废胶粉改性排水沥青混合料配合比的设计研究

李秀清

（中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001）

近年来，公路桥梁因忽视桥面沥青混凝土铺装层排水结构设计，致使桥面积水无法迅速排出，因桥面铺装层破损、渗漏水导致桥梁预期寿命减短。如何提高改性沥青路面的路用性已引起了设计、研究单位的普遍重视[1-2]。

吕虎娃[3]、刘向东[4]分别采用硅藻土、木质素基聚氨酯改性沥青后，改善了沥青混合料的低温性能。吴正光等[5]发现不同级配的聚丁二烯改性沥青混合料，可以提高沥青混合料性能。笔者通过对中铁三局霍永高速公路废胶粉改性排水沥青混凝土配合比设计方案的多次反复研究对比发现，通过制备新型废胶粉排水沥青混凝土，可以建立一种满足排水沥青路面表面功能和耐久性双重要求的混合料合理级配方案，利用废胶粉排水沥青混凝土内部的多空隙结构，进行排水沥青混凝土路面结构和桥面结构组合设计，能够克服普通排水沥青路面易堵塞的缺陷，实现桥面良好的排水防水功能，解决中国大量废旧轮胎的回收利用问题。

1 原料

1.1 沥青

采用山西榆次宇通修文沥青公司70#沥青作为基质沥青，分别对其针入度、5 ℃延度、软化点、弹性恢复率4 项主要性能进行测试，结论是：依据T0604—2011 国标测试法对沥青进行针入度测试，测得针入度结果为4.8 mm；按照T0605—2011 国标测试法，在环境温度5 ℃条件下测得沥青延度结果为20.1 cm；按照T0606—2011 国标环球法测得沥青软化点为87 ℃；按照T0615—2011 国标测试法，在环境温度25 ℃下测得沥青弹性恢复率为92.7%。

1.2 集料

本实验研究中使用了石灰岩，公称粒径分别为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm，参照《公路工程集料试验规程》[6]测得的技术性质满足技术要求。

1.3 矿粉

OGFC 混合料用矿粉为石灰岩矿粉，其相关技术指标如表1 所示。

表1 矿粉（细集料）主要性能指标

2 配合比设计

2.1 确定目标空隙率

查询相关文献资料，综合考虑耐久性、排水、降噪和抗滑等功能，将大空隙废胶粉改性排水沥青混凝土结构的目标空隙率初定推荐空隙率，数值为20%。

2.2 矿料级配

考虑到本项目所研制的废胶粉改性沥青排水混凝土（OGFC）将运用于桥面铺装下面层（根据《霍永高速公路永和至永和关段地质特征》[7]路面施工图设计说明修改说明，桥面铺装层采用4 cm 细粒式SMA-13 改性沥青玛蹄脂碎石，上面层加6 cm 中粒式AC-20 改性沥青混凝土，下面层加10 cm 防水混凝土）。开级配排水沥青OGFC 混合料需采用中粒式OGFC-20 混合料推荐级配范围。国内的规范中没有OGFC-20 混合料的推荐级配范围，参照美国新一代开级配抗滑表面层和日本的《排水性路面技术指针》中级配特点，并结合多年研究经验，确定OGFC-20 混合料的级配上下限，并在此上下限内选择3 组不同2.36 mm 筛孔质量通过率的初选级配。

OGFC-20 初选级配表如表2 所示。

表2 OGFC-20 初选级配表

2.3 计算初始沥青用量（油石比）

对每组初选级配，计算集料表面积A和每组OGFC混合料的初始沥青用量Pb。

式（1）（2）中：A为矿料总表面积；a～g分别为4.75 mm，…，0.075 mm 筛孔的质量通过百分率。

按照JTG E20—2011《公路沥青试验规程》制作马歇尔试件，双面击实50 次，并用体积法测定试件的空隙率，得到2.36 mm 筛孔通过率与试件空隙率的关系如表3 和图1 所示。

表3 马歇尔试件空隙率与2.36 mm 筛孔通过率

图1 空隙率与2.36 mm 筛孔通过率关系图

2.4 确定最佳油石比

矿料级配得以确定以后，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》选定混合料的油石比分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，进行马歇尔试验。通过计算空隙率、马歇尔稳定度试验、谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验等。绘制油石比与其关系曲线，继而确定最佳油石比。

谢伦堡析漏损失主要用来确定最大沥青用量，肯塔堡飞散主要用来确定最少沥青用量，其试验结果如图2 所示。由图可知，析漏损失随油石比的增加而逐渐增大。当油石比处于3.5%～4.5%范围内，随着油石比的增加，析漏损失的变化较为平缓；当油石比处于4.5%～5.5%范围时，析漏损失随着油石比的增加显著上涨。因此，油石比处于3.5%～4.7%范围内，OGFC混合料满足JTG F40—2004《施工技术规范》析漏损失小于等于0.3%的要求。而飞散损失随油石比的增加而逐渐降低，当油石比处于4.5%～5.5%范围内，飞散损失的减小趋于平缓。因此，油石比处于3.5%～5.5%范围内，OGFC 混合料均满足JTG F40—2004《施工技术规范》飞散损失小于等于20%的要求。

图2 飞散损失、析漏损失与油石比关系曲线

图3 呈现出混合料的马歇尔稳定度及空隙率与油石比的关系曲线。当油石比为4.0%～4.5%时，马歇尔稳定度随油石比的增加而增大，并于4.5%时达到峰值。当油石比继续增大时，马歇尔稳定度开始衰减，当油石比处于5.0%～5.5%范围内，减小的趋势开始放缓。因此，油石比处于3.5%～5.5%范围内，马歇尔稳定度均满足JTG F40—2004《施工技术规范》大于等于3.5 kN的要求，并且处于4.0%～5.0%范围内马歇尔稳定度较佳。混合料空隙率随油石比的增加而逐渐减小，且根据《JTG F40—2004《施工技术规范》对OGFC 混合料空隙率（18%～25%）的要求，油石比处于3.5%～5.5%范围内，混合料空隙率均满足规范要求。

图3 马歇尔稳定度、空隙率与油石比关系曲线

综上所述，根据肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验确定的最小及最大油石比分别是3.5%和4.7%；根据马歇尔稳定度确定的最佳油石比范围为4.0%～5.0%；根据空隙率需满足不超过目标空隙率±1.0%的规范要求，确定最佳油石比为4.2%～5.4%；根据期望目标空隙率为20%，故选择所对应的油石比4.5%，且该值都处在飞散试验和析漏试验所确定最小和最大油石比范围内。再根据实际使用效果，在油石比为4.5%进行微量调整，最终确定最佳油石比为4.6%。

3 OGFC 混合料路用性能评价

通常国外（美国、日本等国家）的排水沥青路面常用高黏沥青作为结合料铺筑。为了对项目自制的废胶粉改性沥青OGFC 混合料路用性能进行全面评价，选择项目前期研究所得的最优配方自制的废胶粉改性沥青、市售的橡胶沥青（洛阳宛福化工）以及TPS 高黏沥青（日本大有公司）作为结合料，在废胶粉改性排水沥青混凝土（OGFC）的最佳级配（级配2）和最佳油石比（4.6%）的基础之上，分别拌制OGFC 混合料并进行路用性能检测与评价。

3.1 OGFC 混合料的高温稳定性试验

分别使用自制废胶粉改性沥青、市售橡胶沥青和TPS 高黏沥青，以油石比为4.6%，按级配2 拌制OGFC混合料。参照JTG E20—2011《试验规程》要求制作车辙试件，在（60±1）℃，（0.7±0.05）MPa 条件下，进行OGFC 混合料的车辙试验，试验结果如图4 所示。

图4 不同种类沥青OGFC 混合料车辙实验结果图

由图4 可知，3 种沥青混合料的动稳定度为：自制橡胶沥青大于高黏沥青大于市售橡胶沥青。3 组OGFC混合料的动稳定度皆满足JTG F40—2004《施工技术规范》大于等于3 000 次/mm 的要求。且自制废胶粉改性沥青OGFC 混合料也能满足《霍永高速公路永和至永和关段》[7]YY1 标段路面施工图设计说明，中面层用沥青混凝土车辙试验动稳定度的技术要求（4 000 次/mm）。自制橡胶沥青OGFC 混合料具有优异的高温抗车辙能力。

3.2 OGFC 混合料的低温稳定性试验

在-10 ℃条件下进行小梁低温弯曲试验，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和破坏应变为评价混合料低温性能的指标。试验结果如图5、图6 所示。

图5 不同种类沥青OGFC 混合料抗弯拉强度结果图

图6 不同种类沥青OGFC 混合料破坏应变结果图

由图5、图6 可知，3 种沥青作为结合料制作的OGFC 混合料的抗弯拉强度大小依次为：自制橡胶沥青大于市售橡胶沥青大于TPS 高黏沥青。橡胶沥青中起加筋作用的胶粉颗粒由于自身的黏弹特性会产生较高的应力集中，使橡胶沥青的耐冲击强度得到一定程度的提升。自制的橡胶沥青由于加入了维他连接剂（TOR），使橡胶屑表面的硫与沥青质和可溶质中的硫交联起来形成大环状和直链状聚合物组成的网状结构。TOR 在沥青与胶粉间引入了化学键（远强于分子间的范德华力），使抗弯拉强度高于市售橡胶沥青。3组混合料的破坏应变的大小依次为：TPS 高黏沥青大于自制橡胶沥青大于市售橡胶沥青，3 组均满足了JTG F40—2004《施工技术规范》大于等于2 800 με的要求。相比市售橡胶沥青，自制的橡胶沥青OGFC 混合料相能在低温条件下断裂前可承受更大变形，具有更优异的低温性能。

3.3 OGFC 混合料的水稳定性能研究

本项目采用冻融劈裂试验来评价路面的水稳定性。用经历冻融循环作用的试件和未经冻融循环的试件的强度的比值，来定量评价混合料的水稳定性。针对大孔隙的沥青混凝土，当每15 s的渗水系数大于500 mL时，空隙中的水分便能够自由地排出，因此不易发生水损坏。试验结果如图7 所示。

图7 不同种类沥青OGFC 混合料冻融劈裂试验结果图

由图7 可知，3 种沥青结合料拌制而成的OGFC混合料的冻融劈裂强度比均满足了JTG F40—2004《施工技术规范》的要求。虽然橡胶沥青OGFC 混合料的劈裂强度要高于高黏沥青混合料，但以市售橡胶沥青为结合料的OGFC 的冻融劈裂强度比相比高黏沥青OGFC 混合料的要低8%。可能是因为市售橡胶沥青中存在大量橡胶颗粒（物理填充为主），促使水在混合料空隙中的表面张力提升，从而使残存在空隙中的水的质量有所增加，在经历冻融循环过程时对沥青劈裂强度影响要更大。实验室自制的橡胶沥青在改性反应过程中，胶粉和沥青在外掺维他连接剂TOR 作用下结合为一体形成更大的分子结构（TOR 在沥青与胶粉间引入了化学键），增强废胶粉改性沥青劈裂强度的同时，也提升了冻融劈裂强度比（接近高黏沥青混合料的冻融劈裂强度比）。综合比较下，自制橡胶沥青OGFC 混凝土的水稳定性能得到了提升。

3.4 OGFC 混合料的渗水性能研究

测定废胶粉改性沥青OGFC 混凝土的渗水系数，用以评价废胶粉改性排水沥青混凝土的排水性能。试验结果如表4 所示。

表4 渗水系数测试试验结果

由表可知，3 种沥青结合料拌制而成的OGFC 混合料均具有极佳的渗排水性能（每15 s 的渗水系数接近930 mL）。因为OGFC 混合料的渗水能力与结合料种类相关性不大，主要与混合料的实际空隙率密切相关。同时也与3.3 中OGFC 混合料的水稳定性能的研究中每15 s 的渗水系数大于500 mL 时，大孔隙的沥青混凝土不易发生水损坏研究一致。

4 结论

通过对自制废胶粉改性排水沥青混凝土配比设计及其路用性能检测研究，并与TPS 高黏沥青、市售橡胶沥青OGFC 混合料进行相应对比，得到了以下基本结论：①确定混合料矿料级配后根据空隙率计算、马歇尔稳定度试验、谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验等确定最佳油石比为4.6%。②自制废胶粉改性沥青OGFC 混合料的动稳定度要显著高于市售开级配橡胶沥青混合料的动稳定度，自制橡胶沥青OGFC 混合料具有优异的高温抗车辙能力。③自制的橡胶沥青OGFC 混合料的抗弯拉强度高于市售橡胶沥青和高黏橡胶沥青OGFC 混合料。相比市售橡胶沥青，自制的橡胶沥青OGFC 混合料相能在低温条件下断裂前可承受更大变形，具有更优异的低温性能。④自制橡胶沥青OGFC 混合料的劈裂强度要高于市售橡胶沥青和高黏沥青混合料，自制橡胶沥青的冻融劈裂强度比也提升至接近高黏沥青混合料的水平，具有较佳的水稳定性能。⑤3 种沥青OGFC 混合料的渗排水性能差别不大（每15 s 的渗水系数接近930 mL）。OGFC 混合料的渗水能力主要与混合料的实际空隙率密切相关。自制橡胶沥青作为结合料制作的排水沥青混凝土具有较佳的渗排水性能。