废橡胶颗粒在弹性沥青混合料中的应用

3交通部西部科技建设项目

(200731822301-8)。

吴廷荣,男,工程师。

废橡胶颗粒在弹性沥青混合料中的应用3

吴廷荣1

　潘文君2

　张洪伟

2,3

(1,深圳市龙岗区建筑工务局　广东深圳　518172;2,内蒙古交通设计研究院有限责任公司　内蒙古呼和浩特　010010;

3,长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室　陕西西安　710064)

摘　要　将1～3mm 橡胶颗粒用在弹性沥青混合料中,并运用旋转压实(SGC )成型进行混合料

空隙率的修正。试验表明普通马歇尔一次成型试验,可满足混合料的设计要求;橡胶颗粒的最佳掺量可使路用性能达到最佳。

关键词　弹性沥青混合料　橡胶颗粒　旋转压实　路用性能 据统计,2002年我国的废旧轮胎有8000万条,

并以每年12%的速度增加,预计2010年将达到2亿条[1]

,但回收利用率极低。废旧轮胎橡胶颗粒在道路建设中的应用已成为世界各国研究的重点问题,这对于环境保护具有十分深远的影响。将废旧轮胎橡胶颗粒用于弹性沥青路面在美国、西欧以及日本均取得了

良好的效果[2],[3]

,这种技术被称为“废轮胎橡胶颗粒干法改性沥青混合料”或“抑制冻结铺装技术”。

弹性沥青混合料是将废旧轮胎破碎成一定形状和粒径的颗粒,直接用于沥青混合料中,代替部分细集料而形成新型的沥青混合料。利用橡胶颗粒变形能力较强的特性,使沥青路面具有一定的弹性。通过路面在外荷载作用下产生的自应力,使路面冰雪破碎融

化,从而有效抑制路面积雪和结冰[4]

。本文探讨了废橡胶颗粒在弹性沥青路面中应用的几个关键问题。

1　原材料技术性质

111　沥青

沥青采用S BS 改性道路石油沥青,技术性质见表1。

表1　沥青技术指标表

试验

指标针入度(25℃,100g,5s )/011mm 针入度指数PI

延度(5℃,5c m /m in )/c m 软化点(R&B )/℃密度(15℃)

/(g ・c m -3)

试验结果7301037

4119

76

11032

规范值

60～80

≥-014≥30≥55———

112　矿料

粗集料采用角闪片麻岩,2136mm 以下的细集料

采用机制砂,矿粉由石灰岩磨制而成。技术性质见表2。

2　级配组成设计

对于弹性沥青混合料而言,橡胶颗粒的密度小,质量轻,若按传统的密级配混合料方法进行设计,必然会造成粒子间的明显干涉,影响混合料稳定结构的形成。根据美国与日本等国家弹性沥青混合料应用的成功经验,均强调采用断级配和开级配结构进行混合

料设计[5],[6]

。

表2　集料技术指标表

集料

技术指标试验值

规范值粗集料

压碎值/%13150≤28洛杉矶磨耗率/%11180≤28磨光值

48160≥38吸水率/%

0130≤210针片状颗粒含量/%6130≤12表观相对密度/(g ・c m -3)2180≥216毛体积相对密度/(g ・cm -3)

2174———细集料表观相对密度/(g ・c m -3)2173———矿粉

表观相对密度/(g ・c m -3)

2171

———

体积设计法的设计原理是粗集料形成石-石嵌挤

的骨架结构,细集料体积、橡胶颗粒体积、沥青体积与混合料设计空隙体积之和等于主骨架空隙体积。这种方法既强调主骨架的充分嵌挤,又充分利用细集料和沥青胶结料的填充、粘结作用,把嵌挤原则和填充原则有机地结合起来,从而全面提高混合料的性能。

本文采用体积设计法设计弹性沥青混合料。为防止混合料出现干涉现象,完全间断2136～4175档细集料,以利于主骨架充分嵌挤。由原材料的级配可获得矿料的合成级配,级配曲线如图1。

3　橡胶颗粒优选311　橡胶颗粒的级配

选择粒径为1～3mm 的橡胶颗粒,表观密度

11052g/cm 3

,参照日本抑制冻结铺装研究会推荐橡

胶颗粒的级配范围[6]

,所选橡胶颗粒的筛分结果如图2。

由图2发现,1～3mm 橡胶颗粒的级配曲线基本在日本抑制冻结铺装研究会推荐橡胶颗粒的级配范围内。

・03・路基工程 2009年第4期(总第145期)

312　橡胶颗粒的掺量

根据国外应用经验,确定混合料设计沥青含量的

唯一标准是空隙率,目标空隙率控制在2%～4%之间。按1～3mm 橡胶颗粒分别掺加3%与4%进行马歇尔试验,油石比为614%,矿粉用量为11%,马歇尔成型双面各击实75次,结果见表3。

表3　不同掺量橡胶颗粒的体积参数表

橡胶类型空隙率

/%矿料空隙率/%

沥青饱和度/%

稳定度

/kN 〗1～3mm 占3%

31291515778186101291～3mm 占4%

4157

17169

74118

9144

由表3发现掺加1～3mm 橡胶颗粒的沥青混合料空隙率在4%左右,满足要求。

4　411　混合料成型方法

根据高温时沥青胶结料粘度相对较低,不足以束

缚橡胶颗粒弹性变形恢复的特点,哈工大谭忆秋等

[7]

提出了针对橡胶颗粒沥青混合料二次成型的方法[7]

。

经过大量试验得出,采用马歇尔一次成型的掺加3%橡胶颗粒的沥青混合料空隙率为3129%,证明一次成型的马歇尔试验完全可以满足设计要求。但掺加4%橡胶颗粒的沥青混合料空隙率为4157%,超过了2%～4%的推荐目标空隙率。说明在一定范围内,空隙率随橡胶颗粒掺量的增加而升高。考虑到橡胶颗粒沥青混合料的弹性,提出了采用旋转压实法进行空隙率的验证。

在沥青混合料室内压实的诸多设备中,Super pave 旋转压实仪SGC 能较好地模拟道路在实际荷载作用下的密实情况,具有更大的压实功,不仅可评价压实过程中某一点的压实情况,还能评价沥青混合料在整个服务期间的密实特征。

旋转压实仪通过旋转轴对试件揉搓作用模拟汽车在沥青路面行驶时轮胎对路面作用。本次试验的垂直压力600MPa,旋转角度1125°,旋转速度30r/s,设计压实次数N des =100。

根据表4的试验结果,相同条件下旋转压实成型的试件空隙率小于马歇尔成型的试件。掺加4%橡胶颗粒的沥青混合料铺筑时,其空隙率可以控制在4%

表4　不同成型方式混合料的空隙率表

1～3mm 占4%成型方式

空隙率/%

马歇尔成型4157旋转压实成型

3184S MA -16规范

3～4

以下,因此,一次成型的马歇尔试验完全可以胜任弹

性沥青混合料的配合比设计。412　路用性能评价

(1)高温稳定性。采用车辙试验作为弹性沥青混合料高温稳定性的评价方法,并以动稳定度作为评价指标。动稳定度越高,混合料的抗车辙能力越强,高温稳定性越好。将1～3mm 橡胶颗粒掺加3%与4%进行车辙试验,试验结果如表5。

表5　路用性能测试结果表

类型动稳定度

/(次・mm -1)

最大弯

拉应变

劈裂抗拉强度比/%

橡胶颗粒占3%451435249014橡胶颗粒占4%

851546179413S MA -16规范

3000

2500

8010

(2)

低温抗裂性。采用低温小梁弯曲试验来研

究沥青混合料的低温性能,以最大弯拉应变作为评价指标,最大弯拉应变越大,低温抗裂性越好。试验温度-10℃,加载速率为50mm /m in,试验结果如表5。

(3)抗水损害性。冻融劈裂试验测定指标为冻融劈裂强度比(TSR ),即混合料冻融循环前后的劈裂抗拉强度比值,TSR 值越大,弹性沥青混合料的水稳性越好,测试结果见表5。

在相同级配条件下,掺加4%橡胶颗粒的混合料各种路用性能均优于掺加3%橡胶颗粒的混合料。两种掺量的高温、低温与水稳定性,远高于规范的要求。

5　结论

(1)弹性沥青混合料设计中,确定沥青含量的最相关标准是空隙率,室内马歇尔试验的空隙率应控制在310%～415%之间。

(2)一次成型的马歇尔试验可满足成型要求,根据情况还可采用旋转压实(SGC )成型进行空隙率

的修正,进而确定最佳沥青用量。

(3)室内试验结果显示,弹性沥青混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性和抗水损害性,长期路用性能尚需铺筑试验路开展进一步的观测与验证。参考文献:

[1]曹卫东等1废旧轮胎橡胶混合法改性沥青混合料的研究[J ]1建筑材

料学报,2007,10(1):110-1141

[2]Heitz man,M.S .,State of the Practice -Design and Constructi on of A s 2

phalt PavingM aterialswith Cru mb RubberModifier .Report FH WA -S A -92-022,Federal H igh way Ad m inistrati on,M ay 1992.

[3]凍結抑制舗装技術研究会1凍結抑制舗装 ≤ ∂≤ 1平成15年

10月1

[4]张金喜1废橡胶作为弹性沥青混凝土路面材料的实验研究[J ]1建筑

材料学报,2004,7(4):396-4011[5]

State of Calif ornia Depart m ent of Trans portati on .A s phalt Rubber U sage Guide [M ].2003.

[6] 粒子入り凍結抑制舗装振興会1 粒子入り凍結抑制舗装 ≥≤

舗装技術資料1平成18年12月1

[7]谭忆秋等1马歇尔法下橡胶改性沥青混凝土成型工艺研究[J ]1公

路,2006(2):137-1391

收稿日期:2008-09-08

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13・吴廷荣等:废橡胶颗粒在弹性沥青混合料中的应用