CN109748538A - 一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料及其制备方法，通过将乳化沥青、回收沥青路面材料(RAP)、碎石、水、水泥以及橡胶粉按照一定掺配比例均匀搅拌得到柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料产品。本发明提供的柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料组成成分简单易得，利用废旧橡胶轮胎及沥青路面回收材料，绿色环保，解决了废旧材料再利用问题。同时，本发明提供的混合料具有较好的强度和路用性能，橡胶粉的加入显著改善了乳化沥青冷再生混合料的高、低温性能和疲劳性能，增加了传统乳化沥青冷再生混合料的柔韧性，解决了传统混合料的脆性问题。

Description

一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料及其制备方法

技术领域

本发明属于公路与城市道路废旧材料回收再生领域，具体涉及一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料及其制备方法。

背景技术

随着公路建设的不断发展，高速公路和国、省道干线路网的形成，公路养护与维修任务日益繁重。而废旧材料回收利用是近年来最具创新和经济价值的技术之一。积极推广乳化沥青冷再生技术，因地制宜地采用经济有效的再生养护方式已经成为公路养护管理部门的迫切要求。大修过程中选择乳化沥青冷再生混合料作为柔性材料层，可以起到结构转换的作用，降低层底拉应力，从而延长沥青路面使用寿命。更重要的是采用乳化沥青冷再生混合料能够节约资源、保护环境、降低工程造价。

而废胎胶粉作为新型的路面材料用于沥青路面，既可以改善路面使用功能，延长路面使用寿命，又可以解决废旧轮胎“黑色污染”的环境压力，也符合当前我们建设节约型社会和发展循环经济的政策。

目前国内外针对乳化沥青冷再生技术研究相当多，中国、美国、南非、日本、瑞典以及澳大利亚等国内外众多研究者和科研机构针对乳化沥青冷再生混合料的特点，对其配合比设计方法、含水率、沥青含量及水泥掺量对混合料强度以及路用性能的影响开展大量研究：1)提出适用于乳化沥青冷再生混合料的组成设计方法；2)其疲劳性能、低温性能、水稳定性相对较差；3)高温稳定性相对较好。因乳化沥青冷再生混合料组成成分较为复杂，掺加水泥后导致混合料脆性增大，对其低温性能与疲劳性能产生不利影响，这与热拌沥青混合料存在明显区别，属于“半柔性路面”。

鉴于乳化沥青冷再生混合料脆性较强，进而导致混合料低温和疲劳性能相对较差的缺点，有必要研发一种柔性乳化沥青冷再生混合料。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料及其制备方法，该种新型绿色混合料能够克服现有技术的不足，解决工程中遇到的问题，同时响应国家绿色公路号召，充分利用废旧轮胎胶粉。该方法充分考虑到工程实际和绿色公路理念，提供一种显著改善低温和疲劳性能的柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料。

本发明所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的主要组分，按重量份计为：

沥青路面回收材料(RAP)70-94份、碎石5-29份、橡胶粉1-3份、乳化沥青3-5份、水泥1-1.8份；

其中，乳化沥青的主要组分，按重量份计为：

基质沥青62-70份、乳化剂2-4份、水30-38份。

进一步的，本发明所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的主要组分，按重量份计优选为：

沥青路面回收材料70-85份、碎石15-29份、橡胶粉1.5-3份、乳化沥青3.5-5份、水泥1-1.8份；

其中，乳化沥青的主要组分，按重量份计优选为：

基质沥青65-70份、乳化剂2.5-4份、水30-35份；

所述橡胶粉为20-40目的子午胎或者斜交胎或者其他废旧汽车轮胎粉碎所得胶粉颗粒；

所述基质沥青采用70#或者90#普通道路石油沥青；此两种标号的沥青是目前工程上最常用的，其应用领域较为广泛，其他标号的沥青的乳化成本略高于70#和90#基质沥青；

所述RAP料源于沥青路面的铣刨料，与原沥青路面结构、材料无关，只需保证回收材料洁净无杂质、不掺加基层铣刨材料即可，最大粒径小于31.5mm；因RAP中细集料含量较少，为了满足混合料级配要求，一般需要加入适量0-3mm规格细集料，来调整合成级配，满足规范要求；其中，集料岩性一般不做特殊规定；

所述乳化剂选用慢(中)裂慢凝阳离子乳化剂；

所述水为清澈透明、无杂质可饮用水，中性为宜；

其中乳化沥青、RAP、碎石、水泥均为常规乳化沥青冷再生混合料的组成成分。由于冷拌冷铺施工，对沥青进行乳化降粘，导致成型后混合料强度要低于热拌沥青混合料。为了保证混合料的整体强度，特别是早期强度，需在乳化沥青冷再生混合料内加入适量水泥。但是由于水泥掺加后乳化沥青冷再生混合料的脆性增大，使其低温抗裂性与疲劳性能均出现较为显著的下降，从而影响到了乳化沥青冷再生混合料的耐久性，进一步影响到整个沥青路面结构的耐久性。

橡胶粉的加入就是为了解决乳化沥青冷再生混合料的脆性问题，进一步提高乳化沥青冷再生混合料的柔韧性，改善其低温抗裂性能和疲劳性能，从而提高混合料的耐久性，进而提高整个沥青路面结构的耐久性。选择20-40目规格橡胶粉的原因是：橡胶颗粒过细除了无法替代细集料之外，还大幅度增加了橡胶粉的生产成本。橡胶粉过细或者过粗会对乳化沥青混合料的粘聚力产生影响，胶粉过细粘聚力过大，施工和易性变差，胶粉过粗混合料粘聚性变差，极易发生松散等早期破坏。因此，根据大量实验研究，选定上述胶粉颗粒范围。橡胶粉掺量越大，乳化沥青与其结合后黏度越大，对于混合料性能提高越明显；但是其掺量超过一定范围时，就会影响到混合料的施工和易性，且极易发生松散。而其掺量过小，则对混合料性能改善不明显，无法赋予乳化沥青冷再生混合料优良的低温抗裂及疲劳性能。因此，选用上述橡胶粉掺量范围。

为保证RAP的最大利用率，可以根据RAP的筛分情况，选择添加不同量的碎石和橡胶粉以及添加碎石的规格，从而使得RAP级配符合规范对乳化沥青冷再生混合料的级配要求，而如果不掺加碎石则可能造成乳化沥青冷再生混合料强度下降，因此添加部分碎石和橡胶粉，可以提高柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的强度。

更进一步的，上述柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的制备方法为：

(1)按上述混合料的各组分要求，称取各原料组分；

(2)将乳化剂加入水中搅拌均匀，制成皂液并加热至55℃-65℃，保温；其中基质沥青加热至125℃-135℃；

(3)将步骤(2)中所制皂液倒入胶体磨中循环，边循环剪切边缓慢加入热的基质沥青，待所有基质沥青加入胶体磨后，继续循环剪切1分钟左右，即可制得乳化沥青；

(4)将RAP、碎石、橡胶粉、水泥及步骤(3)中制备的乳化沥青混合，室温条件下搅拌均匀即可得到柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)原料组成成分简单易得，RAP利用率高，能够达到100％，且能有效利用废旧轮胎。

(2)具有良好的低温性能和抗疲劳性能，显著改善了原有乳化沥青冷再生混合料的脆性，并且加入胶粉后进一步提高了混合料的高温稳定性，减少了永久变形病害的产生。

(3)利用橡胶粉取代部分细集料，同时解决RAP和废旧橡胶处置问题，用料来源广泛、环境友好。

综上所述，采用本发明的上述技术方案制备的混合料具有较好的强度和路用性能，橡胶粉的加入显著改善了乳化沥青冷再生混合料的高、低温性能和疲劳性能，增加了传统乳化沥青冷再生混合料的柔韧性，解决了传统混合料的脆性问题。

具体实施方式

结合具体实施例进一步对本发明做以说明。所述实施例仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

本实施例所采用的原材料为：回收沥青路面材料为山东某条高速公路铣刨料，石屑和水泥均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，所准备的乳化沥青为阳离子型乳化沥青，其各项技术均符合《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)的要求。本发明优选三种实施例及对应对比例，实施例及对比例各组分重量份见表1。实施例所用橡胶粉为30目胶粉，其筛分结果见表2。橡胶粉及所用石屑相对密度分别为1.205和2.706。

表1实施例及对比例各组分重量份

表2实施例橡胶粉(30目)筛分结果

为了保证实施例与对比例所用级配一致，采用逐档筛分方式。根据石屑(0-3mm)与橡胶粉密度，掺加碎石和橡胶粉。实施例及对比例采用合成级配见表3。

表3实施例与对比例所采用混合料合成级配

利用上述表1中各实施例与对比例原料组分及重量份制备混合料，其制备方法具体步骤如下：

(1)将乳化剂(2.7份)加入水(35份)中搅拌均匀制成皂液并加热至55℃-65℃，保温；基质沥青(65份)加热至125℃-135℃；所述基质沥青优选为70#A级道路石油沥青，所述乳化剂为阿克苏诺贝尔慢裂慢凝阳离子乳化剂；

(2)将步骤(1)所制皂液倒入胶体磨循环，并边循环剪切边缓慢加入热基质沥青，待所有沥青加入胶体磨后，继续循环剪切1分钟左右，即可制得所述乳化沥青。

(3)将RAP、碎石、橡胶粉、水泥、水及上述乳化沥青混合搅拌均匀即可得到实施例(柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料)和对比例(普通乳化沥青冷再生混合料)。

针对相同级配的实施例1-3和对比例1-3，及实施例4、实施例5进行性能验证。

一、强度指标测试

本发明所述马歇尔击实试验、劈裂试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验以及车辙试验均为本领域常规试验。其中马歇尔击实试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0702-2011进行测试；劈裂试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0716-2011进行测试；冻融劈裂试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0729-2000进行测试；低温弯曲试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0715-2011进行测试；轮碾法试件制作方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0703-2011进行测试；车辙试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0719-2011进行测试。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中规定的方法对实施例1-实施例5及对比例1-对比例3分别采用马歇尔击实试验制备柔性橡胶乳化沥青冷再生试件及普通乳化沥青冷再生混合料试件，进行15℃干、湿劈裂强度试验，测试结果见表4。

表4实施例1-5及对比例1-3制备试件强度测试结果

通过表4中对比例1-3及实施例1-3干湿劈裂强度结果可以发现：掺加橡胶粉后乳化沥青冷再生混合料干、湿劈裂强度略有减小，但变化幅度不大，且均远高于现行规范要求。

由实施例1-实施例3发现，随着RAP掺量增加，混合料的劈裂强度呈减小趋势，表现出的变化规律与传统乳化沥青冷再生混合料一致。

由对比例2、实施例4、实施例2和实施例5的对比数据中可以看出，当RAP掺量、乳化沥青、水泥掺量相同时，随着橡胶粉掺量增大，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的劈裂强度及抗水损害能力均出现不同程度的下降，且掺量从3份增加到4.5份时，其下降幅度明显大于掺量从1.5份增加到3份。因此，橡胶粉的加入量并不是越多越好，在一定范围内，其对混合料的影响并不大，但超过一定范围，就会导致混合料的强度降低，可通过控制橡胶粉的加入来调控所需制备的混合料的强度要求。

二、路用性能测试

1.水稳定性测试

采用马歇尔击实试验制备实施例1-5及对比例1-3试件，采用冻融劈裂强度试验验证混合料的水稳定性。试验结果见表5。

表5实施例及对比例水稳定性测试结果

根据表5中实施例1-3及对比例1-3试验结果发现，本发明所列实施例TSR结果较对应对比例试验结果偏小，但变化不大，且冻融劈裂强度比均远高于规范要求。

根据对比实施例1-实施例3可以看出，随着RAP掺量增加，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的抗水损害能力整体趋于减小趋势。该结果与传统乳化沥青冷再生混合料结果一致。

而比较对比例2、实施例4、实施例2与实施例5试验结果发现：随着橡胶粉掺量自0份增加至4.5份，混合料抗水损害能力呈下降趋势。说明橡胶粉掺加后在一定程度上会影响到混合料的抗水损害能力。同时，橡胶粉掺量从3份增加至4.5份时其TSR下降幅度明显高于橡胶粉掺量从1.5份增加至3份的下降幅度。因此，橡胶粉的参量并不是越多越好，需在一定范围内保持其最佳水稳定性。

2.高、低温性能测试

车辙试验测试方法：轮碾法成型车辙试件(长300mm，宽300mm，高50mm板块状试件)，进行常规车辙试验(T0719-2011)。车辙试验的试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，加载速率为42次/min。计算动稳定度时间为试验开始后45-60min之间。

低温弯曲试验测试方法：轮碾法成型车辙试件(长300mm，宽300mm，高50mm板块状试件)，进行低温弯曲试验(T0715-2011)。切割制成长250mm、宽30mm、高35mm的棱柱体小梁试件。加载跨径为200mm，试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min。

实施例及对比例的车辙及低温弯曲试验结果见表6。

表6实施例及对比例混合料高温及低温性能测试结果

根据表6实施例1-3及对比例1-3的试验结果可知：与普通乳化沥青冷再生混合料相比，柔性乳化沥青冷再生混合料的动稳定明显增大，其低温破坏应变也明显增大。这说明橡胶粉加入后乳化沥青冷再生混合料高温性能和低温性能均得到有效的改善。

对比实施例1-实施例3高温及低温试验结果发现：随着RAP掺量增大，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的高温性能呈增大趋势，低温性能呈下降趋势。混合料变化规律与传统乳化沥青冷再生混合料一致。

同时比较对比例2、实施例4、实施例2与实施例5混合料高温及低温试验结果发现：随着橡胶粉掺量从0份增加至4.5份，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的高温及低温性能均出现先增大后减小的趋势。这说明，橡胶粉的掺量存在一个优选范围。合适的橡胶粉掺量对乳化沥青冷再生混合料的高温及低温性能起到显著改善作用。

3.疲劳性能测试

采用相对简单的间接拉伸疲劳试验进行对比测试，其测试方法如下：马歇尔击实法成型标准试件(直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体试件)。试验温度为15℃，采用正弦波加载，加载频率为10Hz，施加荷载根据不同混合料确定的最大破坏荷载与相应的应力比乘积确定。疲劳试验中以出现破坏时的加载次数作为疲劳寿命进行评价。该方法为本领域常规试验方法，例如实施例1中最大破坏荷载为7.98kN，其对应0.3应力比条件下疲劳试验的施加荷载则为0.3×7.98kN。

表7实施例及对比例混合料间接拉伸疲劳试验测试结果

根据表7实施例1-实施例3及对比例1-对比例3的试验结果可知：与普通乳化沥青冷再生混合料相比，柔性乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命显著增大。掺加橡胶粉后柔韧性增强，当受到外界重复荷载时，橡胶粉在冷再生混合料中通过银纹作用提高了混合料的整体柔性，起到缓冲荷载作用。

对比实施例1-实施例3疲劳试验结果发现：随着RAP掺量增加，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料所表现出的疲劳性能越来越好，RAP掺量超过80份时，混合料的疲劳性能变化不大，随RAP掺量增加其疲劳性能衰减幅度减小。说明RAP掺量超过一定范围时其对柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能敏感性已经下降。

同时比较对比例2、实施例4、实施例2和实施例5混合料的疲劳试验结果发现：随着橡胶粉掺量从0份增加至4.5份，柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能均出现先增大后减小的趋势。优选胶粉掺量对于改善柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能至关重要。

由以上试验测试结果可以看出，在不影响路用性能的情况下，加入适量的橡胶粉可以明显改善乳化沥青冷再生混合料的高、低温性能和疲劳性能，增加传统乳化沥青冷再生混合料的柔韧性，解决了传统混合料的脆性问题。

Claims (6)

1.一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料，其特征在于：该混合料的主要组分，按重量份计为：

沥青路面回收材料70-94份、碎石5-29份、橡胶粉1-3份、乳化沥青3-5份、水泥1-1.8份。

2.根据权利要求1所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料，其特征在于：所述乳化沥青的主要组分，按重量份计为：

基质沥青62-70份、乳化剂2-4份、水30-38份。

3.根据权利要求1所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料，其特征在于：该混合料的主要组分，按重量份计优选为：

沥青路面回收材料70-85份、碎石15-29份、橡胶粉1.5-3份、乳化沥青3.5-5份、水泥1-1.8份。

4.根据权利要求2所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料，其特征在于：所述乳化沥青的主要组分，按重量份计优选为：

基质沥青65-70份、乳化剂2.5-4份、水30-35份。

5.根据权利要求1所述的一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料，其特征在于：所述橡胶粉为20-40目的子午胎或者斜交胎或者其他废旧汽车轮胎粉碎所得胶粉颗粒。

6.一种柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)按上述混合料的各组分要求，称取各原料组分；

(2)将乳化剂加入水中搅拌均匀，制成皂液并加热至55℃-65℃，保温；其中基质沥青加热至125℃-135℃；

(3)将步骤(2)中所制皂液倒入胶体磨中循环，边循环剪切边缓慢加入热的基质沥青，待所有基质沥青加入胶体磨后，继续循环剪切1分钟，即可制得乳化沥青；

(4)将沥青路面回收材料、碎石、橡胶粉、水泥及步骤(3)中制备的乳化沥青混合，室温条件下搅拌均匀即可得到柔性橡胶乳化沥青冷再生混合料。