橡维联沥青混合料路用性能及施工工艺研究

郭 博，高 妮，胡泽辰

橡维联沥青混合料路用性能及施工工艺研究

郭 博1，高 妮1，胡泽辰2

(1.陕西铁路工程职业技术学院道桥工程系，陕西渭南 714000;2.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306)

通过对4种不同级配橡维联沥青混合料的主要路用性能进行比较，得出其最佳级配为AC-13C，橡维联最佳掺量为1．5%，同时通过正交设计，对采用最佳级配、最佳掺量下的橡维联沥青混合料干拌施工工艺的影响因素(搅拌温度、搅拌时间、延迟时间)进行极差分析，得出施工工艺因素影响动稳定度、低温破坏应变及冻融劈裂强度比的敏感性由大到小依次为:搅拌温度、延迟时间、搅拌时间。

橡维联;湿拌工艺;干拌工艺;敏感性

0 引言

随着中国汽车工业的飞速发展和人民生活水平的提高，中国已成为世界上废轮胎量最多的国家，如何将其回收利用、变废为宝，一直以来都是业界的焦点话题。半个多世纪以来，橡胶沥青混合料的施工已形成了干拌法和湿拌法2种工艺［1-4］，目前国内外主要采用的方法是通过湿拌工艺先将橡胶粉与沥青拌和，对其进行改性，从而达到改善沥青混合料路用性能的目的;但此工艺需要增加搅拌罐和反应罐，拌和工序复杂，对外界环境条件(温度)要求严格，改性困难大，且由于橡胶粉与沥青长时间混合会促使橡胶粉逐步降解，影响改性效果，故生产出来的橡胶沥青必须在短时间内尽快用完［5-7］。

由于普通橡胶粉存在上述问题，本文引进颗粒状的新型橡维联材料，该材料一部分通过化学方法对沥青进行改性，解决了物理改性的困难，一部分可充当沥青混合料的填料，降低混合料空隙率，提高密实度，且可采用干拌法，使制备工艺得以简化，方便施工。本文通过对AC-13F、AC-13中值、AC-13C及AM-13四种不同级配的橡维联沥青混合料路用性能进行对比，得出其最佳级配及最佳级配下橡维联最佳掺量。同时，在对比干拌法、湿拌法2种不同工艺的前提下，针对橡维联沥青混合料路用性能，得出较合理的工艺方法，并在此基础上采用正交试验分析橡维联沥青混合料路用性能对搅拌温度、搅拌时间及延迟时间3种工艺参数的敏感性，以便更有效地控制施工质量。

1 材料设计

1．1 原材料

沥青选用韩国SK70#沥青，按照相关规范对沥青的主要指标进行测试，结果如表1所示。

表1 沥青的主要技术指标

粗、细集料分别选用干燥、洁净、表面粗糙、无风化、不含杂质的石灰岩与石灰岩机制砂，砂当量平均值为75%，矿粉采用磨细的石灰石粉，按照相关规范对集料的主要技术指标进行测试，结果如表2所示。

表2 集料及矿粉的主要技术性质

橡维联采用北京天成垦特莱科技有限公司生产的肯特莱牌，该材料主要由40目橡胶粉和维他(TOR)连接剂等组成，呈颗粒状，如图1所示。橡维联中含有的维他(TOR)连接剂(图2)外观呈白色颗粒状，分子具有双键结构，可促使沥青质中的硫元素与橡胶粉颗粒表面的硫发生交联，形成环状或链状的聚合物结构，使胶粉颗粒与沥青之间得到很好的融合。橡维联主要物理技术指标见表3。

图1 橡维联材料

图2 维他(TOR)连接剂

表3 橡维联物理技术指标

1．2 矿料级配

橡维联材料掺入沥青混合料后，可与沥青快速融为一体，矿料级配随之发生改变［8-12］。因本研究主要应用于路面上面层，故选择AC-13F、AC-13中值、AC-13C及AM-13四种沥青混合料作为研究对象，对比其路用性能(主要是高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性)，进而确定最佳级配，以上4种沥青混合料矿料级配如表4所示。

表4 四种沥青混合料矿料级配

1．3 搅拌工艺

本文橡维联沥青混合料搅拌工艺有干拌和湿拌2 种［13］，如图3、4 所示。

图3 干拌工艺

1．4 四种不同级配橡维联沥青混合料配合比设计

图4 湿拌工艺

针对干拌工艺，橡维联外掺量初步确定为沥青质量的1.5%［14-15］，4种不同级配橡维联沥青混合料马歇尔试验结果及最佳油石比见表5、6。

表5 四种不同级配橡维联沥青混合料马歇尔试验结果

表6 四种不同级配橡维联沥青混合料最佳油石比及空隙率

2 橡维联沥青混合料路用性能研究

2．1 四种不同级配橡维联沥青混合料路用性能对比

当搅拌工艺为干拌法时，对4种橡维联沥青混合料进行车辙、低温弯曲及冻融劈裂强度试验，试验结果见表7，并绘制成对比图，如图5～7所示。

表7 四种不同级配橡维联沥青混合料路用性能对比

图5 动稳定度对比

图6 低温破坏应变对比

图7 冻融劈裂强度比对比

可以看出，随着级配的变化，即混合料中粗集料含量的增大，混合料的动稳定度、低温破坏应变均呈现先增后减的趋势，其中AC-13C型混合料达到最大值(动稳定度达5 363次·mm－1，低温破坏应变达3 344με)。分析其主要原因为:在搅拌过程中，一部分橡维联颗粒与沥青融为一体，对沥青进行改性，另一部分留在矿料中，AC-13C型级配(粗集料偏多)的混合料中两部分橡维联颗粒达到最佳状态，沥青的高温稳定性、低温延度均得到很好改善，与矿料间黏结力得到提高，进而混合料高低温性能也得到提高［16-19］。

4种橡维联沥青混合料冻融劈裂强度比均满足规范要求(＞80%)，AC-13C型混合料的冻融劈裂强度比(86.4%)比最大值(86.6%)小0.2%，相差甚微，比最小值(81.3%)大5.1%，提高较为明显。

通过对4种级配橡维联沥青混合料路用性能的分析可知，选用AC-13C型级配可使其混合料高低温性能达到最好，且可兼顾水稳定性，故本文将其定为最佳级配。

2．2 橡维联掺量对沥青混合料路用性能的影响

合理的橡维联掺量可使其混合料获得良好的路用性能，大量试验研究表明，橡维联最佳掺量在1.5%附近，故本文采用 0、1．2%、1．5%、1．8% 四种掺量以及最佳级配AC-13C，分析混合料的高低温性能、水稳性能，确定橡维联最佳掺量。在4种不同橡维联掺量下，混合料主要路用性能见表8，橡维联掺量对混合料动稳定度、低温破坏应变、冻融劈裂强度比的影响见图8～10。

通过分析可知，对于2种不同的施工工艺，橡维联掺量对混合料高低温性能、水稳性能的影响均呈现先增后减的规律。当掺量为1.5%时，动稳定度、冻融劈裂强度比达到最大值，相对基质沥青混合料，动稳定度提高2.55倍(干拌法)和2.50倍(湿拌法)，冻融劈裂强度比提高6.2%(干拌法)和14.2%(湿拌法);掺量为1．8% 时，低 温 破 坏 应 变 达 到 最 大值，相对基质沥青混合料提高1.62倍(干拌法)和1.51倍(湿拌法)。施工单位可根据气候特点选择橡维联的最佳掺量，由于新型橡维联价格较普通橡胶粉昂贵，从经济适用角度综合考虑，确定其最佳掺量为1.5%。湿拌法制备的橡维联沥青混合料的主要路用性能较干拌法提高幅度不大，且湿拌法工艺复杂，故确定最佳施工工艺为干拌法。

表8 四种不同橡维联掺量下其混合料路用性能

图8 橡维联掺量对混合料动稳定度的影响

图9 橡维联掺量对混合料低温破坏应变的影响

图10 橡维联掺量对混合料冻融劈裂强度比的影响

3 橡维联沥青混合料工艺研究

3．1 正交试验设计

本文研究干拌法搅拌温度、搅拌时间及延迟时间3个施工工艺因素对橡维联沥青混合料动稳定度、低温破坏应变及冻融劈裂强度比的影响。根据选定的三因素三水平，选用正交表L9(34)，试验因素、水平见表9。其中搅拌温度、搅拌时间指混合料整个搅拌过程中温度与时间的要求，延迟时间指混合料拌和好后成型试样前的一段时间［20］。

表9 橡维联沥青混合料施工工艺因素水平

3．2 正交试验结果和极差分析

正交试验结果和极差分析如表10、11所示。表11中Ki(i=1，2，3)表示某个因素第i个水平的所有动稳定度(低温破坏应变或冻融劈裂强度比)之和，i为影响因素的水平数。Kij表示其对水平数的平均值，即Kij=Ki/3;R为某种因素下Ki的极差值。经极差计算得:针对动稳定度，R1＞R3＞R2;针对低温破坏应变，R1＞R3＞R2;针对冻融劈裂强度比，R1＞R3＞R2。故搅拌温度对橡维联沥青混合料性能的影响最大，延迟时间次之，搅拌时间的影响最小。

表10 正交试验结果

表11 极差分析

4 结语

(1)4种不同级配橡维联沥青混合料的动稳定度、低温破坏应变、冻融劈裂强度比远大于规范要求，可见橡维联对混合料路用性能的改善效果显著。

(2)通过对4种不同级配橡维联混合料干拌、湿拌2种制备工艺下高低温性能、水稳定性进行对比，得出最佳级配为AC-13C型;因干拌、湿拌工艺下混合料路用性能差异不大，且干拌法更易于施工，故选择干拌法更符合工程实际要求。

(3)选用最佳级配AC-13C以及干拌工艺时，随着橡维联掺量的增加，其混合料的动稳定性、低温破坏应变、冻融劈裂强度比均呈现先增后减的趋势，经综合考虑，确定橡维联的最佳掺量为1．5%。

(4)通过极差分析可知，搅拌温度、搅拌时间及延迟时间3种施工工艺因素对橡维联沥青混合料高低温性能、水稳定性能影响显著，且其敏感性由大到小排序为:搅拌温度、延迟时间、搅拌时间。

［1］ 孙大权，金福根，徐晓亮，等．橡胶沥青路面湿法和干法技术研究进展［J］．石油沥青，2008，22(6):1-5．

［2］ 张永辉．SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青机理及路用性能研究［D］．西安:长安大学，2015．

［3］ 李廷刚，李金钟，李 伟．橡胶沥青微观机理研究及其公路工程应用［J］．公路交通科技，2011，28(1):25-30．

［4］ 刘 毅，李晓林，张立群．废橡胶粉改性沥青的研究［J］．特种橡胶制品，2007，28(5):14-18．

［5］ ADEDEJI A，GRUNFELDER T，BATESF S，et al．Asphalt Modified by SBSTriblock Copolymer:Structures and Properties［J］．Polymer Engineering ＆ Science，1996，36(12):1707-1723．

［6］ 曹贵昌．废橡胶粉改性沥青性能及其影响因素的研究［D］．北京:北京化工大学，2008．

［7］ 李林萍，胡帮艳，张 飞，等．多因素对沥青混合料空隙率影响的正交试验分析［J］．重庆交通大学学报:自然科学版，2016，35(4):47-51．

［8］ 王学展．新型橡胶粉材料(橡维联)在沥青混合料中的应用研究［D］．西安:长安大学，2012．

［9］ 肉孜古丽·尼牙孜．橡维联材料在新疆沥青路面中的应用研究［J］．新疆交通科技，2012(6):16-18．

［10］ 黄 振．新型橡胶粉沥青结合料及沥青路面级配的研究［D］．西安:长安大学，2016．

［11］ 陈克鸿，黄宗远，林文生．级配变化对沥青混合料性质及路用性能的影响［J］．筑路机械与施工机械化，2007，24(1):15-18．

［12］ 黄 彭，吕伟民，张福清，等．橡胶粉改性沥青混合料性能与工艺技术研究［J］．中国公路学报，2001，14(S1):4-7．

［13］ 王笑风，曹荣吉．橡胶沥青的改性机理［J］．长安大学学报:自然科学版，2011，31(2):6-11．

［14］ 武建民，郑平安，冀永安．橡胶颗粒沥青混合料级配分形与动稳定度的关系［J］．长安大学学报:自然科学版，2015，35(1):8-13．

［15］ 延西利，封晨辉，梁春雨．沥青与沥青混合料的流变特性比较［J］．长安大学学报:自然科学版，2002，22(5):5-8．

［16］ 叶智刚，孔宪明，余剑英，等．橡胶粉改性沥青的研究［J］．武汉理工大学学报，2003，25(1):11-14．

［17］ 石洪波，王洪国，廖克俭，等．废橡胶粉改性沥青配方与工艺条件研究［J］．石化技术与应用，2005，23(4):274-276．

［18］ 杨志峰，李美江，王旭东．废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状［J］．公路交通科技，2005，22(7):19-22．

［19］ 刘玉强，殷晓玲．胶粉的表面改性［J］．弹性体，2002，12(3):56-60．

［20］ 方 芳，周勇敏，张 继．废轮胎回收制胶粉及其应用进展［J］．材料科学与工程学报，2007，25(1):164-168．

Research on Pavement Performance and Construction Technology of Asphalt Mixture Mixed with Crumb Rubber XWL

GUO Bo1，GAO Ni1，HU Ze-chen2
(1．Department of Road and Bridge Engineering，Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China;2．College of Ocean Science and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

Comparison on the pavement performance of asphalt mixture of four different gradations mixed with crumb rubber XWL was conducted，and it was concluded that AC-13Cis the optimum gradation and the optimum content of XWL would be 1.5%．By means of the orthogonal design，the range analysis of influencing factors，which include the mixing temperature，mixing time and delay time，of the dry process of the asphalt mixture mixed with optimum amount of XWL and gradation was conducted．In order of sensitivity，the influencing factors that affect the dynamic stability，low temperature failure strain and freeze-thaw splitting tensile strength would be mixing temperature，delay time and mixing time．

crumb rubber XWL;wet process;dry process;sensitivity

U414．03

B

1000-033X(2017)10-0084-06

2017-04-09

陕西铁路工程职业技术学院2016年科研基金项目(KY2016-27)

郭 博(1983-)，男，陕西渭南人，硕士，讲师，研究方向为路面材料。

［责任编辑:高 甜］