率也应进行不同程度的限制。为了简化试验过程,减少试验次数,特设计正交试验。 试验设计 原材料 (1)橡胶沥青 过高目数的胶粉虽然物理稳定性较好,但是化学稳定性较差,容易发生裂解,且生产成本高、弹性较差[14]。根据橡胶沥青混合料对于结合料的要求,一般选取粘度较高且容易施工的橡胶沥青,目数通常为20目~80目。本文所使用的橡胶沥青,其胶粉种类采用斜交胎,目数为20目、40目、80目,基质沥青为道路A级70号基质沥青,胶粉与基质沥青掺加比例为18∶82。其中20目与40目橡胶沥青实验室制备工艺为180℃下低速搅拌1h,80目橡胶沥青为成品沥青,其工业制备工艺为175℃下高速剪切35min+低速搅拌45min,并添加橡胶沥青稳定剂,具体的性能指标如表2所示。 (2)集料及填料 玄武岩质地坚硬,与橡胶沥青配伍性较好。本文选取优质玄武岩作为粗集料,其压碎值为12. 9%,洛杉矶磨耗损失为13. 1%,针片状颗粒含量为4. 2%。考虑混合料的水稳定性,细集料选用石灰岩轧制的机制砂。填料为石灰岩矿粉。粗细集料与矿粉的相对密度如表3 所示。 级配 对于橡胶沥青的级配而言,有诸多关键的筛孔通过率需要控制。在进行配合比设计时,面临多影响因素、多水平(各档骨料用量比例),本研究考虑引用正交试验方法,通过“正交表”进行试验设计,如表4所示。 本文涉及的配合比正交试验的影响因素简化为:橡胶沥青种类(胶粉目数),0.6mm~2.36mm、2. 36mm~4.75mm比例,9.5mm通过率。 表4中设计了12种级配,20目橡胶沥青对应7种级配,40目对应3种,80目对应2种。每种级配的设计特点如下: 1)级配A、B、C 20目胶粉颗粒溶胀后主要与集料中的2.36mm~4.75mm发生干涉作用,该档用量的比例会直接影响混合料的各项体积指标。A、B、C三种级配分别对应高、中、低比例(5%、8%、10%)。该级配为SMA13型,传统SMA混合料以矿粉与沥青形成沥青玛蹄脂,而橡胶沥青SMA则在骨料之间形成橡胶玛蹄脂。在AR-SMA中不使用纤维,矿粉含量与传统SMA相比含量较低。 2)级配D、E、F 此3种级配为SMA16型,设计初衷在于验证9.5mm以上粗集料的骨架作用。其余档通过率与A、B、C三种相同。 3)级配G、H 40目胶粉颗粒溶胀后主要与集料中的0.6mm~2.36mm档发生干涉作用,该档用量的比例会直接影响混合料的各项体积参数。G、H两种级配分别对应高、低比例(12%、7%)。 4)级配I、J 此2种级配为矿粉含量为0的断级配橡胶沥青级配,相比前几种级配,I与J有2点明显不同:(1)不添加矿粉,单纯依靠橡胶沥青进行填隙达到密实;(2)并未对关键档(2.36mm~4.75mm)含量比例加以限制。 5)级配K、L 此2种级配为常规连续密集配,针对80目颗粒橡胶沥青设计,一种偏粗一种偏细。由于80目胶粉的溶胀程度有限,其成品橡胶沥青中的颗粒微不可见,干涉作用十分微弱,且从表2橡胶沥青性能参数中分析可见,该沥青的性能更加贴近于SBS沥青而并非橡胶沥青,因此考虑采用连续级配。 通过对上述各级配的说明可知,本文设计12种级配的思路与以往级配研究略有差异。以往研究多以通过率作为约束条件,通过更改通过率水平加以横向研究,而本文以某一档含量为约束条件,通过调节某档含量比例进行分析。转换研究视角的原因为橡胶颗粒不仅是构成橡胶沥青的主要成分,更是直接参与构成沥青混合料,形成三相体系;胶粉颗粒的干涉作用范围并非广谱,而十分具有针对性,仅对某一粒径范围(干涉区间)的集料具有干涉作用,因此将“通过率”转换为“含量比例”有一定必要性。 最佳油石比 进行配合比设计时,试件的拌和时间为180s+90s,拌和温度为180℃。为在集料表面形成均匀的橡胶沥青胶浆,拌和时加入矿粉。在拌和结束后,为模拟沥青摊铺过程中的老化现象,将混合料置于盛料盘中,均匀摊铺,平均厚度小于5cm,并将盛料盘置于环境温度为175℃的烘箱中静置2h,然后再进行击实成型。成型好的试件静置24h后脱模,按照JTGE20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》[15]相关规定测定体积参数。混合料最大理论密度采用计算法测定,毛体积密度采用网篮法测定。通过沥青混合料体积参数方法确定各级配的最佳油石比。 试验结果与分析 各级配最佳油石比下的混合料体积参数试验结果如表5所示。 针对表5中的试验数据进行如下分析: 1) 对于20目橡胶沥青,2.36mm~4.75mm档含量比例对体积参数与最佳油石比影响显著,如图2 所示。由图2可知,在保持固定油石质量比为6.8%条件下,橡胶沥青混合料的空隙率随着该档含量的增加而显著增加,证明该档集料与20目胶粉体积溶胀后干涉作用明显。当2.36mm~4.75mm档含量比例超过12%时,最佳沥青含量接近8%,空隙率为4.5%且出现“油石比-空隙率”平台,即油石比的进一步增大并不能导致空隙率的下降。因此,对于20目胶粉橡胶沥青,应该严格控制2.36mm~4.75mm档含量,用量不宜过高。 2)对于40目橡胶沥青,0.6mm~2.36mm档含量比例对体积参数与最佳油石比影响显著,如图2 所示。由图3可知,在保持固定油石质量比为6.3%条件下,橡胶沥青混合料的空隙率随着该档含量的增加而增加,证明该档集料与40目胶粉体积溶胀后干涉作用显著。 3)对比图2与图3,不同目数的橡胶沥青,胶粉颗粒的干涉区间有较大区别,对混合料体积参数影响的粒径范围也不同。因此,在进行混合料级配设计时,一定要将胶粉目数与橡胶沥青中胶粉体积比例作为重要考虑因素,将胶粉的含量作为集料级配的组成部分考虑,而仅非沥青成分,要将干涉作用由集料范围扩展至结合料范围,以“胶粉目数”为核心进行橡胶沥青设计。 4)结合表2可知,在相同制备条件与掺量的情况下,40目胶粉的布氏粘度明显高于20目胶粉。但表5中的数据显示,40目橡胶沥青混合料的压实难度低于20目胶粉。由此可见,橡胶沥青的难以压实并非由宏观粘度高单一因素所致,更大程度上是由于胶粉颗粒的客观存在与胶粉的高弹性综合效应的结果。 5)D、E、F三类混合料的设计结果表明,在增加9.5mm~13.2mm与13.2mm以上集料比例后,混合料在较低的油石比条件下便可形成较低的空隙率,同时矿料间隙率增大,由此可证明其级配的骨架作用。 6)SMA级配混合料比AR-AC混合料油量更少,且空隙率低。矿粉的使用并未对细集料产生过多干涉作用,相反,矿粉使结合料的粘结性增强,并起到一定的填充作用,促进空隙率降低,最终达到“减油”的目的。矿粉对混合料的作用如图4所示。由图4可知,矿粉对于普通橡胶沥青混合料主要有2大作用:1)粘结作用,参与沥青胶浆形成,使矿料表面覆盖结构沥青比例增加,油膜增厚,宏观上体现为沥青用量的增加;2)填充作用,作为集料的一部分参与填充混合料空隙,致使空隙率降低,最终使沥青用量减少。以上2种作用所致的结果相互矛盾但均客观存在,最终沥青用量的确定是2种作用平衡的结果。对于橡胶沥青混合料,诸多学者认为胶粉颗粒与矿粉存在干涉作用,会导致空隙率的增加,然而通过I、J两组级配的试验结果分析表明,这种干涉作用并不明显。 7)分析80目橡胶沥青混合料的体积参数可知,最佳油石比和体积技术参数与SBS改性沥青的性能较为相似。因此,对于高目数橡胶沥青,胶粉颗粒对混合料体积指标的影响较小,说明高目数的胶粉颗粒与集料的干涉作用非常小,可忽略不计。
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