橡胶沥青混合料施工性能研究

谭继宗，黄　刚，谢路璐

(1.广西大学，广西　南宁　530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西　南宁　530007；3.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



橡胶沥青混合料施工性能研究

谭继宗1，2，黄刚2，3，谢路璐2，3

(1.广西大学，广西南宁530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁530007；3.广西交通科学研究院，广西南宁530007)

谭继宗(1985—)，工程师，主要从事道路工程科研及检测工作；

黄刚(1987—)，助理工程师，主要从事道路工程科研及检测工作；

谢路璐(1984—)，助理工程师，主要从事道路工程试验检测工作。

西部交通建设科技项目“薄层橡胶沥青在北部湾水泥路面中的应用技术研究”(编号：2011 318 788 1280)

摘要：为了研究橡胶沥青混合料的施工性能，文章对不同旋转粘度的橡胶沥青混合料的马歇尔体积参数进行了研究，并通过试验模拟分析高温生产工艺对橡胶沥青混合料老化性能的影响。试验结果表明：不同粘度的橡胶沥青对应不同的拌和温度，短时间的存储有利于提高橡胶沥青混合料的水稳定性及高温稳定性。

关键词：橡胶沥青；拌和温度；老化模拟；施工性能

0引言

美国Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)中认为普通沥青混合料施工温度可通过黏温曲线进行确定，认为适合拌和及压实的黏度区间分别为0.17±0.02 Pa·s及0.28±0.03 Pa·s，但认为黏温曲线并不适用于传统橡胶沥青混合料。橡胶沥青胶浆均具有非牛顿流体特性，由于非牛顿流体黏度具有频率依赖性及时间依赖性，因此采用黏温曲线并不能有效确定其施工温度，并且橡胶沥青在沥青混合料的拌和、摊铺及碾压整个施工过程中存在老化现象。沥青材料的老化现象是影响沥青路面使用质量和寿命的最主要因素之一，因而充分考虑老化因素对橡胶沥青混合料性能的影响显得非常重要。

1原材料及橡胶沥青混合料级配

1.1　基质沥青

加工橡胶沥青所用的基质沥青为TIPCO-70#A级道路石油沥青，该沥青的技术性能指标测试结果如表1所示。

表1　TIPCO-70#A级道路石油沥青各项性能试验结果表

1.2　橡胶粉

所用橡胶粉为广西交通科学研究院所产的30~80目橡胶粉，胎源全部为900 mm以上的大货车轮胎，经常温研磨工艺加工而成。其物理和化学技术指标如表2~3所示。

1.3　热料仓各档矿料密度和筛分结果

橡胶沥青混合料所用热料共有4种规格，分别为0~3 mm、3~6 mm、6~10 mm和10~16 mm。各规格热

料和矿粉密度测试结果见表4所示，筛分结果见表5所示。

表2　橡胶粉物理指标检测结果表

表3　橡胶粉化学指标检测结果表(%)

表4　粗集料的技术指标检测结果表

表5　矿料筛分试验结果表

1.4　橡胶沥青混合料级配设计

采用ARAC-13(G)橡胶沥青混合料，设计方法采用马歇尔试验的体积设计方法进行，最终确定最佳油石比为5.4%，最终推荐的生产配合比如表6和表7所示，所设计的ARAC-13(G)橡胶沥青混合料的体积指标如表8所示：

表6　生产配合比矿料比例和油石比数值表

表7　矿质混合料合成级配表

表8　ARAC-13(G)的体积指标表

2不同旋转黏度的橡胶沥青混合料拌和温度确定

胶粉掺量分别取16%、21%、23.5%及24.5%，不同胶粉掺量条件下制备的橡胶沥青混合料黏度如表9所示。为研究目前作为核心指标的180 ℃旋转黏度及粉胶比与橡胶沥青混合料拌和温度之间的关系，对采用表9中不同黏度结合料的橡胶沥青混合料进行击实试验，试验过程中每组沥青混合料均采用2组油石比，击实次数为双面75击。不同温度条件下橡胶沥青混合料空隙率与拌和温度关系如图1~4所示。

表9　不同橡胶沥青旋转黏度数值表

图1　A型橡胶沥青混合料试件空隙率曲线图

图2　B型橡胶沥青混合料试件空隙率曲线图

图3　C型橡胶沥青混合料试件空隙率曲线图

图4　D型橡胶沥青混合料试件空隙率曲线图

由图1~4可以看出，对于具有不同粉胶比及采用不同黏度结合料的橡胶沥青混合料而言，其施工温度与混合料试件空隙率之间的规律存在差异性，主要影响规律如下：

(1)黏度对橡胶沥青混合料适宜拌和温度区间的影响十分明显，随着结合料黏度的升高，拌和温度对空隙率的影响愈发敏感。对于采用黏度为1 Pa·s的A型混合料而言，在170 ℃~200 ℃温度区间内，拌和温度对混合料空隙率影响程度较小；对于B型沥青混合料，拌和温度在180 ℃~205 ℃之间时，空隙率受拌和温度影响较小；而当黏度进一步增加时，拌和温度对混合料空隙率的影响更为明显，对于C型及D型混合料其拌和温度需分别大于185 ℃及190 ℃，拌和温度对混合料空隙率的影响程度才得以降低。

(2)对于橡胶沥青混合料而言，过低的施工温度会导致压实困难，而过高的温度则有可能导致胶粉降解加速。最终认为对于结合料180 ℃黏度区间为1~3 Pa·s的橡胶沥青混合料，拌和温度宜控制在170 ℃~185 ℃；对于结合料180 ℃黏度区间为3~5 Pa·s的沥青混合料，拌和温度宜控制在180 ℃~190 ℃；对于结合料黏度>5 Pa·s的沥青混合料，拌和温度宜>185 ℃；当黏度过大导致拌和温度需>190 ℃以上的沥青混合料，宜对结合料采用降黏处理以防止拌和温度过高而导致混合料性能衰减。

3短期老化对橡胶沥青混合料性能的影响

3.1　橡胶沥青混合料储存试验方案

由于普通的沥青混合料出料温度一般都控制在155 ℃~160 ℃左右，沥青混合料拌和、运输、摊铺、碾压直到开放交通的过程是一个温度降低的过程，这个过程的长短随着工艺、机械、运距、操作水平等因素的影响而不同，已有研究表明，采用135 ℃强制通风烘箱加热与这个过程相当。而橡胶沥青混合料的生产温度相对普通沥青混合料要高20 ℃左右，采用同样的温度显然不符合实际生产条件，所以可按下页表10的设计方案模拟高温对橡胶沥青混合料老化的影响。

把拌和好的沥青混合料盛入事先准备好的搪瓷盘中，并按规范要求的松铺量(21~22 kg/m2)进行松铺，然后将松铺好的沥青混合料放上标签，放入能进行强制鼓风的烘箱中进行老化，老化温度定为165 ℃±2 ℃，老化过程中每隔1 h应对沥青混合料进行翻料一次，由于烘箱内各层温度可能不同，应时常调摆放位置。

表10　橡胶沥青混合料存储试验方案表

3.2　存储时间对橡胶沥青混合料水稳定性的影响

橡胶沥青混合料在室内拌和完成后，按照试验方案，在165 ℃强制通风的条件下，分别老化0~10 h，间隔2 h按规范要求成型马歇尔试件，然后进行浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验。浸水马歇尔试件空隙率在3.9%~4.3%，稳定度在11~13 kN之间；冻融劈裂试件的空隙率在7.3%~7.8%，劈裂强度在0.5~0.8 MPa。试验结果见表11~12。

表11　浸水马歇尔稳定度试验结果数值表

表12　冻融劈裂试验结果数值表

由表11~12可以看出，橡胶沥青混合料的水稳定性随着存储时间的延长，表现出一定的规律：

(1)橡胶沥青混合料的水稳定性随着存储时间的延长，水稳定性呈现出先增大后减小的趋势。

(2)在0~4 h的老化时间内，橡胶沥青混合料的残留稳定度及冻融劈裂强度比一直在上升，残留稳定度指标从97%提高到106%，提高了10%左右；冻融劈裂强度比从81%提高到97.9%，提高了20%。这说明橡胶沥青混合料在165 ℃的老化条件下，水稳定性能不断提高且效果较为明显，主要的原因是橡胶粉与基质沥青的共混反应在混合料的拌和、存储及运输这个过程中继续发生，两者共混程度的增大直接影响橡胶沥青的性能，从而提高了混合料的水稳定性能。

(3)随着老化时间的延长，从4 h增加到10 h，残留稳定度及冻融劈裂强度比急剧降低，残留稳定度指标从106%降低到86.9%，降低了约17.0%；而冻融劈裂强度比从97.9%降到75.2%，降低了23%。按照残留稳定度不低于85%及冻融劈裂强度比不低于80%的设计要求，残留稳定度指标仍符合设计要求，而冻融劈裂强度比在老化8 h后低于设计指标。

3.3　老化时间对橡胶沥青混合料高温稳定性能的影响

按照老化试验方案，对施工现场拌和的沥青混合料及室内新拌和的混合料进行汉堡车辙试验，研究混合料老化时间对高温性能的影响，试验方案如下，试验结果见图5。

方案A：从施工现场运料车中取回的混合料二次加热后在165 ℃下养生0~10 h，间隔2 h成型车辙试件，在60 ℃空气浴下进行20 000次汉堡车辙试验；

方案B：试验室内按设计的配合比拌好混合料后，在165 ℃下养生0~10 h，间隔2 h成型车辙试件，在60 ℃空气浴下进行20 000次汉堡车辙试验；

方案C：试验室内按设计的配合比拌好混合料后，在165 ℃下养生0~10 h，间隔2 h成型车辙试件，在50 ℃下进行20 000次浸水汉堡车辙试验。

图5　老化时间对混合料高温稳定性能的影响示意图

图5为不同老化时间的汉堡车辙的折线图，由图5可以看出，橡胶沥青混合料的高温性能随老化时间的延长呈现一定的变化规律，通过分析得出以下几点结论：

(1)同一老化水平作用下，方案A的车辙深度小于方案B和方案C，主要的原因是方案A的橡胶沥青混合料进行了二次加热，而且加热达到能够碾压的时间需要4~6 h，甚至更长的时间，二次加热过程加剧了混合料的老化程度，混合料的抗车辙能力增大；

(2)同一老化水平作用下，50 ℃浸水汉堡试验的车辙深度远大于60 ℃的空气浴汉堡车辙深度，这说明了水和高温的耦合作用对橡胶混合料的抗车辙能力影响很大，水在沥青混合料中起到润滑的作用，降低了沥青与矿料的黏附性，使得混合料的抗剪能力变弱，抗车辙能力变小；

(3)0~6 h的短期老化，三个方案的混合料抗车辙能力都表现出随着老化时间延长而增大的规律。在前面也提到，橡胶沥青混合料在高温存储下，不仅存在着橡胶沥青的老化过程，还存在着橡胶颗粒的溶胀反应，这两个因素的存在都能提高橡胶沥青混合料的劲度模量，从而提高沥青混合料的高温性能；

(4)当老化时间>6 h后，橡胶沥青混合料的抗车辙能力减弱，与别的学者研究的不同种类改性沥青的规律不同，可能是因为橡胶沥青只有部分胶粉颗粒与基质沥青共混，混合料在165 ℃的高温存储下，薄膜状态的橡胶沥青中的轻质组分更容易挥发，沥青膜变得更薄，使得集料之间的黏聚力减弱，抗剪能力下降，造成高温稳定性能下降。

4结语

(1)橡胶沥青结合料具有典型的非牛顿流体特性，传统的各类沥青混合料施工温度确定方法并不适用于橡胶沥青混合料，通过建立拌和温度、橡胶沥青黏度及空隙率之间的关系确定了不同黏度橡胶沥青制备的混合料的最佳拌和温度。

(2)橡胶沥青结合料性能的变化不仅表现在制备及存储阶段，同样存在于橡胶沥青混合料的生产阶段。短时间的存储有利于提高橡胶沥青混合料的水稳定性及高温稳定性。

(3)沥青混合料老化的主体是沥青结合料，集料的组成、沥青与集料的相互作用对沥青混合料的老化也起着重要作用，而橡胶沥青混合料由于胶粉的存在，其老化的因素变得更加复杂，温度等环境因素在室内很难模拟。采用165 ℃对橡胶沥青混合料进行短期老化的科学性及老化机理还有待进一步研究。

参考文献

[1]王旭东.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]JTJ052-2000，沥青与沥青混合料试验规程[S].

[3]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

Research on Construction Performance of Rubber Asphalt Mixtures

TAN Ji-zong1，2，HUANG Gang2，3，XIE Lu-lu2，3

(1.Guangxi University，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007； 3.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：In order to study the construction performance of rubber asphalt mixtures，this article studied the Marshall volume parameters of rubber asphalt mixtures with different rotational viscosity，and analyzed the effects of high temperature production process on the aging performance of rubber asphalt mixtures through experimental simulations.The experimental results showed that：the rubber asphalt of different viscosity cor-responds to different mixing temperature，and short-term storage will help improve the water stability and high temperature stability of rubber asphalt mixtures.

Keywords：Rubber asphalt； Mixing temperature； Aging simulation； Construction performance

收稿日期：2015-05-05

文章编号：1673-4874(2015)05-0001-04

中图分类号：U416.218

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.001

基金项目

作者简介