再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验研究

再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验研究

随着我国社会经济、交通的不断飞速发展,人们拥有汽车保有量的急剧攀升,废旧橡胶轮胎的数量也随之日益增长,其增长数量不但恶化环境、威胁人类健康,更危及人类赖以生存的生态环境。废旧橡胶轮胎在道路工程中的应用已经成为热点研究领域。以往对橡胶颗粒沥青混合料的试验研究主要集中于新拌混合料,对于再生橡胶颗粒沥青混合料性能研究还较少。目前,马歇尔沥青混合料试验广泛应用于世界各国的热拌热铺的沥青混合料设计中。尽管人们对马歇尔试验方法提出诸多疑问,并对它的部分内容进行修改和补充,或者发展一些新的设计方法等,但马歇尔设计试验方法仍然是世界上各国普遍采用的沥青混合料设计方法。目前,我国的试验规程仍是采用马歇尔设计方法。

本文以阿拉尔市城市主干道大学路翻挖下来的沥青面层材料为研究对象,通过室内马歇尔试验来研究不同粒径大小和不同掺量的橡胶颗粒对再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验力学指标的影响。首先,通过马歇尔试验分析同一粒径橡胶颗粒下,不同橡胶颗粒掺量对再生橡胶颗粒沥青混合料配比的影响,确定其最佳新沥青用量;在此基础上分析橡胶颗粒掺量与再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验指标的关系,确定最佳橡胶颗粒掺量,以期为橡胶颗粒在再生沥青混合料中的设计和应用提供参考。

原材料及试验级配

回收沥青混凝土路面材料

本试验中所用再生RAP取自南疆小城阿拉尔市内主干道大学路翻挖下来的沥青混凝土路面面层。首先根据规程中T0722-1993采用离心分离法得到RAP中旧沥青含量为4.9%;其次,将抽提后的矿料根据规程中T0725-2000试验进行筛分。可知,RAP的矿料级配筛分试验不满足规范要求,需要掺加新集料加以调整。再生混合料采用AC-13级配作为基础级配。

新沥青

为了恢复RAP中旧沥青性能和确保旧沥青性能的稳定,可以使用标号高于旧沥青标高的新沥青掺入到RAP中。结合工程实际,本试验选用产于新疆克拉玛依的A级90号道路石油沥青作为新沥青。

橡胶颗粒

本试验采用的橡胶颗粒是由废旧轮胎在常温下粉碎而成,采用的橡胶颗粒根据粒径大小可分为1~2.5mm小橡胶颗粒和4~5mm大橡胶颗粒两种类型。

马歇尔试验

试件成型工艺

通过增加拌和时间可使得容重较小的橡胶颗粒在再生混合料中分散得更为均匀。首先将备好的RAP放置烘箱中加热至其软化,其次将已软化的RAP和称量好的橡胶颗粒倒进搅拌缸进行拌和;最后依次加入新集料、新沥青和矿粉,总拌和时间控制在4min之内。其中,RAP在烘箱的加热温度为100℃,在搅拌缸中的拌和温度170℃。再生橡胶颗粒沥青混合料主要用于城市次干路和支路,所以采用双面击实50次的方法进行一次成型。

试验结果

为了研究不同粒径和掺量的橡胶颗粒对再生橡胶颗粒沥青混合料的影响,对橡胶颗粒掺量分别为0、1%、2%、3%等4种情况的再生橡胶颗粒沥青混合料进行室内马歇尔试验并对其结果进行对比分析。根据实际工程经验,再生沥青混合料中沥青的用量应比新拌沥青混合料中沥青用量略高一些,根据已有研究,初估新沥青用量为1.5%,并随橡胶颗粒掺量的增加以0.5%的间隔递增,并成型马歇尔试件进行试验。为了方便比较分析试验结果,RAP掺量采用单一掺量,为40%。

按照规程中T0705-2011和T0709-2011测定试件的毛体积密度和理论最大相对密度,计算空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标,进行马歇尔试验,测定稳定度和流值。为了直观分析橡胶颗粒粒径和掺量对再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验物理力学指标的影响,以新沥青用量为横坐标,分别以毛体积密度、间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值为纵坐标,绘制新沥青用量与马歇尔物理力学指标间的关系曲线图。

可知,随着新沥青用量的增加,各橡胶颗粒掺量下的再生橡胶颗粒沥青混合料的各项马歇尔指标的变化规律基本相同。毛体积密度、沥青饱和度、稳定度均呈现出先增大后减少的走势,都出现一个最大值;试件的空隙率和间隙率呈现出先减小后增大的走势,存在一个最小值;而流值则随新沥青用量增加而增加。因此,各橡胶颗粒掺量下的再生橡胶颗粒沥青混合料存在一个最佳的新沥青掺量。

因此,MS最大值、ρf最大值、VV和VFA规范范围中值的沥青用量,以四者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1,参考沥青混合料马歇尔试验技术标准的要求,可确定沥青用量范围OACmin和OACmax,计算其平均值得到OAC2,OAC1与OAC2两者的平均值即可作为再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳新沥青用量。以橡胶颗粒掺量为横坐标,分别以新沥青用量、毛体积密度等为纵坐标,绘制出橡胶颗粒掺量与各指标之间的关系曲线图。

可知,随着橡胶颗粒掺量的递增,最佳新沥青用量也随之增加;相应地,毛体积密度和稳定度呈现先增大后减小的走势,存在一个最大值;大小粒径橡胶颗粒的再生混合料空隙率和沥青饱和度变化趋势不一致;而掺加小粒径橡胶颗粒的再生混合料的流值则随橡胶颗粒掺量的增加先减小再增加后减小,掺加大粒径橡胶颗粒的再生混合料的流值则随橡胶颗粒掺量的增加而增加。

同理,采用马歇尔试验法确定再生橡胶颗粒沥青混凝土的最佳橡胶颗粒掺量及其相应的新沥青掺量,掺加小粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.5%,相应的新沥青掺量为4.12%;掺加大粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.2%,相应的新沥青掺量为4.93%。

试验结果分析

橡胶颗粒的掺加对再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验指标的影响

(1)掺入橡胶颗粒的再生橡胶颗粒混合料的最佳新沥青用量较普通再生沥青混合料的有所增加,且随着橡胶颗粒掺量的增加而增加,也致使再生橡胶颗粒混合料的沥青饱和度和流值随之增大,这是因为橡胶颗粒对沥青的吸附作用较大,较高的橡胶颗粒掺量将吸附较多的沥青。

(2)再生橡胶颗粒沥青混合料的稳定度和流值与普通再生沥青混合料相比,稳定度值偏小,其峰值的出现相对滞后,而流值偏大。这是因为橡胶颗粒以骨料的形式加入到再生混合料中,其低强度、高弹性的特性使再生橡胶颗粒混合料在试件击实成型时会出现橡胶颗粒对骨架结果的反弹作用,造成再生橡胶颗粒沥青混合料试件内部结构产生劣化。

不同粒径和掺量的橡胶颗粒对再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验指标的影响

为了明确地研究在再生橡胶颗粒沥青混合料中大小橡胶颗粒粒径下,最佳橡胶颗粒掺量与再生橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔试验各指标之间的关系,绘制以橡胶颗粒掺量为横坐标,新沥青掺量及马歇尔试验各指标的关系图。

可知,掺加小粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的新沥青掺量、毛体积密度、空隙率和间隙率都略低于掺加大颗粒橡胶颗粒的再生橡胶颗粒混合料,而沥青饱和度、稳定度和流值均高于掺加大粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒混合料。

由于大粒径橡胶颗粒的表面积比小粒径的大,其吸附的沥青较多,将使得掺加大粒径橡胶颗粒的再生混合料的新沥青掺量、毛体积密度、空隙率和间隙率略高于小粒径的。由于高弹性、低强度的橡胶颗粒的掺入使得再生混合料中原有骨架形式由“石料-石料”变成了“石料-橡胶颗粒-石料”的组合形式,将导致再生橡胶颗粒沥青混合料的内摩擦角和黏聚力减小。而粒径大的橡胶颗粒在同等外力作用下,变形也较大,因此在再生橡胶颗粒沥青混合料试件成型冷却过程中,掺入大粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料由于橡胶颗粒回弹变形较大,致使其内部出现的空隙较多,使得掺入大粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的稳定度减小,流值增大。由于小粒径橡胶颗粒的回弹变形小,再生橡胶颗粒沥青混合料的骨架结构损耗小,因此小粒径的橡胶颗粒更适合作为再生橡胶颗粒沥青混合料的掺入物。

结语

(1)废旧橡胶轮胎制成的橡胶颗粒应用于再生沥青混合料的设计中,由于其施工工艺方便可行,产生的社会经济性较好,其为废旧橡胶轮胎的回收利用提供了一条有效可行的途径,同时有利于保护环境,节约社会资源。

(2)不同掺量的橡胶颗粒掺入对再生沥青混合料的马歇尔试验指标均产生了一定的影响。随着橡胶颗粒掺量的增加,与未掺橡胶颗粒的再生沥青混合料相比,再生橡胶颗粒沥青混合料的各项马歇尔物理力学指标变化规律一致,再生橡胶颗粒沥青混合料的稳定度值偏小,且峰值的出现相对滞后,流值偏大。

(3)掺入不同粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔试验指标变化规律一致。随着橡胶颗粒粒径的增大,再生橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔力学指标值降低。由于小粒径橡胶颗粒的回弹变形小,致使再生橡胶颗粒沥青混合料在冷却成型过程中骨架结构损耗小,因此小粒径的橡胶颗粒更适合作为再生沥青混合料的外掺物。

(4)由于橡胶颗粒自身低模量、高弹性的特点,其在再生混合料中的掺量必然存在一个最佳值。推荐小粒径橡胶颗粒的再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1.5%,相应的新沥青掺量为4.12%,但其只是一个参考值,有待于结合其他试验做进一步的验证。

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