橡胶沥青混合料压实特性影响因素研究

蒋方坤，时敬涛，李 纯，王体宏，安丰伟

（1.中石油燃料油有限责任公司，北京 100102；2.中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195；3.苏交科集团股份有限公司 新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京 211112）

前 言

在交通行业内利用废旧轮胎制备橡胶沥青一直是一个研究热点，我国也先后制定并发布多部关于橡胶沥青技术的规范，因此橡胶沥青在道路修筑领域得到了大量的应用。橡胶沥青不仅具有环保价值，其路用性能也远超普通石油沥青。相对于普通的沥青混凝土路面，橡胶沥青混凝土路面具有更长的使用寿命、更优的路用性能和极大的经济价值。

国内外学者们对橡胶沥青技术的理论和应用都已经进行了许多相关研究。Abdelrahman对橡胶沥青的改性机理进行了深入研究，分析了橡胶颗粒溶胀和降解在改性中所起的作用，分析了多种因素对橡胶沥青性能的影响，研究表明橡胶沥青的改性过程中橡胶颗粒的溶胀和脱硫降解作用是同时发生的，橡胶改性沥青的性能受反应时间、温度和橡胶粉细度等的影响。Leite研究了不同类型胶粉对沥青改性质量的影响，测试了不同橡胶沥青的温度稳定性，实验表明橡胶粉的化学性能对橡胶改性沥青质量具有重大的影响，沥青中胶粉的掺加量对其高温性能和疲劳性能具有显著的影响，因此在制备橡胶沥青过程中要选用合理的组分比[1～5]。

2001年交通部公路科学研究所展开了“废旧橡胶粉用于筑路技术研究”的研究课题，系统地研究了橡胶沥青的改性机理、成品质量检测、加工工艺、混合料配合比设计、路用性能、试验段性能测试等多个方面的理论研究和工程实践总结。国内学者通过多年的理论研究和工程实践提出了间断级配混合料设计施工规范，对于橡胶沥青的应用推广做出了重大的贡献。与此同时我国在许多实体工程上进行了推广应用，先后在沪蓉西高速公路湖北段、湖南衡炎高速和广西隆林至百色高速进行了应用，都具有不错的应用效果。橡胶沥青技术已经具备了大量的工程应用经验和丰富的理论研究，但是橡胶沥青混合料的压实特性一直是阻碍其大规模推广应用的难点，主要因为橡胶颗粒具有较大的弹性，在橡胶混合料的压实成型过程中很难保证其压实度，因此橡胶沥青混凝土路面极易出现早期的水损坏和压密性车辙等路面病害。

针对橡胶沥青混合料的压实特性，分析橡胶沥青的黏度和橡胶颗粒的大小对橡胶沥青压实特性的影响。本文的研究对今后进行橡胶沥青的制备和橡胶沥青混凝土路面的铺筑具有重要的参考价值[5～8]。

1 橡胶沥青混合料配合比设计

橡胶沥青混合料配合比采用间断级配AR13，其混合料合成级配如表1所示。沥青选用90号基质沥青，集料选用石灰岩，橡胶粉的各物理指标如表2所示。

表1 橡胶沥青混合料级配表Table 1 The gradation of rubber asphalt mixture

表2 橡胶粉各物理参数Table 2 The physical parameters of rubber powder

采用马歇尔试验方法，确定2种级配的最佳油石比，试验结果见表3和表4。

表3 ARSMA-13级配实验结果Table 3 The experimental results of ARSMA-13 gradation

表4 ARAC-13级配实验结果Table 4 The experimental results of ARAC-13 gradation

按照设计空隙率为3.5%，根据马歇尔试验所得到的结果确定ARSMA-13和ARAC-13两种类型的最佳油石比分别为5.97%和6.22%。

2 橡胶沥青黏度对混合料压实特性的影响

试验采用上述材料，胶粉选用40目的废旧轮胎橡胶粉，橡胶粉的掺量分别取15%、16%、20%及24%，采用湿法工艺制备的橡胶沥青，在180℃时，其黏度如表5所示。混合料级配类型选用ARAC-13型级配。试验压实温度采用165℃，旋转压实次数设置为 8，12，16，20，40，60，80，100。橡胶沥青混合料的压实效果随着压实次数和橡胶沥青黏度变化如图1所示。

表5 不同橡胶粉掺加量的沥青旋转黏度Table 5 The rotational viscosity of asphalt with different amounts of rubber powder

图1 不同橡胶粉掺加量下沥青混合料的压实效果Fig.1 The compaction effect of asphalt mixture with different dosages of rubber powder

由表5可知，在一定温度情况下，随着橡胶粉的添加量增大，沥青的黏度越来越大。由图1可知，无论添加橡胶粉的数量是多少，压实度均随着压实次数的增加而增大，主要原因是压实功增大，沥青混合料更容易被压实；橡胶粉的添加量越大，沥青混合料压实度越大，主要原因可能是因为沥青的黏度增大，集料之间的黏附力加大，在压实功一定的前提下，压实阻力较大，所以沥青混合料较难被压实。对于同一橡胶粉掺加量的沥青混合料，随着压实次数的增加，混合料压实度的增长速度先快后慢，主要是因为前期沥青混合料相对比较松散，混合料相对更容易压实，压实度增长速度较快，而后期橡胶沥青混合料已经相对比较密实，再对其进行压实就相对比较困难，所以混合料的压实速度趋于平缓。

3 橡胶粉细度和温度对混合料压实特性的影响

橡胶粉颗粒和基质沥青同属于有机高分子材料，两者具有天然的亲和性。在高温条件下基质沥青是一种黏度较高的流动态，橡胶粉可以分散在液态的基质沥青当中，与沥青反应并发生溶胀。就以往经验而言，橡胶粉的粒径越大越易分散，但是不易溶胀；粒径越小，越难被分散，但是相对比较容易溶胀。针对我国目前在道路领域内所选用的橡胶颗粒大小，本研究选择20目、40目和60目三种粒径的橡胶颗粒制备成橡胶沥青。选用外掺法工艺，三种沥青的橡胶粉掺加量为20%混合料，级配采用ARSMA-13。利用旋转压实仪对三种橡胶沥青混合料进行压实。沥青混合料是一种温度敏感性材料，温度过低时不易被压实，温度过高则会影响沥青混合料的路用性能，因此压实的温度选用T=135，160，185℃，压实次数分别设置为 8，12，16，20，40，60，80，100。实验结果如图2、图3和图4所示。

由图2、图3和图4可知，橡胶沥青混合料的压实度随着压实次数的增多，压实度迅速提高，后又逐渐趋近一个定值。当压实度趋于定值时，在180℃条件下，20目橡胶沥青混合料的压实度相对40目和60目橡胶沥青混合料的压实度分别提升了2.1%和2.3%，在160℃条件下，20目橡胶沥青混合料的压实度相对40目和60目的橡胶沥青混合料的压实度分别提升了2.05%和2.1%，在135℃条件下，20目的橡胶沥青混合料的压实度相对40目和60目的橡胶沥青混合料的压实度分别提升了1.85%和1.9%，随着橡胶颗粒的粒径减小，橡胶沥青混合料的压实效果得到了提升，可能是随着橡胶粉的粒径减小，橡胶粉的分散效果和同沥青的融合性越好，制备出的改性沥青的质量越高，因此混合料的压实度越高，但是橡胶颗粒的粒径为40目和60目时，在相同的压实功和温度状况下，压实效果并没有太大的差异性，然而随着橡胶颗粒粒径的减小，制备工艺越来越复杂，成本越来越高，所以在选择橡胶颗粒粒径大小时要根据实际工程的质量要求和造价进行合理的选取。

图2 20目橡胶颗粒制备出沥青混合料的压实度Fig.2 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 20 mesh rubber particles

图3 40目橡胶颗粒制备出沥青混合料的压实度Fig.3 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 40 mesh rubber particles

图4 60目橡胶颗粒制备出沥青混合料的压实度Fig.4 The compaction degree of asphalt mixture which is prepared with 60 mesh rubber particles

通过掺加相同粒径橡胶粉混合料的压实度对比可知，温度对橡胶改性沥青混合料的压实度具有显著的影响，温度对粒径为20目的橡胶粉的影响最为明显，40目与60目的差异不大，主要的原因可能是20目橡胶粉颗粒过大，溶胀效果较差，橡胶颗粒干涉集料的分布状况，因此导致其很难被压实。

4 结论

首先配制了两种橡胶沥青混合料，并通过室内试验的方法分析了橡胶沥青的黏度、粒径以及温度对混合料压实度的影响，试验结果表明橡胶粉粒径的大小显著影响混合料的压实效果，尤其是温度较低时粒径越大影响越为显著，因此在制备橡胶沥青的过程中应合理选择橡胶粉的粒径和制备温度，在施工过程中严格把控橡胶沥青混合料的压实温度。