废旧轮胎橡胶粉对沥青混凝土高温稳定性的改善研究

雷敬伟,边晓明,刘 涛

(1.葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌 443002；2.湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司,武汉 430071)

交通运输水平与国家经济发展息息相关，而便捷、发达的道路网络是改善交通运输水平的前提条件。我国的路网密度还较低，在未来很长一段时间，将仍然以公路的新建和养护为主。沥青路面因具备平整度高、行车舒适、路用性能好、维修养护方便等优势[1]，在高等级公路面层建设中被普遍采用。

虽然沥青路面具有诸多优势，但其仍然存在一些性能上的问题，例如在炎热地区沥青路面易出现车辙、拥包等永久变形破坏[2]。这主要是因为沥青是一种温敏性材料，沥青路面由沥青混凝土铺筑而来，虽然沥青在沥青混凝土中所占的比例很小，一般不超过5%，但其对沥青路面性能的影响非常显著。沥青常温下以固体状态存在，但随着路面温度的升高，沥青逐渐向液态转化，成为可流动态。当路面长时间暴露在高温环境下，加之车载的持续作用，路面将会出现车辙、拥包等不可恢复的永久变形，威胁到路面行车安全。因此改善沥青混凝土的高温稳定性对于提高炎热地区沥青路面的行车安全、服役耐久性具有重要意义。

同时，道路建设对资源存在高消耗的特点，如不可再生的天然石材、沥青等。开发适用于道路建设的天然资源替代材料也是目前研究的热点，例如将钢渣、建筑废弃物、废旧橡胶等一些固体废弃物循环利用于道路建设中[3-5]。这样一方面可实现道路对废弃物的高效消纳，另一方面消除废弃物堆积对环境的破坏，对经济、环保等方面都十分有益处。废旧轮胎也是一种典型的大宗废弃物，其是一种聚合物材料，目前有很多采用聚合物改善沥青混凝土路用性能的研究，尤其是混凝土的高温稳定性。这为采用废弃轮胎改善沥青混凝土高温稳定性提供了理论上的可行性。

基于此，研究的主要目的是确定废旧轮胎对沥青混凝土高温稳定性的改善效果。首先将废旧轮胎制备成橡胶粉，在确定主要原材料基本性能指标的基础上，通过车辙试验和动态蠕变试验研究废旧轮胎橡胶粉对沥青混凝土高温性能的影响。

1 原材料

研究中粗集料和细集料均采用玄武岩，填料采用石灰岩磨制的矿粉。按照《JTG E42—2005公路工程集料试验规程》[6]检测集料和填料的基本性能指标，测试结果如表1～表3所示。另外，研究中还使用到废胶粉和AH-90基质沥青。废胶粉通过研磨废旧轮胎获得，废胶粉颗粒约60-80目。通过湿法改性将废胶粉首先掺入到AH-90基质沥青中，制备成废胶粉改性沥青，废胶粉的掺量为AH-90基质沥青的20%。按照《JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[7]测试废胶粉改性沥青的基本性能指标，测试结果如表4所示。表1～表4数据表明研究中所用原材料的基本性能指标均满足要求。

表1 粗集料基本性能指标

表2 细集料基本性能指标

表3 填料基本性质指标

表4 废胶粉改性沥青基本性能指标

2 试验方法

按照标准马歇尔设计方法设计沥青混凝土，混凝土的级配类型为AC-13C。粗集料、细集料以及填料在矿质混合料中的占比分别为50%、46%和4%，合成级配曲线如图1所示。按照设计结果拌合沥青混凝土，制备车辙试验和动态蠕变试验用试件。车辙试验采用300 mm长、300 mm宽和50 mm厚的板状试件进行，板状试件通过轮碾成型设备制得。动态蠕变试验采用的是直径和高度均为100 mm的圆柱体试件，通过对双层板状压实试件进行钻芯操作获取。

车辙试验过程：试验温度为60 °C，试验前将板状试件置于试验温度下保温4 h以上。试验时，50 mm宽的钢轮在板状试件表面沿中心线区域往复碾压，轮碾压力为0.7 MPa，碾压速度为42 次/min。单次测试时间为1 h，通过式(1)计算沥青混凝土的动稳定度

(1)

式中，DS为动稳定度，次/mm；l60和l45是单次测试中钢轮碾压时间分别为60 min和45 min时，板状试件轮迹带的深度，mm。

动态蠕变试验过程：试验温度也为60 °C，同样试验前将圆柱体试件置于试验温度下保温4 h以上。试验时通过万能试验机对试件进行加载，研究选用的荷载为100 kPa、200 kPa和300 kPa，加载周期为1 Hz，采用半正弦波的加载方式，加载0.1 s，间歇0.9 s。动态蠕变试验中，随着荷载作用次数的增加，试件的累积应变增长速率会经历三个阶段。第一阶段，应变增长速率先增加后减少，第二阶段应变增长速率恒定，第三阶段应变增长速率快速增加致使试件的累积应变短时间快速上升，试件失去稳定性。而在第三阶段开始前，试件依然能保持稳定，因而可用第三阶段起点对应的荷载加载次数(流动值)来反映沥青混凝土的高温抗永久变形能力。

3 结果与讨论

沥青混凝土的车辙试验结果如图2所示。从图2中可以看出，采用基质沥青制备的混凝土和采用废胶粉改性沥青制备的混凝土并未表现出一致的抗车辙变形能力。具体来看，随着轮碾时间的延长，基质沥青混凝土的动稳定度表现出持续下降的趋势，经过3 h的轮碾破坏，动稳定度从3 800 次/mm下降到2 500 次/mm。说明高温对基质沥青混凝土抗车辙变形能力的削弱是非常严重的。对于废胶粉改性沥青混凝土，情况则大为不同，随着轮碾时间的延长，动稳定度呈现先增加后下降的趋势。在相同的试验时间下，废胶粉改性沥青混凝土的动稳定度总高于基质沥青混凝土，且两者的差值越来越大，经过3 h的轮碾破坏后，废胶粉改性沥青混凝土的动稳定度比基质沥青混凝土高了接近100%。说明废胶粉改性沥青对沥青混凝土抗车辙变形能力的改善是非常显著的。至于废胶粉改性沥青混凝土的动稳定度随试验时间的延长出现上升的现象，有可能是废胶粉改性沥青混凝土车辙试验试件初始状态未压实，经历1 h的持续轮碾后，试件更加密实，抵抗高温变形的能力得以强化，因而在第2 h的车辙试验中动稳定度表现为增加。

沥青混凝土的动态蠕变试验结果如图3所示。从图3中可以看出，随着加载应力水平的提高，基质沥青混凝土和废胶粉改性沥青混凝土抗蠕变破坏的能力表现出相似的变化规律，两者的流动值均持续下降。但基质沥青混凝土的流动值下降更快，当荷载水平从100 kPa提高到300 kPa，基质沥青混凝土的流动值下降了约51.5%，而相同试验条件的废胶粉改性沥青混凝土，该值只下降了40.9%。且任意相同荷载水平下，废胶粉改性沥青混凝土的流动值总高于基质沥青混凝土，这一差值随着荷载水平的增加进一步拉大，当荷载水平达到300 kPa时，废胶粉改性沥青混凝土的流动值比基质沥青混凝土高出了68.9%。

4 结 论

车辙试验以及动态蠕变试验结果表明，废旧轮胎橡胶粉对沥青混凝土高温抗变形性能的改善效果非常显著，尤其是在沥青混凝土路面遭受高温和重载交通持久破坏时，废胶粉仍能使沥青混凝土的高温稳定性保持在较好的水平。同时，将废旧轮胎橡胶粉循环应用于沥青混凝土中，对于资源综合利用和环境保护也具有重要的意义。