HDP橡胶沥青混合料的配合比设计研究

高彦芝++徐洲峰��

摘 要：针对橡胶沥青改性问题，将HDP添加剂与橡胶沥青混合制备HDP橡胶沥青混合料。通过对HDP橡胶沥青混合料马歇尔试件进行车辙试验、低温弯曲试验和冻融劈裂试验等相关技术指标测试，评价其路用性能，验证了HDP橡胶沥青复合改性效果显著，并确定HDP最佳掺量和混合料的最佳配合比。

关键词：HDP橡胶沥青；沥青混合料；配合比设计；路用性能

中图分类号：U416.218 文献标志码：B

Study on Mix Design of HDP Asphalt Rubber Mixture

GAO Yan- zhi， XU Zhou- feng

（School of Traffic and Municipal Engineering， Sichuan College of Architectural Technology，

Deyang 618000， Sichuan， China）

Abstract： HDP asphalt rubber mixture was prepared with asphalt rubber and HDP additive for the study of asphalt rubber modification. Rutting test， low temperature bending test， freeze- thaw splitting test were conducted on the Marshall specimens to evaluate the pavement performance of the mixture. The modification effect of HDP asphalt rubber mixture was proved. The optimal HDP amount and mix proportion for the mixture were determined.

Key words： HDP asphalt rubber； asphalt mixture； mix design； pavement performance

0 引 言

HDP（高耐久性铺装）添加剂是从日本引进的一种沥青改性剂。HDP添加剂与橡胶沥青在一定温度下均匀混合后会发生自催化反应，其产物具有与环氧树脂体系相似的性质。本文提出了HDP橡胶沥青的制备方法，这种材料的广泛应用有利于改良沥青路面的抗水侵害性能、高温车辙性能以及低温抗裂性能，提高路面的服务水平、行车舒适性与安全性，以及延长沥青路面的使用寿命[1]。

1 HDP橡胶沥青的制备

1.1 基质沥青选择

基质沥青采用中海泰州AH- 70#沥青，其主要技术指标符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）中的相关规定。

1.2 橡胶粉制备

橡胶粉是橡胶粉末的简称，是按照常规的研磨方法将废旧橡胶轮胎加工研磨成粉末。废旧轮胎橡胶粉主要的化学成分是天然橡胶、合成橡胶以及碳黑、氧化铁、氧化硅等添加剂，这些成分都可以作为沥青改性剂加以利用。按照美国ASTM6144- 97标准[2]，通常添加的橡胶粉含量不小于沥青用量的15%。本试验采用湿法工艺添加橡胶粉，橡胶粉掺量为沥青用量的18%。

1.3 HDP添加剂

试验采用从日本引进的HDP添加剂，主要由主剂及硬化剂组成，表1为HDP主剂、硬化剂及均匀混合后形成的HDP添加剂技术指标，其中主剂与硬化剂按61∶39的比例掺配。

2 配合比设计原材料

2.1 HDP橡胶沥青

HDP橡胶沥青是将HDP添加剂、橡胶粉与基质沥青通过一定工艺制成的一种复合改性沥青，生产工艺如图1所示。通过对HDP橡胶沥青改性机理进行分析，发现此过程首先是HDP主剂与硬化剂混合发生自催化反应，其次HDP中的环氧基与橡胶粉中的硫醇基反应后对沥青起到增塑增韧的作用[3]，同时环氧基还能改善沥青的高温稳定性和耐疲劳性，复合改性效果显著。HDP橡胶沥青的各项技术指标如表2所示，其中橡胶粉含量为18%，HDP添加剂含量为20%。

2.2 集料

本试验采用的集料规格为9.5～16 mm碎石（1#料）、4.75～9.5 mm辉常岩碎石（2#料），2.36～4. 75 mm碎石（3#料）、0～2. 36 mm机制砂（4#料），矿粉为石灰岩矿粉。

3 HDP橡胶沥青混合料配合比设计

3.1 合成级配的确定

HDP橡胶沥青混合料矿料级配按《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）取值，采用AC- 13C型级配[4]，合成级配结果见表3。

3.2 确定最佳油石比

采用马歇尔法确定HDP橡胶沥青混合料最佳油石比。混合料拌和温度为165 ℃～170 ℃，拌和后将混合料放置于温度为155 ℃左右的烘箱中保温，采用双面击实75次成型。测定HDP橡胶沥青混合料试件毛体积密度、马歇尔稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率（VMA）以及沥青饱和度（VFA）等各项参数[5]，试验结果如表4所示。

3.2.1 确定最佳油石比初始值OAC1

由马歇尔试验结果可知油石比与空隙率、毛体积密度等关系曲线图，如图3所示。在图3上可求取稳定度最大值、毛体积密度最大值、空隙率中值以及沥青饱和度范围中值的沥青用量，分别为a1、a2、a3、a4，取平均值作为OAC1。稳定度最大值的油石比a1=5.2%，毛体积密度最大值的油石比a2=5. 3%，对应规定空隙率范围中值的油石比a3=4. 8%，对应沥青饱和度范围中值的油石比a4=5. 0%，因此OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=5.1%。

图3 沥青混合料油石比与马歇尔指标分析

3.2.2 确定最佳油石比中值OAC2

取各相关指标均符合要求的沥青用量范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2。因此OAC2=（OACmin+OACmax）/2，通过图3可知OACmin =4. 4%，OACmax =5.1%。因此OAC2=（4.4%+5. 1%）/2=4.8%。

3.3.3 确定最佳油石比OAC

通常情况下取OAC1及OAC2的平均值作为最佳油石比OAC。综上分析，确定HDP橡胶沥青混合料的最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.0%。

3.3 HDP橡胶沥青混合料路用性能检验

3.3.1 高温稳定性

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）轮碾法成型车辙试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，采用ZCZ- 10型全自动单、双轮车辙试验仪测试试件实时变形，并计算动稳定度。HDP橡胶沥青混合料高温车辙试验测试结果见表5。

从表5看出，HDP橡胶沥青混合料动稳定度为4 157 次·mm-1，满足规范规定关于改性沥青混合料动稳定度应大于3 000 次·mm-1的要求。参照各国环氧沥青混合料动稳定度实测值及日本规范标准结果，与规定动稳定度在2 000～6 000 次·mm-1的观点相吻合，表明HDP橡胶沥青混合料具有良好抗车辙性[6- 7]。

3.3.2 低温抗裂性

按试验规程，将轮碾法成型车辙板切制成小梁，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，跨径200 mm，分3点加载，加载速率为50 mm·min-1，试验温度为-10 ℃。根据试验测出破坏时最大加载力及跨中挠度，计算试件的抗弯强度、抗弯应变、劲度模量[8]，试验结果见表6。

表6中的试验结果表明，HDP橡胶混合料最大弯拉应变为2 894 με，符合规范关于改性沥青混合料破坏的最大弯拉应变不小于2 500 με的要求，表明HDP橡胶沥青混合料具有良好的低温抗裂性能。

3.3.3 水稳定性

冻融劈裂抗拉强度试验将实际路面上受到的水影响集中强化，模拟水分渗透沥青膜吸附于沥青与石料的界面上，造成沥青和石料之间的粘附力降低。该试验可以直观地反映出沥青混合料受水损害的程度，进而评价沥青混合料的水稳性。

表7中的试验结果表明，通过冻融劈裂抗拉强度试验测定的HDP橡胶沥青混合料水稳定性满足规范规定关于改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比应大于85%的要求。由于集料间有足够的空隙供

HDP橡胶沥青胶浆侧向流动，因此可以有效改善沥青与集料间的粘结力，从而提高混合料的水稳定性。

4 结 语

对HDP橡胶沥青混合料采用马歇尔设计法进行配合比设计，测定马歇尔试件的稳定度、流值、毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度，通过计算分析得出AC- 13C型的HDP橡胶沥青混合料的最佳油石比为5. 0%。对HDP橡胶沥青混合料进行路用性能检验，通过高温稳定性、低温抗裂性能及水稳定性的试验，表明HDP橡胶沥青混合料具有较好的温度稳定性和抗水损害性能力[9]，可有效延长沥青路面的使用寿命。

参考文献：

[1] 夏 玮.废胶粉改性沥青及沥青混合料路用性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[2] 吕伟民，孙大权.沥青混合料设计手册[M].第1版.北京：人民交通出版社，2007.

[3] 冯文欣，季国庆，孔宪明.近年废胶粉改性道路沥青的研究[J].石油沥青，2008，22（1）：6- 11.

[4] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5] 谢 臻.高耐久铺装沥青混合料组成设计与性能研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2013.

[6] 黄文元.轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用研究[D].上海：同济大学，2004.

[7] 黄文元，张隐西.道路路面用橡胶沥青的性能特点与指标体系[J].中南公路工程，2007，32（1）：111- 114.

[8] 刘桂秋，施楚贤，刘一彪.砌体及砌体材料弹性模量取值的研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2008，35（4）：29- 32.

[9] JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[责任编辑：杜敏浩]