废橡胶颗粒改性沥青混合料的设计与性能

1、第8卷第5期2005年10月建筑材料学报J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol.8,No.5Oct.,2005收稿日期:2004-09-23;修订日期:2004-12-27作者简介:曹卫东(1972-,男,山东人,山东大学讲师,同济大学博士生.1California Depart ment of Transportation.Asphalt rubber usage guide.2003,1.文章编号:1007-9629(200505-0562-05废橡胶颗粒改性沥青混合料的设计与性能曹卫东1,2,周海生1,吕伟民1(1.同济大学交通运输学院,上海2000

2、92;2.山东大学土建与水利学院,山东济南250061摘要:介绍了废橡胶颗粒在沥青路面中的应用技术,指出废橡胶颗粒干法改性沥青混合料存在力学强度不高、压实困难和压实后出现膨胀的技术难题.为此,从密实断级配沥青混合料的力学强度分析着手,提出了可改善废橡胶颗粒改性沥青混合料(CRUMAM 性能的设计方法,即采用密实断级配混合料和聚合物改性沥青的双重措施.室内试验表明,所设计的CRUMAM 具有优良的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性.关键词:废橡胶颗粒改性沥青混合料;密实断级配;设计方法;性能中图分类号:TU528.42文献标识码:AR esearch on the Design and Prope

3、rties of Crumb RubberModif ied Asphalt Mix(CRUMAMCA O W ei 2don g1,2,Z HOU H ai 2shen g 1,L W ei 2mi n1(1.School of Transportation Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;2.School of Civil Engineering ,Shandong University ,Jinan 250061,China Abstract :The application of crumb rubber i

4、n asp halt pavement was introduced.The problems of low mechanical strengt h ,difficult compactio n and swell of crumb rubber dry modified asp halt mix were pointed out.According to t he analysis of mechanical strengt h of dense gap 2graded asp halt mixes ,t he design met hod for CRUMAM was given ,wh

5、ich was t he employing of gap 2graded dense skeleton st ruct ure toget her wit h polymer modified asp halt.The result s of t he lab test s show t hat CRUMAM has good high temperat ure stability ,low temperat ure crack resistance and water susceptibility confirmed.K ey w ords :crumb rubber modified a

6、sp halt mix (CRUMAM ;dense gap gradation ;design met hod ;p roperty废橡胶颗料应用于沥青路面的工艺技术主要分为湿法和干法两大类.根据美国加州沥青橡胶使用指南1的定义,湿法工艺是指废橡胶颗料先行与沥青拌和,制成一种称为沥青橡胶的改性沥青胶结料,然后再与石料拌和;干法工艺是指将废橡胶颗料作为一部分细集料先与石料干拌,然后喷入沥青,制成废橡胶颗粒改性沥青混合料(CRUMAM .与湿法工艺相比,干法工艺具有如下的优点:(1所用的橡胶颗粒尺寸较大,加工工艺相对简单,加工成本低;(2干法工艺中橡胶颗粒的掺量约为湿法工艺的23倍,可消耗大量废

7、旧轮胎,减少环境污染和节省石料资源;(3在沥青拌和厂中,干法工艺不需要特殊的设备或较大的设备改装.但从国外的研究与应用来看,采用由湿法工艺拌制的混合料而铺筑的路面,其性能良好,且设计方法简单;而采用由干法工艺拌制的混合料而铺筑的路面,其性能变化无常,且大多数试验路出现了松散、剥落等早期病害1,2.因此,欧美国家推荐采用湿法工艺.干法工艺存在的主要问题是橡胶颗粒与集料或沥青不能完全相容,混合料的力学强度不高,压实困难或压实后出现体积膨胀等.本文通过对CRUMAM 设计方法的研究,采取了完全断级配且骨架密实的混合料和聚合物改性沥青的措施,较好地解决了干法工艺中存在的技术难题,为废橡胶颗粒在沥青路面

8、中的应用提供了重要的参考.1CRUMAM 的设计思路由库仑定律可知,沥青混合料的力学强度是由粗集料颗粒之间的嵌挤力、沥青与集料之间的粘结力以及沥青的内聚力所构成.一般来说,连续级配的沥青混合料是属于悬浮结构,其力学强度主要是依靠沥青与集料的粘结力及沥青的内聚力而形成,因此连续级配的沥青混合料虽然力学强度高,但受温度的影响大.而由断级配组成的骨架呈密实结构的沥青混合料,其力学强度则主要来源于粗集料颗粒间的嵌挤力和沥青与集料间的粘结力,故不仅力学强度高,而且受温度的影响小.工程实践也证明了密实断级配沥青混合料的优异性能.日本首都高扫道路公团和日本铺道株式会社联合对各种抗车辙、抗磨耗沥青混合料路面进

9、行了长达10年的观测,结果发现粗集料含量高的密实断级配沥青混合料不仅具有良好的抗滑、抗高温变形能力,而且具有良好的密实耐久性与施工和易性1.由于理论分析和工程实践经验都显示了密实断级配沥青混合料具有高的力学强度和良好的路用性能,因此在进行CRUMAM 设计时即考虑采用密实断级配混合料.要使密实断级配沥青混合料具有高的力学强度和优良的路用性能,其技术关键在于:(1粗集料要充分嵌挤以形成骨架结构,从而保证粗集料颗粒之间有良好的嵌挤力;(2沥青胶浆应具有较大的粘结强度,以保证沥青与集料间有高的粘结力及沥青本身有强的内聚力;(3由沥青、细集料、矿粉等组成的胶浆要充分填充主骨架的空隙,使混合料密实,以保

10、证良好的耐久性.综上所述,笔者形成了如下的CRUMAM 设计思路:(1沥青混合料须断级配且骨架为密实结构;(2由粗集料(4.75mm 形成石-石接触的主骨架,沥青、细集料(包括橡胶颗粒、矿粉组成的混合物则充分填充于主骨架的空隙中,以形成密实结构;(3为了避免颗粒的干涉,细集料、橡胶颗粒的尺寸不能太大,一般间断2.364.75mm 档细集料,以利于粗集料充分嵌挤;(4考虑到沥青与橡胶颗粒、集料之间的粘附性,必须采用聚合物改性沥青(如SBS 改性沥青,以增强它们之间的粘结力,提高CRUMAM 的整体强度与耐久性.2CRUMAM 的设计方法在目前的沥青混合料设计方法中,对于粗集料的嵌挤能力和细集料的

11、填充作用还无法从数量上进行评估.针对这一问题,提出采用体积比法的概念来保证CRUMAM 中细集料与沥青胶浆既充分填充于由粗集料形成的骨架空隙而又不干涉粗集料形成骨架,即使细集料体积、橡胶颗粒体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积之总和等于主骨架空隙体积.由于废橡胶颗粒的抗压强度远低于石料,它作为部分细集料在沥青混合料中只能起到填充料的作用,而不能作为骨架材料,因此,在CRUMAM 中,废橡胶颗粒的最大尺寸不宜超过4.75mm ,否则,最终得到的混合料其马歇尔稳定度不高,体积易发生膨胀,最终导致铺筑的路面产生松散、剥落等早期损坏.365第5期曹卫东等:废橡胶颗粒改性沥青混合料的设计

12、与性能CRUMAM 的具体设计过程如下:(1参照SMA 的配比组成特色,提出CRUMAM 的级配范围,尤其要控制4.75mm 筛的通过率,设计范围为20%30%1.据此计算了各档集料的比例,见表1.1文中涉及的筛分通过率、油石比等除特别说明外,均为质量分数.表1废橡胶颗粒改性沥青混合料级配T able 1G rad ation of CRUMAM10090100507520302030142412201016915812(2实测橡胶颗粒的表观密度、粗集料的表观密度和毛体积密度、细集料的表观密度、矿粉的表观密度.实测沥青的密度及各项指标.(3采用干捣实法确定粗集料主骨架空隙率ca (体积分数,下

13、同,具体操作参见J TJ 0582000公路工程集料试验规程.ca 计算公式如下ca =1-cdcb 100(1式中:cd 粗集料干捣实密度(g/cm 3;cb 粗集料的毛体积密度(g/cm 3.(4根据经验确定沥青、矿粉用量及设计空隙率.参照国外CRUMAM 的使用经验,橡胶颗粒的掺量一般为集料干重的1%3%.如采用改性沥青,根据SMA 的使用经验,油石比取6.0%7.0%.矿粉用量取级配中值10%.设计空隙率最佳为4%,允许范围3%5%.(5根据体积比法的概念,验算沥青体积、细集料(包括橡胶颗粒体积、矿粉体积和沥青混合料空隙体积之和是否等于主骨架的空隙体积,即等式(2是否成立w fafa+

14、w mm+w aa+w rr=w ca100cd(ca -am (2式中:w ca ,w fa ,w m ,w a ,w r 分别为粗集料、细集料、矿粉、沥青和橡胶颗粒的质量分数;a 为沥青的密度;fa ,m ,r 分别为细集料、矿粉和橡胶颗粒的表观密度;am 为沥青混合料设计空隙率.如不满足上式要求,须调整粗、细集料的比例,直至等式最接近成立.(7高温稳定性与水稳定性检验.如性能满足要求,设计结束.否则,重新设计或另选原材料.3CRUMAM 的室内试验及其性能3.1原材料及其物理指标粒径03mm ,表观密度1.14g/cm 3.沥青采用SBS 改性沥青,其三大技术指标为:针入度(256.2m

15、m ;软化点83;延度(5实测粗集料的干捣实密度为1.534g/cm 3,由(1式计算得ca =43.5%.根据经验,沥青的初始用量定为6.3%.由(2式计算其等式的左边为18.2,右边为18.5,接近相等,说明所确定的集料配合比满足要求.465建筑材料学报第8卷表2石料的物理指标T able 2Physical indexes of rock m aterialsRock material Technical indexTest value Required valueFine aggregateApparent density /(g cm -3 2.700Coarse aggregate

16、Apparent density /(g cm -3 2.7672.50Bulk density /(g cm -32.7122.50Crushed stone value /% 6.525Weared stone value /%7.830Percent of flat and elongated particle /%1015Water absorption /%0.82Mineral filler Apparent density /(g cm -32.715表3原材料筛分结果T able 3R a w m aterial sieving results%MaterialSieve si

17、ze/mm1.180.60.30.150.075Crushed stone (1015mm 10092.016.010093.638.915.45.51.1表4集料的配合比T able 4Proportion of aggregateProportion of material Crushed stone (015mm 37%Crushed stone (510mm 35%Fine stone (02.36mm 18%Mineral filler10%10097.066.028.028.020.217.515.114.612.03.3确定沥青最佳用量最佳沥青用量依马歇尔试验确定.保持其他条件不

18、变,沥青用量分别为6.0%,6.2%,6.4%,6.6%,7.0%.测定各种沥青用量的混合料的流值、空隙率等,并结合稳定度来确定最佳沥青用量.试验结果表明,沥青的最佳用量为6.4%,很接近初始用量,故改性沥青混合料的级配无须调整.(1马歇尔稳定度试验565第5期曹卫东等:废橡胶颗粒改性沥青混合料的设计与性能(2车辙试验按规程要求制作车辙试件,测定动稳定度,测试结果列在表5.动稳定度是反映沥青混合料抗高温性能的一种指标,它较马歇尔稳定度指标更为直观.动稳定度越高,混合料的抗车辙能力越强,高温稳定性越好.试验结果表明,橡胶颗粒的掺入改善了CRUMAM的抗车辙能力.从力学观点上讲,受压变形的橡胶颗粒

19、内部产生内部反弹应力,相当于沥青混合料试件变成一个能量较小的预应力试件,其抵抗外力的能力出现一定的提高.然而,橡胶颗粒的强度毕竟很低,当其掺量过大时,橡胶颗粒要直接承受外力作用.在这种情况下,改性沥青混合料的强度和高温稳定性必然下降.因此,废橡胶颗粒有一个最佳掺量问题.(3冻融劈裂试验该试验检验的是沥青混合料的水稳定性,测定指标为冻融劈裂强度比.冻融劈裂强度比越大,沥青混合料的水稳定性越好.试验结果(表5表明,橡胶颗粒的加入降低了CRUMAM的水稳定性,这说明橡胶颗粒与沥青的粘附性比石料差.(4低温劈裂试验低温劈裂试验在M TS材料试验机上进行,温度-10,加载速率1mm/min.采用低温劲度模量指标来反映混合料的低温抗裂性能,即低温劲度模量越小,混合料的低温抗裂性能越好.试验结果(表5表明,随着橡胶颗粒掺量的增加,CRUMAM低温劲度模量减小,即其低温抗裂性能提高.表5是上述试验的测试结果总结.表5表明,按照上述方法设计的CRUMAM(橡胶颗粒掺量为1%3%具有优良的高温稳定性和水稳定性.表5废橡胶颗粒改性沥青混合料性能测试结果T able5T est results of properties of CRUMAMContent of cru