橡胶沥青混合料高温性能的影响因素分析

范斌卫，王广山，陈德云，马庆伟，陈振华(.西安公路研究院，陕西 西安 70065; .中国公路工程咨询集团有限公司，北京 00097；.温州信达交通工程试验检测有限公司， 浙江 温州 505； .长安大学教育部道路工程重点实验室，陕西 西安 7006)

橡胶沥青混合料高温性能的影响因素分析

范斌卫1，王广山2，陈德云3，马庆伟1，陈振华4
(1.西安公路研究院，陕西 西安 710065; 2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097；3.温州信达交通工程试验检测有限公司， 浙江 温州 325105； 4.长安大学教育部道路工程重点实验室，陕西 西安 710064)

为了研究橡胶沥青混合料高温性能的影响因素，使用不同级配、黏度、复合改性及抗车辙剂来分析比较其高温性能的变化。对橡胶沥青混合料进行车辙试验、单轴贯入试验、静态模量试验及均匀试验，结果表明：连续级配混合料的高温性能略优于间断级配混合料；贯压试验得到的间断级配混合料的内摩擦角大于连续级配混合料；由均匀试验可知橡胶沥青混合料ARG-16高温性能对9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm档料的用量并不敏感，对矿粉的用量较为敏感。

道路工程；橡胶沥青混合料；高温性能；车辙试验

0 引 言

有关橡胶沥青混合料高温稳定性能影响因素的研究颇多[1-3]，如：王伟通过胶粉来源、胶粉掺量、油石质量比、空隙率、沥青种类等对橡胶沥青混合料高温性能的影响进行了研究；吴应升等应用灰色关联度分析理论，分别从胶结料和级配、油石比和空隙率对橡胶沥青混合料高温性能影响因素进行敏感性分析。本文不同于以往的研究，主要以橡胶沥青混合料的级配类型、橡胶沥青的黏度、复合改性及抗车辙剂等为主要因素来探讨橡胶沥青混合料的高温性能，并利用均匀试验方法来分析橡胶沥青混合料的高温敏感性。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

基质沥青采用加德士90#A级沥青；SBS改性剂为北京燕山4303星型；橡胶粉以货车斜交轮胎为原材料，目数为30目。

沥青混合料使用的粗集料规格为9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm；细集料和填料采用9.5～19 mm石灰岩碎石加工生产的0～2.36 mm的机制砂和0.6 mm规格以下的矿粉。为了比较橡胶沥青混合料的高温性能，橡胶沥青混合料主要参考《橡胶沥青路面施工技术规范》(DG/T J06—2109—2012)进行体积设计，并采用其中的相关技术指标来进行配合比设计。间断级配橡胶沥青混合料ARG-16、ARG-13和连续级配橡胶沥青混合料ARC-16、ARC-13的最佳油石比见表1。

表1 各种混合料的最佳油石比 %

1.2 试验方案

本文采用车辙试验、单轴贯入试验和静态模量试验来评价橡胶沥青混合料的高温性能。

2 影响因素分析

2.1 级配类型的影响

2.1.1 不同级配的橡胶沥青混合料高温稳定性

针对陕西省地方标准的间断级配ARG-13、ARG-16混合料和连续级配ARC-13、ARC-16混合料的高温性能，本文从抗剪强度和动稳定度来进行评价，试验结果见表2。

表2 不同级配橡胶沥青混合料的高温性能

温度级配类型抗剪强度/MPa内摩擦角/(°)动稳定度/(次·mm-1)相对变形/%60℃ARG-130.4146.533694.10ARG-160.6146.030144.52ARC-130.4243.838183.58ARC-160.4642.738414.21

从抗剪强度指标及内摩擦角指标可得：除了ARG-16混合料的抗剪强度略大外，其余3种混合料差别不大；间断级配混合料由于形成了骨架密实结构，比悬浮密实结构的连续级配混合料的内摩擦角要大。从动稳定度指标及相对变形指标可得：4种混合料的动稳定度差别不大，连续级配的ARC-13、ARC-16混合料的高温性能略好于间断级配的ARG-13、ARG-16混合料；由于连续级配并没有很大的空隙来容纳胶粉颗粒，且连续级配橡胶沥青混合料的沥青膜厚度较小(ARG-13为9.6 μm，ARC-13为9.6 μm；ARG-16为11.1 μm，ARC-16为9.8 μm。)，因此其混合料相对变形较小。

由表2可知，4种混合料的高温稳定性指标都不是太高，且连续级配略优于间断级配[4-5]。

2.1.2 间断级配混合料高温敏感性

选择间断级配类型ARG-16对9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm、矿粉、橡胶沥青进行配比，采用均匀试验分析最佳级配下混合料的高温敏感性，主要验证橡胶沥青路面在施工过程中的施工误差(主要是各档料量的变化)对高温性能的影响。在固定橡胶沥青用量的情况下，以抗剪强度为设计指标，9.5～16 mm档料的用量、4.75～9.5 mm档料的用量、0～2.36 mm档料的用量、矿粉的用量分别记为x1、x2、x3、x4，各因素范围分别为44%～64%、18%～38%、9%～14%、4%～9%，参考均匀设计相关文献[7]采取4因素6水平表，试验方案见表3。

表3 均匀试验方案 %

为研究各档料的不同用量对混合料高温性能的影响，根据上述试验方案成型6组静压试件(每组3个)并通过单轴贯入试验确定其抗剪强度，油石比不变(按最佳油石比6.1成型)，试验结果如表4所示。

(1)回归分析。将x1、x2、x3、x4分别作为自变量，抗剪强度作为因变量，利用SPSS软件采用回归法进行线性回归分析，设置显著水平为0.05，得到回归方程为：y=0.746-0.049x4。该方程的相关系数R2=0.437。

表4 均匀试验结果

由回归方程可见，x1、x2、x3的标准回归系数均为0，即实际工程中对9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm矿料的用量不是很敏感；而x4的标准回归系数为-0.049，说明随着矿粉的增加，混合料高温性能是衰减的，即矿粉的用量对橡胶沥青混合料ARG-16抗剪强度的影响显著。

(2)回归方程显著性检验。回归方程是否合理，需要检验其显著性。利用F分布检验回归方程的显著性，结果如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析表可得，对于给定的显著水平(0.05)，检验值Ft=3.106，临界值F(0.05，1，4)=7.71，Ft

(3)回归方程的讨论。针对x1、x2、x3、x4四者之间两两的交互作用，探讨多元线性方程的组合，仍然得出回归方程中涉及到x1、x2、x3的标准回归系数均为0，且回归方程均不显著，由此可以得出：橡胶沥青混合料ARG-16的高温敏感性除了受矿粉用量的影响外，还受沥青用量及级配等因素的影响。

2.2 橡胶沥青黏度的影响

《陕西省废旧轮胎在沥青路面的应用研究》课题中已对橡胶沥青混合料高温性能的影响因素进行了研究，得出采用20～80目胶粉的混合料动稳定度在2 000～4 000 次·mm-1之间，17.5%～25%胶粉掺量的混合料动稳定度在2 000～4 000 次·mm-1之间，因而胶粉的目数和掺量对混合料的性能影响不大。另外，该课题组对制备工艺对橡胶沥青高温稳定性的影响做了对比，如表6所示。

从表6可知：相同的橡胶粉掺量(22%)和油石比下，搅拌法制备的混合料的动稳定度均高于剪切法，即黏度大(搅拌法的黏度大于剪切法)的混合料高温性能较好。这主要是因为剪切作用会使橡胶沥青中的胶粉更小，黏度减小，导致混合料的动稳定度略小[6-8]。

表6 不同制备工艺对混合料高温性能影响

2.3 复合改性和抗车辙剂的影响

橡胶沥青混合料的高温性能不如SMA混合料，为此采用橡胶沥青复合SBS改性以及添加抗车辙剂等措施来提高其高温稳定性能，试验结果见表7。

表7 复合改性和车辙剂对混合料高温性能的影响

反映高温性能的橡胶沥青混合料的抗剪强度与动稳定度指标如图1所示，比较添加抗车辙剂和复合SBS改性的措施对混合料高温稳定性能的影响，可得以下结论。

图1 动稳定度与抗剪强度试验结果

(1)加入抗车辙剂后，橡胶沥青混合料的模量增大，沥青路面的承载力整体增强。

(2)加入抗车辙剂后，橡胶沥青混合料动稳定度及抗剪强度指标均增大，说明抗车辙剂能增强橡胶沥青混合料的高温性能。

(3)复合橡胶沥青混合料CR/SBSG-16的动稳定度为7 412 次·mm-1，抗剪强度为0.972 MPa，均大于橡胶沥青混合料ARG-16，说明复合SBS改性也能改善橡胶沥青混合料的高温性能[9-10]。

3 不同抗车辙剂的路用性能对比分析

本文所用到的抗车辙剂为西安公路研究院材料所独立自主研发的HXR-1型抗车辙剂，与之对比的是广州路翔的抗车辙剂，采用ARG-13混合料从高温、低温、水稳定性能来比较抗车辙剂的优劣。

(1)高温性能。ARG-13混合料以及添加不同抗车辙剂后的车辙试验结果见表8。

表8 车辙试验结果

(2)低温性能。ARG-13混合料以及添加不同抗车辙剂后的低温弯曲试验结果见表9。

表9 低温弯曲试验结果

(3)水稳定性能。ARG-13混合料以及添加不同抗车辙剂后的冻融劈裂试验结果见表10。

表10 冻融劈裂试验结果

从2种抗车辙剂的主要路用性能指标的比较可知：HXR-1型抗车辙剂改善沥青混合料高温性能的效果比路翔抗车辙剂要好，约提高了45%；加入抗车辙剂后混合料硬度变大，破坏挠度较小，故破坏应变均小于不加抗车辙的混合料，其中加入HXR-1型抗车辙剂的混合料的低温抗裂能力略好于加入路翔抗车辙剂的混合料；添加HXR-1型抗车辙剂的混合料的残留强度比为94.37%，比ARG-13混合料要好，加入路翔抗车辙剂的混合料的水稳定性能最差。综上，加入HXR-1型抗车辙剂的混合料路用性能优于加入路翔抗车辙剂的混合料。

HXR-1型抗车辙剂的主要作用机理有2个方面。首先是宏观物理作用：拌和过程中，抗车辙剂在高温下软化形成弹性体，在强力机械搅拌和剪切力的作用下发生弹性变形、熔融、拉丝，分布在沥青和集料之间，对沥青混合料起到加筋和胶结作用。第二是黏聚作用：由于沥青混合料的搅拌和压实温度高于抗车辙剂的软化温度，抗车辙剂颗粒处于黏流态，具有可塑性，在外力作用下，抗车辙剂颗粒根据矿料颗粒间隙形成各种形态；温度下降后，抗车辙剂材料重新恢复固态并维持压实后的形态，从而限制矿料颗粒间的相对滑动，增加矿料颗粒间的黏聚力，提高混合料的高温抗变形性能[11]。

4 结 语

(1)由车辙试验及单轴贯入试验得出：间断及连续级配混合料的高温性能差别不大，连续级配混合料的高温性能略优于间断级配混合料；但是间断级配混合料的内摩擦角大于连续级配混合料的内摩擦角。

(2)由均匀试验得到：橡胶沥青混合料ARG-16对9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm档料的用量并不敏感，对矿粉的用量较为敏感。

(3)由搅拌法和剪切法制备的橡胶沥青混合料的高温性能差别不大，搅拌法的混合料高温性能略优于剪切法，即黏度高的橡胶沥青混合料高温性能略好。

(4)复合SBS的胶粉沥青混合料的高温性能较好，可媲美SMA混合料。无论连续或间断级配，添加抗车辙剂的橡胶沥青混合料高温性能都明显得到改善。

[1] 黄卫东，王伟，李彦伟，等.橡胶沥青混合料高温稳定性影响因素试验[J].同济大学学报：自然科学版，2010，38(7)：1023-1028.

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[3] 吴应升，何琦琪.橡胶沥青混合料高温性能影响因素敏感性分析[J].西部交通科技，2015(4)：18-20.

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[9] 刘贞鹏.SBS/橡胶复合改性沥青混合料高温性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[10] 何立平.基于DMA方法的橡胶沥青粘弹特性和高温性能研究[D].西安：长安大学，2014.

[11] 陈 凯.我国车辙试验与汉堡车辙试验对比研究[D].西安：长安大学，2008.

[责任编辑:杜卫华]

Analysis on Influencing Factors of High Temperature Performance of Rubberized Asphalt Mixture

FAN Bin-wei1, WANG Guang-shan2, CHEN De-yun3, MA Qing-wei1, CHEN Zhen-hua4
(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China; 2. China Highway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100097, China; 3. Wenzhou Xinda Traffic Engineering Test Co., Ltd., Wenzhou 325105, Zhejiang, China; 4. Key Laboratory for Highway Engineering of Ministry of Education, Chnag’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the influencing factors of high temperature performance of rubberized asphalt mixture, different gradation, viscosity, compound modification and rut-resistant agents were used to analyze and compare the change of high temperature performance. Rutting test, uniaxial penetration test, static modulus test and homogeneous test were conducted on the rubberized asphalt mixture. The results show that the high temperature performance of mixture that has continuous gradation is slightly better than that of gap-graded mix; the internal friction angle of the gap-graded mix obtained by the penetration test is bigger than that of mixture that has continuous gradation; it can be seen from the homogeneous test that the high temperature performance of rubberized asphalt mixture ARG-16 is not sensitive to the content of aggregate that passes the mesh of 9.5～16 mm, 4.75～9.5 mm, 0～2.36 mm but the amount of mineral filler.

road engineering; rubberized asphalt mixture; high temperature performance; rutting test

1000-033X(2017)06-0037-04

2016-11-27

陕西省交通厅科技计划项目(15-10k)

范斌卫(1975-)，男，陕西蒲城人，高级工程师，工程硕士，研究方向为路基、路面设计及材料。

U414.01

B