橡胶颗粒耦合抗凝冰剂改良自融雪沥青路面性能研究

张 梦

（保定市交通运输局，河北 保定 071000）

引言

在我国北方地区，冬季严寒造成道路积雪结冰，使得路面与轮胎的附着系数降低，从而影响车辆的驱动性能和行驶安全。现阶段广泛采用的抗凝冰手段为撒布融雪剂破冰，对生态环境会造成不可估量的损失。因此，研究既环保又有效的路面抗冻结方法迫在眉睫。采用橡胶颗粒代替部分细集料制备沥青混合料，是一种有效的废旧物品回收利用方式，是实现可持续发展战略的有益探索。

国内外学者对抑制路面结冰进行了深入的探讨与研究，但并未形成一套完整的设计、施工规范及标准。刘子铭等[4]证明了弹性路面具有一定的除冰效果；王中合等[5]通过室内试验分析了沥青与橡胶粉共溶反应的变化规律，验证了细橡胶粉改性沥青的路用价值。

1 试验材料及方法

采用10 目橡胶颗粒、维他粘结剂TOR；粗集料采用洁净、干燥、表面粗糙的玄武岩和破碎的矿粉；细集料采用机制砂。填料及集料的各项指标均符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）要求。沥青为 SBS 聚合物改性沥青，实验室自制；油石比为6%，TOR 掺量为橡胶颗粒掺量的4%；橡胶颗粒掺量为集料质量的0%～7.5%；抗凝冰剂掺量为2%。

成型工艺：（1）橡胶颗粒和投入集料干拌60 s；（2）投入TOR 维他黏结剂及沥青拌和120 s；（3）投入抗凝冰剂和矿粉拌合60 s；（4）出料、成型。

2 橡胶颗粒沥青混合料路用性能研究

2.1 力学性能试验

采用旋转压实成型高170 mm，直径150 mm 的圆柱形试件，切割成高150 mm，直径100 mm 的圆柱形试件，进行抗压强度试验。

式中：d—试件直径，mm；P—试件破坏时的最大荷载，N；Rc—试件的抗压强度，MPa。

试验结果见表1，可以看出，沥青混合料的抗压强度随着橡胶颗粒的增加不断降低，主要是由于力学特性上石料与橡胶颗粒存在巨大差异，橡胶颗粒的强度远不及石料，也不能从本质上取代石料，起不到撑开粗集料骨架的效果，以至于其抗压强度逐渐降低。

表 1 力学性能测试结果

2.2 水稳定性试验

混合料的水稳定性评价试验结果见表2。橡胶颗粒掺量1%～7.5%范围内，混合料冻融劈裂比及残留稳定度均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。随着橡胶颗粒的加入，改性沥青混合料的未冻融劈裂强度和残留稳定度不断降低；混合料的冻融劈裂比变化规律不明显，但普遍呈减小趋势，说明橡胶颗粒的加入削弱了混合料的抗水损能力，导致混合料水稳定性劣化。主要是由于橡胶颗粒具备回弹特性，随着时间的增加，成型后混合料中发生回弹特性，内部空隙增大；石料理想的接触状态成型后遭到破坏，其微观本质是石-石接触状态发生改变，结构沥青相对减少，自由沥青增多，内摩阻角降低，故混合料的水稳定性降低，抗剪切能力降低。

2.3 高温稳定性试验

车辆荷载的反复作用下，沥青混合料路面易发生永久变形，进而产生车辙病害。对路面的使用、美观以及维护造成恶劣影响。基于此，有必要对沥青路面的抗车辙能力进行深入的研究，试验采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行。高温稳定性试验结果见表3。

表 2 混合料水稳定性试验结果

表 3 车撤试验结果

随着橡胶颗粒的加入，沥青混合料的动稳定度呈下降趋势；橡胶颗粒掺量为0% 时混合料的动稳定度最高，为5 522 次/毫米；橡胶颗粒掺量1%～7.5%的范围内，混合料满足《SBS 改性沥青混合料应用技术规程》（DB33T 1170—2019）要求，动稳定度均大于3 000 次/毫米。橡胶颗粒掺量为7.5%时，沥青混合料的动稳定度最低。主要是在力学特性（泊松比σ，弹性模量E）上橡胶颗粒与石料存在巨大差异，没有起到撑开粗集料骨架的效果。

图 1 橡胶颗粒沥青混合料车辙试验曲线

橡胶颗粒沥青混合料车辙试验曲线见图 1 。可以看出，橡胶颗粒掺量（A）与动稳定度（B）、振实VCA 值（C）三者的相关性较高（R2=0.99），即随着橡胶颗粒的加入，动稳定度逐渐降低，振实VCA 值逐渐升高，主要是由于橡胶颗粒加入量的增加，使得混合料整体更难以压实；从抗车辙能力角度出发，对动稳定度（B）与振实VCA 值（C）的回归方程求解可知，振实VCA 值应小于36.91%时，混合料的动稳定度大于3 000 次/毫米，即：VCA ≤36.91%。

2.4 低温抗裂试验

低温裂缝是沥青路面的主要病害之一，随着大量不断重复的行车荷载，加之冻融循环和露水雨水的不断侵入，导致裂缝频繁出现、路面强度明显降低，产生冲刷和积泥现象，使沥青路面产生网状裂纹，加速老化破坏，严重影响路面使用的舒适程度。橡胶颗粒沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表4。

表 4 橡胶颗粒沥青混合料小梁弯曲试验结果

从表4 可以看出，随着橡胶颗粒的加入沥青混合料的增加，沥青混合料的抗弯拉强度不断降低；橡胶颗粒掺量为4.5%时，破坏劲度模量先降低后升高，而破坏应变先升高后下降。橡胶颗粒掺量在1%～7.5%范围内，混合料满足改性沥青混合料规范要求，破坏应变均大于2 000 εμ。在一定程度上，加入橡胶颗粒能有效改善混合料的低温抗裂性能，主要是由于橡胶颗粒具有弹性和柔性，低温弯曲试验时石料在彼此挤压后产生回弹变形，改变了普通沥青混合料的石-石接触状态，混合料的低温性能明显改善；但由于石料和橡胶颗粒在强度上的存在较大差异，掺量较大时仍导致混合料的低温抗裂性能降低。

图 2 橡胶颗粒沥青混合料小梁弯曲试验结果

橡胶颗粒沥青混合料小梁弯曲试验结果见图2。可以看出，随着振实VCA 值的升高，破坏应变呈先增加后降低的趋势，且振实VCA 值与破坏应变存在一定的相关性，破坏应变大于2 000 εμ，VCA ≤36.45%。

2.5 横向对比研究

为进一步研究优化级配下的沥青混合料的路用性能，通过与传统的AC-13、OGFC-13 以及SMA-13 型级配的路用性能进行横向对比分析，其中，AC-13、OGFC-13 以及SMA-13 型级配分别采用各自相应的经验油石比级规范推荐的级配中值；橡胶颗粒沥青混合料中油石比为6%，TOR 掺量为橡胶颗粒质量的5%，橡胶颗粒掺量为集料质量的4.5%，试验结果见表 5。

表 5 沥青混合料路用性能横向对比试验结果

从表5 可以得出，不论是从抗剥落性、水稳定性、低温抗裂性或高温稳定性的任何一个角度而言，都是SMA-13 型级配性能最为优越。但橡胶颗粒掺量为4.5%时，优化级配下的沥青混合料各项路用性能指标都显著优于AC-13 及OGFC-13 型级配，且各项性能均满足规范要求，即优化级配下的沥青混合料具有优良的路用性能。

3 结语

（1）相同级配下掺入橡胶颗粒对沥青混合料的弹性模量以及动稳定度的影响最为显著，随着橡胶颗粒掺量的提高，混合料的弹性模量、动稳定度降低；TOR 的掺入对弹性模量或动稳定度无显著影响。相较未掺加橡胶颗粒的混合料，橡胶颗粒的掺入对混合料的低温抗裂性具有明显的改善作用，其水稳定性、高温抗车辙特性存在劣化作用，抗压强度也逐渐降低。（2）橡胶颗粒掺量为4.5%时，沥青混合料优化级配下的各项路用性能指标都显著优于AC-13 及OGFC-13 型级配，且各项性能均满足规范要求，即优化级配下的沥青混合料具有优良的路用性能。