温拌橡胶沥青混合料级配路用性能试验研究

王贤良，陈 尚，刘 昭

(1.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064；2. 安康市住房和城乡建设局，陕西 安康 725000；3. 安康市市政设施管理处，陕西 安康 725000；4. 安康市公路管理局， 陕西 安康 725000)

橡胶沥青温拌技术是一种节能减排，绿色环保的沥青铺面技术，不仅能将胶粉废物利用，解决橡胶沥青施工过程中不易压实的难题，还能延长沥青路面施工季节，延长路面服役寿命等，是一项具有双重节能环保效益的沥青铺面技术.

国内外就橡胶沥青技术已经开展了相当丰富的研究[1-8]，关于温拌橡胶沥青技术也有部分学者进行了研究.周启伟[9]研究了Sasobit和EWMA-1两种温拌剂对沥青混合料路用性能的影响，研究结果表明，Sasobit的掺量不宜超过3%，EMWA-1的掺量不宜超过0.6%.Yu[10]研究了五种温拌剂，Evotherm-DAT，Evotherm-3G，Sasobit，56#石蜡和Aspha-Min对温拌橡胶沥青路用性能的影响.Hyun HwanKim[11]研究了LEADCAP和Sasobit温拌剂对温拌橡胶沥青短期和长期老化性能的影响，研究结果表明，温拌剂可有效提高温拌橡胶沥青的老化性能.Farshad[12]研究了Sasobit再生剂掺量对再生沥青混合料性能的影响，研究结果表明5.5%的掺量和30%的旧混合料掺量时，混合料的路用性能最好.Yang[13]研究了表面活性剂对温拌橡胶沥青混合料力学性能的影响，研究结果表明活性剂不仅可以提高混合料的强度，还可以改善混合料的低温性能.

通过归纳和总结已有温拌橡胶沥青技术的相关研究发现，各国或地区都提出温拌橡胶沥青混合料的级配组成，但是何种级配下的温拌沥青混合料性能更优没有形成完全一致的认识.因此，本文结合各地区的温拌橡胶沥青混合料级配组成，研究四种级配下温拌沥青混合料的路用性能，同时分析2.36～4.75 mm集料含量与路用性能之间的关系，明确级配优化机理，以更好地指导温拌橡胶沥青混合料的设计和施工.

1 原材料性质

试验采用20目的橡胶粉和70号沥青制备的橡胶沥青，沥青材料性质见表1.矿粉选用辽宁小阳屯制造的矿粉，水泥为P.O 42.5水泥，矿粉和水泥的各项技术性质见表2，集料的各项技术标准见表3和表4.

表1 橡胶沥青技术性质

表2 矿粉、水泥技术性质

表3 粗集料技术性质

表4 细集料技术性质

2 沥青混合料级配设计

橡胶沥青最早源于美国，并且橡胶沥青混合料在美国各州都得到了很好的发展，其中亚利桑那州、加利福尼亚州、佛罗里达州及德克萨斯州应用最为广泛，并且各州都提出了各自的橡胶沥青混合料级配范围.其中亚利桑那州级配设计时考虑橡胶粉包含在混合料中，其油石比比常规的混合料要高，德州的橡胶沥青混合料级配设计是模仿SMA级配设计方法，是采用粗集料建立骨架嵌挤结构，然后采用细集料及橡胶沥青来填充骨架间隙.国内对橡胶沥青混合料的研究，主要有交通部公路科学研究院、山东交科院及其他高校.各地的橡胶沥青混合料级配设计中值见表5.

现选取上述四种级配曲线，确定各筛孔含量如表6，分别标注为A、B、C、D.

参照普通沥青混合料配合比设计方法，采用马歇尔击实仪成型马歇尔试件，确定A型沥青混合料的最佳油石比为6.7%，B级配下的沥青混合料最佳油石比为7.5%，C型沥青混合料的最佳油石比为6.5%，D型沥青混合料的最佳油石比为7.4%.

表5 不同地区橡胶沥青混合料的中值级配

表6 四种沥青混合料级配

注：表中A代表亚利桑那州，B代表德州，C代表山东交科院，D代表公路院.

3 温拌橡胶沥青混合料级配路用性能研究

参照普通沥青混合料路用性能研究方法，成型相应的温拌橡胶沥青混合料，其中橡胶沥青中胶粉掺量为内掺16%，温拌剂采用Sasobit，掺加剂量为沥青质量的2.5%，对比四种级配下沥青混合料的高温、低温、疲劳及水稳定性能，以确定较好的级配，指导温拌橡胶沥青混合料在工程中的实践.

3.1 高温性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的沥青混合料试件制作方法(轮碾法)制备车辙块，成型后用马歇尔试模轻轻来回碾压整平试件.采用车辙试验测得45 min和60 min时沥青混合料的垂直变形，计算温拌橡胶沥青混合料的高温性能，试验结果见表7.

通过对表7进行分析可知，四种温拌橡胶沥青混合料都具有较好的高温性能，但是亚利桑那州级配下的沥青混合料具有相对较好的高温性能，在温度高的地区可优先选用亚利桑那州级配下的沥青混合料.

表7 四种温拌橡胶沥青混合料高温性能

3.2 低温性能

弯曲试验所用的小梁试件为碾压成型后切制的长250 mm±2.0 mm、宽30 mm±2.0 mm、高35 mm±2.0 mm的棱柱体小梁，其跨径为200 mm±0.5 mm.采用温度-10 ℃±0.5 ℃，加载速率宜为50 mm/min，每个级配做6组试件，试验结果见表8.

表8 四种温拌橡胶沥青混合料低温性能

通过对表8分析可知，四种温拌橡胶沥青混合料都具有较好的低温性能，且低温性能指标比较接近，这说明不同温拌橡胶沥青混合料的低温性能没有太大区别.

3.3 疲劳性能

采用疲劳试验研究温拌橡胶沥青混合料的疲劳性能，根据沥青混合料级配组成及油石比成型车辙试件，然后切割成250 mm、宽50 mm、高50 mm的小梁.疲劳试验采用应变控制式，控制应变为300 με，试验温度为15 ℃.将沥青混合料的模量降到初始时刻模量的50%时确定为疲劳破坏点，此时荷载的循环次数确定为沥青混合料的疲劳寿命，试验结果见表9.

表9 四种温拌橡胶沥青混合料疲劳性能

通过对表9进行分析可知，四种温拌橡胶沥青混合料都具有较好的抗疲劳性能.其中亚利桑那州级配下混合料的疲劳性能要好于其他级配下的沥青混合料，在车流量比较大的地区可优先选用亚利桑那州级配下的沥青混合料.

3.4 水稳定性能

水损害是沥青路面早期病害的重要形式，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来研究四种类型混合料的水稳定性，评价两类混合料抗水损害的能力.研究结果见表10和表11.

表10 四种温拌橡胶沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表11 四种温拌橡胶沥青混合料冻融劈裂试验结果

通过对表10和表11进行分析可知，四种温拌橡胶沥青混合料都具有较好的水稳定性能，其中亚利桑那州级配下沥青混合料的水稳定性要优于德克萨斯州级配下的沥青混合料，在降水丰富的地区可予以优先选用.

4 级配优化机理分析

4.1 级配分析

相关研究表明[14-15]，沥青混合料中2.36～4.75 mm集料含量影响沥青混合料的性能，通过分析2.36～4.75 mm集料含量与温拌橡胶沥青的路用性能的相互关系，以指导温拌沥青的级配设计.路用性能与2.36～4.75 mm含量之间关系如图1所示.

图1 路用性能与2.36～4.75 mm含量之间关系Fig.1 Relationship between road performance and content of 2.36～4.75 mm

如图1所示，2.36～4.75 mm含量对温拌橡胶沥青混合料的低温性能影响较小，而混合料的高温性能、疲劳性能以及抗水损害性能都与2.36～4.75 mm含量具有较强的相关性，从图1还可以发现，在级配要求的范围内选取较高(16%)的2.36～4.75 mm含量，可以提高混合料的路用性能.

4.2 级配优化验证

采用最大理论密度曲线来验证前述级配研究结果.最大理论密度曲线是通过大量试验提出的一种理想曲线.该理论认为固体颗粒按粒度大小，有规则的组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙率最小的混合料.最大理论密度曲线集料各级配粒径(di)与通过量(pi)的关系为

(1)

式中：di为集料各级粒径；pi为集料各级粒径通过率，%；D为矿质混合料最大粒径，mm.

通过计算发现，2.36～4.75 mm集料的含量为14.8%时，混合料的密度最大.与上述试验研究中2.36～4.75 mm含量15.9%时，混合料路用性能最佳相匹配.这说明本文的研究结果是合理可信的.

5 结论

通过试验对不同级配对温拌橡胶沥青混合料路用性能的影响规律进行研究，本文所做主要工作和得到的结论如下：

(1)基于亚利桑那州和德克萨斯州的级配设计，提出了四种沥青混合料的级配组成，采用马歇尔试验，确定四种温拌橡胶沥青混合料的最佳油石比分别为6.7%、7.5%、6.5%和7.4%.

(2)亚利桑那州级配下的温拌沥青混合料在保证低温性能的前提下，其高温性能、疲劳性能及抗水损害性能均要优于其他级配下的混合料，可结合具体条件优先选择亚利桑那州级配下的温拌沥青混合料进行设计和施工.

(3)在合理的级配范围内，2.36～4.75 mm筛孔的集料含量越多，温拌橡胶沥青混合料的路用性能越好，可选择适当的筛孔的集料进行温拌橡胶沥青混合料的设计和施工.