橡胶颗粒沥青混合料的稳定性能

2013-07-13翟科玮杨建峰李文杰

河南科技大学学报(自然科学版) 2013年3期

翟科玮，杨建峰，李文杰，梁斌

(1.洛阳市农村公路管理处，河南洛阳471002;2.河南科技大学规划与建筑工程学院，河南洛阳471023)

0 引言

新型橡胶颗粒沥青混凝土材料，是将废旧的橡胶轮胎破碎成具有一定形状和粒径的颗粒，代替部分细集料。以集料的形式掺入沥青混合料中修筑路面，是废旧轮胎回收利用的主要途径之一，也是近年来的热点研究领域[1-3］。橡胶颗粒沥青混凝土路面具有许多改良的路用性能，如延性好、抗裂性能强、吸收能量高等性能。由于橡胶颗粒的高弹性，橡胶颗粒沥青混合料修筑的路面具有良好的降噪效果[4］。因为有高弹性橡胶颗粒的存在，橡胶颗粒沥青路面表面冰层的受力状态得到改变，在行驶车辆荷载的作用下能够抑制路面结冰，为寒冷地区抑制路面结冰提供了新的方案[5-7］。目前，橡胶颗粒沥青混合料的研究主要集中于间断级配，其他类型级配为基础的橡胶颗粒沥青混合料的研究还很少[8］。

本文中橡胶颗粒沥青混合料采用连续级配集料和改性沥青，对混合料的成型工艺、马歇尔稳定度和高温稳定性进行了室内试验，室内试验的结果表明:废旧橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔稳定度和高温稳定性均得到提高，性能优于普通连续密级配AC沥青路面。

1 橡胶颗粒沥青混合料原材料检测与试验级配

1.1 混合料原材料技术性能

根据公路试验规程(JTG E42—2005)[9］要求，在进行配合比设计过程中，应选用表面干燥、洁净无杂质、粗糙的石灰岩作为粗、细集料，以及洁净干燥的石灰石矿粉。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求[10］，检测粗集料的各项技术指标，测试的各项物理力学指标见表1。在表1中，表观相对密度γa为集料的表观密度与同温度水的密度比值;毛体积相对密度γb为毛体积密度与同温度水的密度比值;粗集料中细长的针状颗粒与扁平的片状颗粒的质量分数为Qe;按规定方法测得的石料抵抗压碎的能力，以压碎试验后小于规定粒径的石料的质量分数Qa表示;颗粒粒径小于0.075 mm的集料的质量分数为Q0.075。

试验所用细集料为石屑，其表观相对密度γa为2.653，砂当量值SE为62.1;矿粉的表观相对密度γa为2.802，塑性指数为3.202。橡胶颗粒采用常温粉碎法生产，并选用粒径为1～2 mm和2～4 mm的两种规格。试验用基质沥青为克拉玛依A级道路石油沥青，参数指标见表2，其中，针入度(25℃，100，5 s)是指标准试验条件为温度25℃，试验用针及其附属砝码的总质量为100 g，贯入时间5 s，以0.1 mm为单位标准针的贯入深度;延度(15℃)为规定形态的沥青试样，在15℃条件下以一定速度受拉伸至断开时的长度，以cm表示。改性沥青为SBS改性沥青，参数指标见表3。表2、表3中各试验项目及技术参数详见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[11］。

表1 粗集料各参数指标

表2 基质沥青参数指标

表3 SBS改性沥青参数指标

1.2 混合料级配组成设计

沥青混合料级配主要有连续级配、间断级配、开级配和半开级配等，不同的级配之间存在着力学性能差异。由于橡胶颗粒的密度比粗细集料小，在橡胶颗粒沥青混合料时拌合过程中可能会发生离析，影响到混合料的均匀性，因此，应根据离析的程度选用合适的级配类型。在连续级配中，由于粗集料相对较少，在混合料拌合过程中集料的离析程度通常较低，因此，在路面设计规范中常常把连续级配作为首选。

本项目试验结合成功的工程实例，选择连续密实级配AC-13为基础级配，不同档次的粗集料和细集料混合而成的合成级配的筛孔通过率见表4，表4中数据为试验所用合成级配通过不同筛孔粒径的质量分数。在该级配基础上，橡胶颗粒掺入到沥青混合料中，其占干集料的质量分数为1% ～3%，同时测试混合料的各项力学性能。

表4 合成级配

2 橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验研究

2.1 橡胶颗粒沥青混合料成型工艺研究

沥青混合料成型方法通常有马歇尔击实法、振动成型法、选择压实法和轮碾法等[12-14］。其中，马歇尔击实法操作相对简单实用，本试验采用马歇尔击实法制作试件，同时，采用马歇尔试验确定橡胶颗粒沥青混合料的最佳油石比。

由于橡胶颗粒沥青混合料中橡胶颗粒的存在，降低了马歇尔试件的密实度。有效提高试件密实度是试件成型的关键之一，试验中采用一次成型试件和二次成型试件进行对比研究[15-16］。混合料的拌合温度为170℃，马歇尔一次成型时，击实温度控制在150～160℃，两面分别击实75次;马歇尔二次成型时，第1次击实温度为150～160℃，两面分别击实50次，第2次击实温度为80℃，两面分别击实25次。

根据设计的最佳油石比，本试验中橡胶颗粒掺量占干集料的质量分数分别为1%、2%和3%，橡胶颗粒粒径为2～4 mm;油石比是指沥青混凝土中沥青与矿料的质量之比，试验中取油石比为5.3%，并按照规范要求进行混合料拌合。马歇尔稳定度为按规定条件采用马歇尔试验仪测定的沥青混合料所能承受的最大荷载，单位kN;流值为马歇尔试验时相应于最大荷载时试件的竖向变形，单位mm。表5和表6分别给出了一次成型方法和二次成型方法的马歇尔试验结果，各项试验指标详见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[11］。

表5 一次成型马歇尔试件体积参数及力学指标

表6 二次成型马歇尔试件体积参数及力学指标

试验结果表明:采用二次成型方法时，橡胶颗粒被嵌挤在粗集料之间，并由于沥青的黏结束缚作用，使橡胶颗粒沥青混合料被压实。与一次成型时相比，二次成型混合料的回弹率已经大为减小，马歇尔试件的空隙率也相应减小。二次成型方法能有效改善混合料的密实度，同时使马歇尔稳定度有一定的提高，空隙率和回弹变形也减小，因此，橡胶颗粒沥青混合料应选用二次成型作为成型方法。

2.2 不同橡胶颗粒沥青混合料性能比较

橡胶颗粒的掺入使混合料产生溶胀作用，会改变沥青的部分性能，而SBS改性沥青比基质沥青的黏结性强，因此，试验中采用SBS改性沥青，并选用粒径为1～2 mm的橡胶颗粒。进行马歇尔试验时，试验中取油石比为5.3%，拌合温度为170℃，原材料的投放顺序不变，选用二次击实法成型马歇尔试件。表7给出了马歇尔试验各项技术指标，各项试验指标详见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[11］。

表7 马歇尔试验体积参数及力学指标

试验结果表明:当采用1～2 mm小粒径橡胶颗粒时，马歇尔稳定度有一定的提高;同时，由于采用了SBS改性沥青作为胶凝材料，增强了沥青与矿料的黏结作用，对马歇尔稳定度的提高也起到了一定的促进作用。

3 橡胶颗粒沥青混合料高温稳定性试验研究

沥青混合料的高温稳定性是用来评价在夏季高温的条件下，沥青路面在车辆荷载长期作用下产生的推移和车辙等病害[17］。有多种方法可以评价混合料的高温稳定性，本项目采用规范推荐的车辙试验来评价橡胶颗粒沥青混合料的高温稳定性。

车辙试验材料仍按照设计级配，选用1～2 mm的橡胶颗粒，橡胶颗粒的掺量分别为1%、2%、3%。试验时车辙板的制作应符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000)[11］的要求，按照规范T0703要求采用轮碾机制作尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板。

将车辙板放入车辙试验机内，温度设定为60℃，保温时间为6 h。将带有试模的车辙板安放于支撑架中部，同时使橡胶轮的行走方向与车辙板成型时的方向一致。开启启动按钮，开始进行试验，计算机将记录每一时刻车辙板的变形。当试验时间达到1 h，或者未达到规定的时间但变形已经超过25 mm时，试验机将自动停止，此时可以读取数据并计算动稳定度。橡胶颗粒沥青混合料试件的动稳定度计算如式(1)所示，车辙试验结果见表8，其中，45 min车辙板沉陷深度为H45;60 min车辙板沉陷深度为H60;车辙轮碾压次数为DS。

式中，d1为相对于时间t1的车辙板沉陷量，mm;d2为相对于时间t2的车辙板沉陷量，mm;C1为试验机类型修正因数，当设备为曲柄连杆驱动试件时，其值取1;C2为试件因数，当在实验室制备宽300 mm的试件时，其值为1.0;N为试验橡胶轮往返碾压的速度，一般取42 min-1。

表8 橡胶颗粒沥青混合料车辙试验数据表

试验结果表明:橡胶颗粒沥青混合料中由于橡胶颗粒的存在，在车辙试验初期，在橡胶轮的作用下变形量稍大，复现性不好，试验数据误差大。车辙试验后期，变形趋于平稳，可采集数据来分析橡胶颗粒沥青混合料的抗车辙能力。

动稳定度是衡量沥青混合料高温稳定性的重要指标，混合料的动稳定性越高，其抗车辙的能力就越强，高温稳定性就越好。在橡胶颗粒沥青混合料中，由于橡胶颗粒的存在，类似一个小预应力块，提高了混合料抵抗外力的能力，从而使混合料的抗车辙能力得到较大的改善。参照《公路沥青路面施工技术规范》关于沥青混合料动稳定度的技术要求，该橡胶颗粒沥青混合料可用于夏凉区的高速公路和一级公路的面层。

4 结束语

研究表明:橡胶颗粒沥青混合料与普通沥青混合料相比，马歇尔稳定度有所降低，流值稍微偏大。当采用二次成型工艺时，橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔稳定度有显著的提高。橡胶颗粒粒径过大会影响到其与沥青的黏接，因此，需要选择粒径较小的橡胶颗粒。改性沥青能提高沥青和橡胶颗粒、集料之间的黏结力，使橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔稳定度得到提高。橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度较普通沥青混合料有所提高，随着橡胶颗粒掺量的增加，动稳定度随之提高，改善了沥青混合料的高温稳定性。根据马歇尔试验和高温稳定性试验的结果，废旧轮胎橡胶颗粒代替部分细集料掺入连续级配沥青混合料是可行的，本橡胶颗粒沥青混合料可用于高速公路和一级公路的面层。

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[9]JTG E42—2005公路工程集料试验规程[S］.北京:人民交通出版社，2005.

[10]JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范[S］.北京:人民交通出版社，2004.

[11]JTJ 052—2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S］.北京:人民交通出版社，2000.

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