橡胶颗粒对再生沥青混合料马歇尔力学指标的影响

张勤玲　王强兵　王少鹏

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



橡胶颗粒对再生沥青混合料马歇尔力学指标的影响

张勤玲王强兵王少鹏

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

摘要橡胶颗粒以代替部分细集料的形式掺入再生沥青混合料中，制备成橡胶颗粒量掺量为0%，2%，3%的再生橡胶颗粒沥青混合料。首先，通过马歇尔试验分析不同掺量的橡胶颗粒对最佳新沥青用量OAC、OACmax和OACmin的影响，确定了不同橡胶颗粒掺量的再生混合料的最佳新沥青用量；其次，通过分析在最佳新沥青用量下，橡胶颗粒掺量和马歇尔试验指标的关系，探究不同掺量的橡胶颗粒对马歇尔试验各指标的影响存在最佳橡胶颗粒掺量。试验结果表明：再生橡胶颗粒沥青混合料中橡胶颗粒的最佳掺量为1. 5%，新沥青掺量为4. 12%；随着橡胶颗粒的掺入及掺量的增加，再生混合料的稳定度和流值与普通再生沥青混合料的相比，稳定度值偏小，稳定度峰值的出现相对滞后，流值偏大。

关键词道路工程；橡胶颗粒；再生沥青混合料；马歇尔试验

随着中国经济水平的不断增长，汽车工业的迅速发展，汽车保有量迅速增加。据不完全统计，2013年中国废旧轮胎的生产量居世界第一，达到2. 8亿条，总质量约为1. 018×108 t，而目前中国的废旧轮胎回收率却不足50%，大量的废旧轮胎给中国环境造成了巨大压力，被称为“黑色污染”[1-2]。纵观国内外对废旧轮胎橡胶在路面工程中的研究情况可以发现，随着人们环保节能意识的不断提高，路面铺装技术的研究已成为重点，而橡胶颗粒的加入有利于改善沥青混合料的抗高温变形和抗车辙性能，使该项研究必将具有广阔的应用前景[3-4]。但是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[5-8]，对于再生橡胶颗粒沥青混合料性能研究还较少。本文通过室内马歇尔试验来研究不同掺量的橡胶颗粒对再生沥青混合料马歇尔力学指标的影响。

1原材料及试验级配

1.1回收沥青路面材料(reclaimed asphalt pavement，RAP)

旧沥青混合料在使用过程中，受自然环境、行车荷载等多种因素的影响，粗集料不断细化，细料增多，沥青老化，因而在其再生过程中，将会导致再生沥青混合料性能的衰减。本试验中用于再生RAP取自阿拉尔主干道大学路铣刨下来的沥青路面上面层。采用离心抽提法得到RAP中旧沥青含量为4. 9%。将抽提后的矿料根据规程[9]中T0725-2000试验进行筛分，得到RAP料的矿料级配如表1所示。由表1可知，RAP的矿料级配筛分试验不满足规范[10]要求，需要参加新集料加以调整。再生混合料采用AC-13Ⅱ级配作为基础级配。

表1　RAP级配

为了恢复旧沥青的性能，确保旧沥青的性能稳定，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。其各项指标见表2。

表2　克拉玛依90 #道路石油沥青技术指标

本试验采用的橡胶颗粒(Rubber Particles，以下简称RP)是由废旧轮胎在常温下粉碎而成，采用的橡胶颗粒粒径大小为1-2. 5 mm小橡胶颗粒(Small Rubber Particles，以下简称SRP)，其技术指标见表3。

表3　橡胶颗粒的技术指标

2.1试件成型工艺

再生橡胶颗粒沥青混合料的马歇尔试件拌和成型工艺与普通沥青混合料不同，为使容重较小的橡胶颗粒在再生混合料中分散均匀，需要增加拌合时间。先将备好的RAP放置烘箱中加热至其软化，然后将已软化的RAP和称好的橡胶颗粒倒进搅拌缸进行拌合；然后依次加入新集料、新沥青和矿粉，总拌合时间控制在4 min内。其中，旧料在烘箱的加热温度为90 ℃，在搅拌缸中的拌合温度170 ℃。再生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[9]。其拌和流程如图1所示。

图1　再生橡胶颗粒沥青混合料拌合流程

2.2试验结果

为研究橡胶颗粒对再生沥青混合料马歇尔力学指标的影响，将橡胶颗粒作为外掺料，以不同掺量(0%，2%，3%)以骨料形式掺入到再生混合料中，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[11]，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，并对试验结果进行分析。为了方便比较分析试验结果，RAP掺量单一，为40%。

按照规程[9]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，测定稳定度和流值力学指标。为了能更直观的分析不同掺量的橡胶颗粒对再生沥青混凝土马歇尔试验指标的影响，分别以新沥青用量为横坐标，以毛体积密度、间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值为纵坐标，绘制沥青用量与马歇尔物理力学指标之间的关系曲线图，见图2所示。

图2　马歇尔试验指标与新沥青用量关系

由图2可知，随着新沥青用量的增加，各橡胶颗粒掺量下的再生沥青混合料的毛体积密度(p1)、沥青饱和度(VFA)、稳定度(MS)都是随新沥青用量的增加均呈现出先增大后减少的走势，都出现一最大值；试件的空隙率(VV)和间隙率(VMA)皆呈现出先减小后增大的走势，存在一最小值；而流值(FL)则随新沥青用量增加而增加。因此，可得出不同橡胶颗粒掺量下的再生沥青混合料的各项试验指标的变化规律基本相同，各橡胶颗粒掺量下的再生沥青混合料必然存在一个最佳的新沥青掺量。

因此，取图2中MS最大值、p1最大值、VV和VFA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，根据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沥青混合料的最佳新沥青用量。由此可计算出，不同橡胶颗粒掺量的再生沥青混合料的最佳新沥青用量，结果见表4所示。

表4　再生橡胶颗粒沥青混合料马歇尔试验结果

由表4可知，橡胶颗粒掺量为3%的再生沥青混合料的沥青饱和度指标已超出规范[10]要求。随着橡胶颗粒掺量的增加，新沥青用量也随之增加；毛体积密度(p1)和稳定度(MS)呈现先增大后减小的走势，存在一个最大值；试件的空隙率(VV)则一路走低；沥青饱和度(VFA)和间隙率(VMA)则呈现先减小后增大的走势，出现一个最小值；而流值(FL)则随橡胶颗粒掺量的增加先增加后减小。

同样，也可以采用马歇尔试验法来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。同样，可以橡胶颗粒掺量为横坐标，以新沥青用量，毛体积密度、间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值分别为纵坐标，将表4试验结果点入坐标中，绘制出橡胶颗粒掺量与各指标之间的关系曲线图(图略)。用前面同样的方法可计算出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%。

原因分析：由图2和表4可知：在再生混合料中，当掺入2%，3%的橡胶颗粒时，与普通再生沥青混合料相比，马歇尔稳定度分别降低了1. 08 kN和1. 62 kN，流值分别增加了3. 6 mm和1. 2 mm。掺入橡胶颗粒的再生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增加而增加，也引起再生混合料的沥青饱和度和流值随之增大；与普通再生沥青混合料的相比，再生橡胶颗粒沥青混合料的稳定度偏小，稳定度峰值的出现相对滞后，流值偏大。一方面是因为橡胶颗粒对沥青的吸附作用强于石料；另一方面，由于橡胶颗粒以骨料形式加入再生混合料中，其低强度、高弹性特性使得再生混合料在试件击实成型和冷却过程中会对矿料骨架有一定的反弹作用，导致再生混合料内部出现松散现象，进一步增大了再生混合料的变形量，造成再生橡胶颗粒沥青混合料试件内部出现一定的损伤。

3结论

3.1由废旧橡胶轮胎常温粉碎形成的橡胶颗粒以代替部分细集料的形成应用于再生沥青混合料的设计中，其施工工艺方便可行，经济性好，为废旧橡胶轮胎的回收利用提供了一条有效可行途径，同时有利于保护环境，节约社会资源。

3.2由马歇尔试验可知，不同掺量的橡胶颗粒对再生沥青混合料的马歇尔试验指标均有一定影响。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基本相同，再生橡胶颗粒沥青混合料的稳定度偏小，其峰值的出现相对滞后，流值偏大。

3.3由于橡胶颗粒自身低模量、高弹性特点，其在再生混合料中的掺量必然存在一个最佳值。由马歇尔试验可确定再生橡胶颗粒沥青混合料的最佳橡胶颗粒掺量为1. 5%，新沥青掺量为4. 12%，但此数值只是一个参考值，其有待于结合其它路用性能试验做进一步验证。

参考文献

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[11]杨洪生.就地热再生沥青混合料配合比设计报告[R].黑龙江省交通科研所,2012.

Effect of Rubber Particles on Recycled Asphalt Mixture Marshall Mechanical Index

Zhang QinlingWang QiangbingWang Shaopeng

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering, Tarim University, Alar， Xinjiang 843300)

AbstractRubber particles to replace part of the fine aggregate in the form of incorporation of recycled asphalt mixture, the amount of preparation into the rubber particles content was 2%, and 3%. First，through Marshall test, the influence of rubber particles content on best the OAC, OACmax and OACmin is analyzed, The best new asphalt content of recycled rubber particles asphalt mixture were determined. Second, through the relationship between the content of rubber particles asphalt dosage and each index of Marshall test under the best content of new asphalt is analyzed. The test results show that: the optimum content of the rubber particles is 1.5%, the corresponding new asphalt content of 4.12%. With the incorporation of rubber particles and the increase of the content of rubber particles, compared with common asphalt mixture, the stability value of the recycled mixtures small, the peak value of stability is lagged, the flow value is larger.

Key wordsroad engineering; rubber particles; asphalt mixture; marshall stability test

中图分类号：U414.701

文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.013

文章编号：1009-0568(2015)04-0083-05

作者简介：张勤玲(1982-)，女，硕士，讲师，主要从事道路工程路面材料方面的研究。E-mail：zhqling20031010@163.com

基金项目：塔里木大学校长基金自然科学项目(TDZKSS201417)；塔里木大学校长基金创新群体研究项目(TDZKPY201401)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201410757003)。

收稿日期：2015-04-28