ABSTRACT

The modified asphalt, which is made by grinding the waste tire into rubber powder, can not only improve the road performance of asphalt pavement, but also save resources and protect the environment. In order to further analyze the influence of rubber powder fineness on the performance of asphalt and warm mix asphalt mixture, the influence of rubber powder fineness of 40 mesh, 60 mesh, 80 mesh and mix mesh on the three major indexes of asphalt and the road performance of mixture was studied based on the indoor test. The results show that with the increase of the fineness of rubber powder, the penetration and ductility of modified asphalt increase gradually, and the softening point decreases gradually; the high-temperature stability of asphalt mixture decreases gradually, the low-temperature crack resistance and water stability increase first and then decrease, and the comprehensive performance of modified asphalt and mixture made of rubber powder with certain gradation is more stable. The performance difference between hot mix asphalt mixture and warm mix asphalt mixture is analyzed. The results show that warm mix technology can significantly improve the high-temperature stability of the mixture, the low-temp- erature crack resistance of the mixture is also slightly improved, but the influence on the water stability of the mixture is not obvious.

Keywords:Rubber Powder Fineness, Modified Asphalt, Warm Mix Technology, Asphalt Mixture

橡胶粉细度对沥青及温拌沥青混合料性能影响研究

常志宏¹，王冲¹，常浩²，董昭³，徐书东³，柳久伟³

¹山东高速股份有限公司，山东 济南

²东营交通发展集团有限公司，山东 东营

³山东省交通科学研究院，山东 济南

收稿日期：2020年4月15日；录用日期：2020年5月5日；发布日期：2020年5月12日

摘 要

由废旧轮胎磨成橡胶粉制备的改性沥青不仅能够显著提高沥青路面的路用性能，而且可以节约资源保护环境。为进一步分析橡胶粉细度对沥青及温拌沥青混合料性能的影响规律，基于室内试验分别研究了40目、60目、80目、混合目橡胶粉细度对沥青三大指标及混合料路用性能的影响。研究表明随橡胶粉细度的增大，改性沥青针入度和延度值逐渐增大，软化点逐渐减小；沥青混合料高温稳定性逐渐降低，低温抗裂性和水稳定性先增大后减小，由一定级配组成的混合目橡胶粉制备的改性沥青及混合料综合性能更稳定。分析了热拌沥青混合料及温拌沥青混合料的性能差异，研究表明采用温拌技术可以显著提高混合料的高温稳定性，混合料的低温抗裂性也有小幅度提升，而对于混合料的水稳定性则影响不明显。

关键词 :橡胶粉细度，改性沥青，温拌技术，沥青混合料

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

随着社会经济的迅速发展，国家越来越重视生态环保和资源节约型社会的建设，废旧轮胎被称为“黑色污染”，大量堆积不仅造成资源的浪费，还破坏了生态环境，与社会发展理念相悖。近年来研究学者提出将废旧轮胎磨成橡胶粉制备橡胶粉改性沥青应用于道路工程，研究表明橡胶粉沥青作为一种新型的道路材料可以显著提高沥青混合料的路用性能 [1] [2] [3]。此外，传统的热拌沥青混合料不仅施工温度高、对能耗需求大、温室气体排放量大而且施工过程中由于温度过高，易导致沥青的老化，影响沥青混合料的路用性能 [4] [5] [6]。由此而生的温拌沥青混合料技术越来越受到人们的关注，温拌技术可以有效改善沥青混合料的施工和易性，使沥青混合料在较低温度条件下拌和、摊铺及压实，实现节能减排的目的 [7] [8] [9] [10] [11]。

针对温拌胶粉改性沥青王岚 [12] 分析了表面活性剂掺量对橡胶粉改性沥青高低温流变特性的影响规律，提出表面活性剂掺量为0.6%时，对胶粉改性沥青的低温性能影响最小，高温性能最佳；张山钟 [13] 通过布氏黏度试验、延度试验、软化点试验分析了温拌剂种类和橡胶粉细度对胶粉改性沥青粘温性能、高低温性能的影响规律；单鸣宇 [14] 通过低温小梁弯曲蠕变试验分析了盐冻融循环作用下温拌工艺对橡胶粉改性沥青混合料低温抗裂性能的影响；林晓光 [15] 通过动态剪切流变试验和低温弯曲梁流变试验分析了胶粉细度和掺量对胶粉改性沥青高低温流变性能的影响规律。基于上述研究成果，论文主要针对橡胶粉细度对橡胶粉改性沥青和温拌沥青混合料路用性能的影响规律进行研究，推荐合理的橡胶粉细度，为橡胶粉改性沥青的推广应用提供技术支撑。

2. 原材料选择及试验方法

2.1. 沥青

论文所用沥青为重交70#基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 [16] 进行相关试验，沥青主要技术指标如表1所示。

表1. 70#基质沥青试验结果

2.2. 集料

为保证沥青混合料良好的路用性能，论文选用强度较高、磨耗性好、磨光值较小的玄武岩作为原材料，按照《公路工程集料试验规程》 [17] 进行相关试验，测试各技术指标如表2所示。

表2. 集料物理技术指标

2.3. 橡胶粉沥青改性工艺

为进一步分析橡胶粉细度对改性沥青性能的影响规律，论文分别选取细度为40目、60目、80目、混合目(将20目、40目、60目、80目的橡胶粉按照一定的比例混合得到)的橡胶粉按照20%的掺量加入到基质沥青中，制备橡胶粉改性沥青。

制备方法：先将基质沥青放入145℃的烘箱中融化，然后将沥青加热到180℃，将橡胶粉按比例加入到基质沥青中，并在加入橡胶粉的过程中不断搅拌，使橡胶粉充分分散到沥青中，然后开动剪切机先以低速1000 r/min剪切5 min，再以高速5000 r/min剪切60 min，剪切过程中，保持沥青温度为180℃，最后将剪切好的沥青放入180℃的烘箱中发育60 min，进一步消除剪切过程中产生的气泡。

3. 橡胶粉细度对沥青性能影响分析

分别将40目、60目、80目、混合目的橡胶粉按照沥青质量的20%掺量加入到基质沥青中，按照改性工艺制备橡胶粉改性沥青，并对制备的改性沥青进行三大指标(针入度、延度、软化点)试验，每组橡胶粉改性沥青进行三组平行试验，取平均值作为试验结果分析值。试验结果见图1~3。

由图1可知，橡胶粉改性沥青针入度随橡胶粉细度的增大逐渐增大，混合目的针入度介于60目与80目之间。主要是因为将橡胶粉加入沥青中后，橡胶粉改性剂发生膨胀，且橡胶粉细度越大，粒径越小，橡胶粉改性剂越易溶于沥青中形成流动状态。

由图2可知，橡胶粉改性沥青的软化点随橡胶粉细度的增大逐渐减小，混合目的软化点介于40目与60目之间。主要是因为橡胶粉改性剂的存在增强了沥青与橡胶粉间的抗剪切强度，使沥青的软化点升高，高温性能增强，但橡胶粉细度越大越易溶于沥青中，沥青与橡胶粉间的剪切强度逐渐减小，改性沥青软化点也相对降低。

图1. 橡胶粉细度对针入度的影响

图2. 橡胶粉细度对软化点的影响

图3. 橡胶粉细度对延度的影响

由图3可知，橡胶粉改性沥青的延度随橡胶粉细度的增大逐渐增大，混合目的延度最高。主要是因为橡胶粉改性剂的存在，造成沥青流动性降低，导致沥青变得更硬更脆，低温延度降低。随橡胶粉细度的增大，橡胶粉更易溶于沥青中，沥青流动性增强，低温性能提高。

综上可知，混合目橡胶粉改性沥青由于改性剂是按照一定级配将不同细度的橡胶粉掺配在一起，其针入度、软化点、延度均接近于不同细度橡胶粉改性沥青的高值，表明混合目橡胶粉改性沥青既有良好的高温性能又具有良好的低温性能，其综合性能最好，性能最稳定。

4. 橡胶粉细度对沥青混合料性能影响分析

4.1. 级配设计

为进一步分析橡胶粉细度对沥青混合料的影响规律及温拌沥青混合料与热拌沥青混合料的性能差异，论文设计AC-16级配沥青混合料，对比分析不同橡胶粉细度条件下混合料的路用性能。设计级配如表3所示，级配曲线见图4。

表3. AC-16混合料设计级配

4.2. 混合料路用性能

根据《公路工程沥青路面施工技术规范》 [18] 采用马歇尔试验法确定沥青混合料最佳沥青用量。为进一步分析不同橡胶粉细度条件下热拌沥青混合料与温拌沥青混合料间的性能差异，论文分别进行了温拌沥青混合料试验及热拌沥青混合料试验。参考国内外研究成果，确定热拌沥青混合料拌合温度通常为185℃，击实温度为170℃。对于温拌沥青混合料，通过加入0.6%的表面活性温拌剂以达到降低混合料成型温度的目的，结合室内试验及选用温拌剂特性确定混合料拌合温度为160℃，击实温度为140℃。

论文分别通过车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对混合料的路用性能进行评价。试验结果如图5~7所示。

由图5可知，随橡胶粉细度的增大，沥青混合料动稳定度逐渐降低，混合目的橡胶粉沥青混合料动稳定度最大。主要是由于橡胶粉溶于沥青中，与沥青发生溶胀反应，形成链状和网状结构，改善了沥青的流变性能。随橡胶粉细度的增大，与沥青接触的表面积越大，橡胶粉不能完全溶于沥青中，多余的橡胶粉简单的分散在沥青中，造成沥青性质不稳定，高温稳定性降低。

由图6可知，随橡胶粉细度的增大，沥青混合料低温弯曲破坏应变先增大后减小，混合目的橡胶粉沥青混合料低温弯曲破坏应变介于60目与80目间。主要是由于橡胶粉溶于沥青增加了沥青的塑性变形能力，沥青劲度增加，在低温条件下混合料的抗变形能力增强；橡胶粉细度主要影响着橡胶粉与沥青接触的表面积大小，当橡胶粉细度为60目时，表明橡胶粉溶于沥青较为充分，同时又没有剩余的未溶解橡胶粉影响沥青的性能，此时混合料具有较好的低温抗裂性能。

图4. AC-16混合料级配曲线

图5. 高温稳定性能

图6. 低温抗裂性能

图7. 水稳定性能。(a) 浸水马歇尔试验；(b) 冻融劈裂试验

由图7可知，随橡胶粉细度的增大，混合料浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈先增大后减小的趋势，表明混合料水稳定性随橡胶粉细度的增大先增大后减小，混合目橡胶粉沥青混合料水稳定性最好。主要是由于橡胶粉溶于沥青中增加了沥青的粘度，集料表面沥青膜厚度增加，混合料间粘附性增强，水分不易侵入石料表面，混合料抗水损坏能力增强。随橡胶粉细度的增加，橡胶粉与沥青接触比表面积增大，部分橡胶粉不能完全溶于沥青中，造成沥青粘稠度增加，混合料施工和易性减弱，沥青对石料裹附性降低，混合料的抗水损害能力减弱。

综上可知，相比于传统的热拌沥青混合料，采用温拌技术可以显著提高混合料的高温稳定性，混合料的低温抗裂性也有小幅度提升，而对于混合料的水稳定性影响不明显。主要是由于温拌技术改善了沥青混合料的施工和易性，使混合料在较低的温度条件下即可达到规定的密实度，降低了沥青的老化现象，增强了沥青的劲度及塑性变形能力，使混合料具有更强的高温抗车辙能力及低温抗开裂能力。

此外，采用混合目橡胶粉改性沥青制备的混合料其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均优于单细度橡胶粉沥青混合料，表明按照一定级配设计的混合目橡胶粉改性剂更易与沥青发生溶胀反应，使橡胶粉改性剂充分溶于沥青中，保证混合料的性能稳定性。

5. 结语

(1) 基于室内试验，分析了橡胶粉改性沥青制备工艺，提出了橡胶粉改性沥青的制备方法。

(2) 随橡胶粉细度的增大，改性沥青针入度和延度值逐渐增大，软化点逐渐减小，按照一定级配组合而成的混合目橡胶粉制备的改性沥青兼具良好的高温性能和低温性能，其综合性能最稳定。

(3) 相比于传统的热拌沥青混合料，采用温拌技术可以显著提高混合料的高温稳定性，混合料的低温抗裂性也有小幅度提升，而对于混合料的水稳定性影响不明显。

(4) 随橡胶粉细度的增大，沥青混合料高温稳定性逐渐降低，低温抗裂性和水稳定性先增大后减小；采用混合目橡胶粉改性沥青制备的混合料其路用性能均优于单细度橡胶粉沥青混合料，推荐制备橡胶粉改性沥青或橡胶粉沥青混合料时应优选混合目橡胶粉改性剂。

文章引用

常志宏,王 冲,常 浩,董 昭,徐书东,柳久伟. 橡胶粉细度对沥青及温拌沥青混合料性能影响研究
Study on the Influence of Rubber Powder Fineness on the Performance of Asphalt and Warm Mix Asphalt Mixture[J]. 土木工程, 2020, 09(05): 433-441. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.95046

参考文献