再生橡胶粉改性沥青混合料路用性能试验研究

尹建伟

（郑州市公路工程公司，河南郑州450009）

国民经济的迅猛发展带动了工业技术的革新，汽车保有量在逐渐增长的同时，也造成了大量的橡胶汽车轮胎的损耗与报废。据不完全统计，我国汽车产业每年将会产生近4亿条废旧橡胶轮胎，并且将会以10%左右的涨幅继续增长下去[1]。大量废旧橡胶轮胎的堆弃和焚烧处理，不仅会直接影响生态环境，还会危及人类健康生活。因此，将废旧橡胶轮胎进行综合再生利用，成为缓解废旧轮胎污染环境，实现资源可持续利用的重要法宝[2-3]。现有的废旧橡胶轮胎再生利用技术，通常是将其进行分类拆解，并根据不同橡胶等级进行分类加工处理，通过再生设备车间生产再生塑料、轮胎等制品。但废旧橡胶轮胎在长期的服役环境下，橡胶的老化会使得再生产品存在一定质量缺陷等问题，并且再生制品很难实现大范围的推广和应用[4]。道路建设过程中通常需要黏度较高的改性沥青来进行沥青混合料的拌合，相关学者研究认为将废旧橡胶进行破碎处理，可得到不同目数的橡胶粉材料，而橡胶粉和基质沥青在高速剪切拌合过程下可制备改性沥青，可实现路用建材的节约[5-6]。然而，橡胶粉材料的应用存在地区化差异，目前在公路工程领域并未形成完全统一的技术标准，橡胶沥青混合料产品的质量也良莠不齐[7-8]。本文对橡胶粉材料进行综合利用，并成型橡胶沥青混合料，考察胶粉掺量对混合料路用性能的影响，有利于进一步在公路工程领域推广和实践。

1 原材料及试验方案

1.1 橡胶粉

橡胶粉是废旧橡胶轮胎经过特殊加工、破碎、研磨产生的粉末状材料，根据其粒径不同，可以分为20～100目等不同等级，研究选用的是普通40目大小的橡胶粉，材料洁净，分散性较好，其技术指标见表1。

表1 橡胶粉技术参数Table 1 Technical parameters of rubber powder

1.2 基质沥青

研究采用普通70#基质沥青进行混合料的拌合，其技术指标见表2。

表2 基质沥青指标检测结果Table 2 Test results of matrix asphalt index

1.3 矿料

沥青混合料中的矿料根据粒径大小不同，又可以细分为粗集料、细集料和填料。研究采用的粗细集料均为广西产的玄武岩，质地坚硬，针片状含量较小，填料采用普通矿粉材料，其物理检测指标见表3。

表3 矿料物理技术指标Table 3 Physical and technical indexes of mineral aggregate

1.4 试验方案及配合比设计

研究选用不同掺量的橡胶粉以干法成型方式制备橡胶沥青混合料，研究胶粉掺量对于混合料性能的影响规律。橡胶粉的掺量分别控制为0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%，沥青混合料采用SMA-13沥青马蹄脂级配进行配合比设计，其中目标级配4.75mm筛孔通过率控制为26.7%，目标级配如图1所示。

图1 沥青混合料SMA-13目标级配Fig.1 Target gradation of asphalt mixture SMA-13

不同橡胶粉掺量下沥青混合料的油石比及马歇尔技术指标见表4。

表4 沥青混合料油石比及马歇尔技术指标Table 4 Asphalt aggregate ratio and Marshall technical index of asphalt mixture

将不同橡胶粉掺量下沥青混合料马歇尔试件测得的技术指标绘制随橡胶粉掺量变化的曲线，如图2～图3所示。

图2 油石比、空隙率及毛体积密度变化曲线Fig.2 Curves of oil stone ratio, void ratio and gross bulk density

图3 流值及稳定度波动曲线Fig.3 Flow value and stability fluctuation curve

如以上图表所示，随着橡胶粉掺量的逐渐增加，沥青混合料的油石比及毛体积密度逐渐增大，而空隙率逐渐减少。其主要原因是橡胶粉属于粉末状介质，与沥青混合料拌合过程中需要更多的沥青来进行融合裹附，成型的混合料内部结构更具稳定，内部细小的孔洞逐渐被橡胶粉及沥青填满。而流值和稳定度随橡胶粉掺量的增加呈现一定波动，并无明显的规律可循，其主要原因是橡胶沥青混合料受材料类型、大小、拌和条件等因素影响，成型的混合料具有一定的特异性，但混合料的流值及稳定度均满足设计规范要求。

2 橡胶沥青混合料路用性能研究

2.1 高温稳定性

高温稳定性是表征沥青混合料在高温环境下抵抗压缩变形的能力，相关研究表明改性沥青会提高混合料的高温稳定性。研究采用混合料车辙试验，通过对比规定试验温度下动稳定度的值来探究橡胶粉掺量对其影响，试验结果见表5。

表5 橡胶沥青混合料高温性能试验结果Table 5 High temperature performance test results of rubber asphalt mixture

将动稳定度值及总变形率绘制呈随胶粉掺量变化的曲线，如图4所示。

图4 动稳定度值及总变形率随胶粉掺量变化曲线Fig.4 Dynamic stability value and total deformation rate change curve with the amount of rubber powder

由以上图表可知，胶粉掺量的增加在一定程度上降低了车辙试件的变形率，当不掺橡胶粉时，沥青混合料在60min时对应的车辙深度为6.11mm，胶粉掺量达到60%时，对应的车辙深度达到4.42mm，下降了约27.66%。而沥青混合料的动稳定度也具有较大的增长，由于拌和使用的沥青为基质沥青，在橡胶粉掺量的增加下，沥青逐渐成为橡胶改性沥青，其黏度逐渐增大，60%掺量下的胶粉加入，使得动稳定度值提升了193.75%。研究认为橡胶粉对沥青及混合料高温性能的改善效果是显著的，但受材料成本控制及混合料总体性能的保障，橡胶粉掺量数值还需具体优化定量。

2.2 水稳定性

水稳定性是指混合料在雨水冲刷环境下抵抗破坏的能力，在南方雨水季节较多的地区，沥青路面产生裂缝后，雨水会沿隙缝进入混合料内部结构，进一步加剧损伤内部稳定，使得材料松散、脱落，最终导致路面表层出现麻面和坑洼。研究采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来分析橡胶沥青混合料的水稳定性，探究胶粉掺量对其的影响规律，将不同水浴条件下得到的马歇尔试件进行稳定度测定，其比值结果为残留稳定度；而冻融劈裂强度比则是将不同冷冻及水浴融化条件下的试件的劈裂强度进行比值，试验结果见表6。

表6 橡胶沥青混合料水稳性能试验结果Table 6 Water stability test results of rubber asphalt mixture

将残留稳定度及冻融劈裂强度比试验结果与橡胶粉掺量的变化关系绘制曲线，如图5所示。

图5 沥青混合料水稳性能变化曲线Fig.5 Change curve of water stability performance of asphalt mixture

由以上图表可知，随着胶粉掺量的逐渐增加，沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈现先下降后上升再下降的趋势，当胶粉掺量达到30%时，曲线呈现出凸峰。由于不掺胶粉时，沥青混合料终的沥青为纯基质沥青，混合料内部达到一定稳定状态，当胶粉逐渐掺入时，沥青在逐渐进行改性的过程，当胶粉掺量为10%和20%时，沥青的黏度有一定提升，但混合料内部沥青存在黏度分散不均匀的现象，易造成局部应力集中，在水浴及冻融环境中易造成开损伤开裂。而胶粉掺量达到30%时，胶粉与基质沥青的均匀融合，实现了内部结构的稳态，残留稳定度值及冻融劈裂强度比值有一定回升。但胶粉掺量的逐渐增加，亦会造成与沥青融合的不饱和状态，使得水稳定性能有所下降。

2.3 低温开裂性能

低温开裂性是沥青混合料常见路用性能之一，用以表征在低温环境下混合料受外部荷载作用抵抗开裂的能力。本研究采用标准小梁试件在-10℃下养护3h进行断裂试验，主要记录小梁断裂时产生的挠度及应变等数据，试验结果见表7。

表7 混合料低温开裂性能试验结果Table 7 Test results oflow temperature cracking performance of mixture

研究将小梁试验获取的各项试验结果与橡胶粉掺量进行相关性分析，绘制曲线如图6所示。

由图表可知，当不掺加橡胶粉时，沥青混合料的破坏荷载、断裂挠度及破坏应变均为最小值，当橡胶粉掺量逐渐增加时，混合料的最大荷载逐渐增大，其中掺量达到10%时，最大荷载提升幅度最大。从断裂挠度来看，挠度与橡胶粉成较好的线性关系，而抗弯拉强度随胶粉掺量的增加先下降后增长。破坏应变是反应沥青混合低温抗开裂性能的关键指标，在胶粉掺量增长初期，破坏应变增长较慢，当胶粉掺量达到20%以上时，破坏应变急剧增大，说明低温抗开裂性能得到较大提升。

图6 各项试验结果与橡胶粉掺量进行相关性分析Fig.6 Correlation analysis between test results and rubber powder content

2.4 橡胶粉掺量比选

为具体量化橡胶粉在沥青混合料中的掺量，研究以动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比、破坏应变为评价指标，进一步分析并确定适宜调配范围，指标联立形成的绘制曲线如图7所示。

图7 橡胶粉掺量比选Fig.7 Comparison and selection of rubber powder content

通过将橡胶沥青混合料路用性能的综合考虑，研究认为橡胶粉掺量的增加，对沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性是有益的，但水稳性能会有所降低。考虑到橡胶沥青混合料的适用性及材料的利用率，认为橡胶粉的掺量适宜控制在25%～35%之间。

3 结语

再生橡胶粉改性沥青混合料作为新型路面材料，不仅可以提升路面服役性能，还可以缓解废旧橡胶垃圾的环境污染问题。研究对不同掺量的橡胶粉材料进行沥青混合料的参配试验，并分别研究了混合料高温稳定、水稳定性及低温开裂性能，认为橡胶粉材料的掺入有利于提升沥青混合料的高温稳定性及低温开裂性，但水稳定性有所下降，最终建议适宜推荐掺量为25%～35%，该种材料在路面工程中具有较大推广应用价值。