大温差条件下ARAC-13橡胶沥青混合料配合比设计与路用性能研究

法鲁克·铁来克,张谭龙

(1.新疆交通建设管理局项目执行二处,新疆 乌鲁木齐 830049；2.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114)

近年来,由废旧轮胎制成的橡胶粉在道路工程中的应用得到关注。橡胶粉的掺入能改变沥青混合料的结构状态,提高路面的整体弹性和抗车辙能力。新疆地区夏季炎热、冬季寒冷,温差较大,而使用橡胶沥青铺筑的路面具有良好的抗滑、耐高温、噪声较低等优点；橡胶沥青可提高沥青混合料的耐久性、抗疲劳性能,提高抵抗路面产生反射裂缝的能力,非常适合在新疆等高温差地区推广应用。该文通过优选合理的级配及橡胶粉目数,开展橡胶沥青混合料配合比优化设计和路用性能研究。

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用克拉玛依90＃A级石油沥青,其各项技术指标(见表1)符合规范要求。

表1 基质沥青的技术指标

1.2 橡胶粉

采用新疆库尔勒生产的橡胶粉,细度为40目,其技术指标见表2、表3。

表2 橡胶粉的物理指标

表3 橡胶粉的化学指标

1.3 集料

粗集料和细集料均采用石灰岩,其中：粗集料粒径有两种,分别为10～15和5～10 mm；细集料粒径为0～5 mm。粗、细集料的各项技术指标(见表4、表5)均符合规范要求。

1.4 填料

为提高橡胶沥青混合料的粘附性,加入少量水泥作为填料,掺量为矿粉质量的2%。采用普通硅酸盐水泥(P·O32.5),其各项技术指标(见表6)均符合规范要求。

表4 粗集料的技术指标

表5 细集料的技术指标

表6 水泥(填料)的技术指标

2 ARAC-13橡胶沥青混合料配合比设计

2.1 橡胶粉掺量

当基质沥青加温至180～190℃时,严格控制温度和加热时间,将4种细度为40目的橡胶粉按16%、17%、18%、19%的掺量分别加入沥青中,连续搅拌60～90 min,搅拌均匀,制得橡胶沥青。检测4种橡胶沥青的177℃动力粘度,结果见表7。由表7可知：橡胶粉用量为18%时,橡胶沥青的粘度最佳,为2.8 Pa·s。据此确定橡胶粉最佳用量为18%。

表7 橡胶沥青粘度试验结果

2.2 配合比设计

(1)级配确定。为提高橡胶沥青与集料的粘附性,提高橡胶沥青混合料的耐久性和橡胶沥青路面的抗脱落能力,对ARAC－13橡胶沥青混合料的矿料配合比进行优化设计。矿料级配计算见表8,优化级配曲线见图1。

表8 ARAC-13橡胶沥青混合料矿料级配计算

图1 ARAC-13沥青混合料的合成级配

(2)最佳油石比。根据设计级配,采用6.9%、7.1%、7.3%、7.5%和7.7%5种油石比进行马歇尔试验,结果见表9。由表9可知：油石比为7.3%时,空隙率最接近于设计空隙率。据此确定混合料的最佳油石比为7.3%。对油石比为7.3%的ARAC－13橡胶沥青混合料进行试验验证,试验结果符合设计文件要求。

表9 ARAC-13橡胶沥青混合料马歇尔试验结果

3 ARAC-13橡胶沥青混合料路用性能分析

为了更好地分析ARAC－13橡胶沥青混合料的路用性能,对ARAC－13橡胶沥青混合料及SBS改性沥青混合料(采用的基质沥青、集料、级配与橡胶沥青混合料相同,最佳油石比为4.9%)的路用性能进行对比分析。

3.1 高温性能

通过车辙试验,以动稳定度评价沥青混合料的高温抗车辙稳定性能,试验温度为70℃,应力水平为0.7 MPa。试验结果显示：ARAC－13橡胶沥青混合料、SBS改性沥青混合料的动稳定度分别为2 057、1 633次/mm,均符合规范的要求。ARAC－13橡胶沥青混合料的动稳定度大于SBS改性沥青混合料,其高温性能优于SBS改性沥青混合料,更适用于高温环境地区。

3.2 低温抗裂性能

采用弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能。在－10℃条件下对试件进行加载,加载速率为20 mm/min,分析试件的弯曲变形情况。两种沥青混合料的低温弯曲试验结果见表10。由表10可知：两种沥青混合料的弯拉应变均满足相关规范要求；ARAC－13橡胶沥青混合料的弯拉应变比SBS改性沥青混合料高18.1%,具有良好的低温抗裂性能。

表10 沥青混合料低温弯曲试验结果

3.3 疲劳性能

通过小梁弯曲疲劳试验评价沥青混合料的抗疲劳性能,试验设备为MTS材料试验系统,试验温度为15℃±0.5℃,频率为10 Hz。结果如下：ARAC－13橡胶沥青混合料和SBS橡胶沥青混合料的疲劳作用次数分别为11 256、7 928次。ARAC－13橡胶沥青混合料的疲劳性能优于SBS改性沥青混合料,在行车荷载作用下,其路面使用寿命较长,具有良好的耐久性。

4 实际工程应用

结合新疆地区吐乌大(吐鲁番—乌鲁木齐—大黄山)高速公路幸福路口至甘河子段路面工程对ARAC－13橡胶沥青混合料的关键施工技术及使用效果进行分析。

4.1 ARAC-13橡胶沥青路面关键施工技术

4.1.1 橡胶沥青混合料的拌和和摊铺

橡胶沥青混合料需随拌随用,温度控制在180～210℃,若大于210℃应予以废弃。沥青需覆盖满集料。加入水泥后先与矿料拌和5 s,再添加橡胶粉和基质沥青搅拌30 s。从搅拌开始到结束,时间控制在60～65 s。拌和完成后,检查混合料的均匀程度,并观察是否有异常现象。

橡胶沥青混合料宜采用吨位较大的车辆运输。摊铺时呈梯队同步施工,摊铺机就位后,先预热2 h左右,使摊铺机熨平板温度达到130℃,并调整熨平板高度与松铺厚度相等；摊铺速度控制在3 m/min；摊铺时螺旋布料器保持连续输料；施工温度不低于15℃。摊铺后,及时检查摊铺厚度及横坡,并及时作出调整。

4.1.2 碾压成型及接缝处理

橡胶沥青混合料的碾压原则为紧跟、慢压、高频、低幅。由于橡胶沥青混合料的特殊性,为防止出现压路机“泵吸”现象,禁止使用胶轮压路机,宜采用双轴双钢轮压路机,并保证压实层厚度不超过100 mm。初压温度不低于155℃,压路机和摊铺机的距离不超过50 m；复压温度不低于135℃；终压开始时的温度不低于90℃。碾压成型24 h且路面温度低于50℃时,方可通行。

橡胶沥青路面施工不得形成明显的接缝现象,上面层和下面层的接缝错开150 mm以上,相邻两幅的横向接缝错位1 m以上。施工完成后,检查平整度是否符合要求。

4.2 施工质量检测

橡胶沥青混合料面层施工完成后,钻芯取样进行施工质量分析。ZK570＋68—ZK571＋000路段的检测结果见表11。按沥青路面质量评定标准,面层的各项性能指标均符合要求。

表11 ARAC-13橡胶沥青混合料面层检测结果

5 结语

结合新疆地区吐乌大高速公路幸福路口至甘河子段路面试验路段橡胶沥青路面施工,对高温差条件下橡胶沥青混合料配合比进行优化设计,确定橡胶粉细度为40目、用量为18%,油石比为7.3%。同时分析橡胶沥青混合料的路用性能,结果显示：与SBS改性沥青混合料相比,ARAC－13橡胶沥青混合料的高温稳定性更优；低温弯拉应变提高18.1%,低温抗裂性较好；在行车荷载作用下的疲劳寿命长。