粗橡胶颗粒沥青混合料室内成型工艺及路用性能

王修云，余 苗，吴国雄

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

近年来，随着中国汽车保有量的急剧攀升，汽车制造业所产生的固体废弃物对环境的危害已逐渐显现。其中一项重要污染源就是大量堆积的废旧轮胎。据统计，截至2010年中国每年废弃的橡胶轮胎累计达2亿多条［1］。轮胎是一种难以降解的高分子材料，这些黑色垃圾无论是采用堆放，填埋还是焚烧的方法处理都将造成新的污染、占用土地资源，而且容易滋生蚊虫，传播疾病。因此，合理的回收利用废旧橡胶轮胎已成为现今社会研究的热点问题之一。在道路工程中，利用废橡胶粉铺筑橡胶沥青混合料路面通常有湿法和干法2种形式［2-6］。目前在实际应用中以湿法为主，然而由于湿法橡胶沥青制备工艺复杂，普通干法虽然能消耗更多废旧轮胎，却存在着混合料体积变形较大、不易压实、易松散，路用性能不佳及耐久性差等问题，不利于大范围推广。笔者综合分析传统橡胶沥青混合料的优缺点，并经过多次试验方案比选，现拟采用粗橡胶颗粒替换掉相同体积粗集料的方法，力求在简化生产工艺的基础上，通过正交试验找出合理的成型碾压工艺，使粗橡胶颗粒沥青混合料能在充分利用废旧橡胶的前提下，同时保持甚至增强道路整体路用性能，延长道路的使用寿命。

1 粗橡胶颗粒沥青混合料成型工艺初步研究

橡胶颗粒与沥青混合后会吸收沥青中一些轻质油分而产生溶胀反应，容易导致混合料难以压实，继而出现剥落、松散等病害，降低路面使用性能及使用寿命［5］。为减少传统工艺中干法橡胶颗粒沥青混合料的这些弊端，需从材料选择阶段即进行研究。

1.1 原材料的选择

为确保橡胶颗粒的路用性能，经试验比选之后，选取绍尔硬度大于60度的废旧轮胎胎面胶，并经常温切割粉碎制备成试验用橡胶颗粒。选用SBS改性沥青。粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，均满足现行公路沥青路面施工技术规范相关指标要求。

1.2 试验混合料级配组成

研究成果表明［2-4］，无论是湿法还是干法的橡胶沥青混合料，在级配的选择上都应选用断级配以提供较大的VMA来容纳橡胶的体积变形，这样可减小加入橡胶颗粒或橡胶粉后对级配本身骨架结构的影响。级配以骨架嵌挤密实型级配为设计目标，以张肖宁提出的CAVF法为理论基础［5］，结合粗集料逐级捣实与细集料逐级振实的工艺，经过多次试验比选，最终确定粗橡胶颗粒沥青混合料的基准级配如表1。

表1 橡胶颗粒沥青混合料用基准级配Tab.1 Basic gradation for coarse rubber granule asphalt mixture

该基准级配最佳油石比为5.8%，木质素纤维掺量为0.3%，其各项性能测试结果如表2。

表2 基准级配沥青混合料基本性能Tab.2 Performance of basic gradation asphalt mixture

根据文献［7］，试验确定橡胶的掺入方式以等体积替代集料，橡胶级配组成如表3。

表3 橡胶级配Tab.3 Rubber gradation

1.3 击实方案的初步确定

橡胶颗粒具有密度小、弹性形变能力强的特性，与形成混合料骨架的石料特性差异巨大，基准级配以体积替代法掺入级配橡胶颗粒之后，橡胶颗粒沥青混合料的压实特性与普通沥青混合料压实特性相比发生较大改变。如按普通沥青混合料马歇尔击实方法一次成型，高温下沥青结合料表现出较强的流体性质，其黏性较弱不足以束缚粗橡胶颗粒的弹性变形，因而成型的试件容易产生隆起、松散等现象(表4)，不能满足路用性能要求。

表4 成型方法对混合料体积参数的影响Tab.4 Effect of molding method on volume parameters

由于橡胶颗粒具有自黏性与互黏性，在混合料不易拌和均匀，故要求先将橡胶颗粒与集料先干拌30 s后再进行下一步拌和。同时，为模拟路面摊铺时的振动压实工艺，经比选，确定采用振动击实与大马歇尔二次击实相结合的工艺来进行粗颗粒橡胶沥青混合料的试件成型:首先，在恒定激震力为5 500 kN的可调频率、时间的振动压实成型机上进行首次成型，该阶段成型初始温度控制为170℃左右;然后，再进行大马歇尔二次击实成型。与标准大马歇尔成型法相比，其总击实次数不作改变，仅将标准大马歇尔的双面各击实110次分解为2次不同温度下一定次数的双面击实。具体流程可见图1。

图1 试验流程Fig.1 Diagram of experiment process

2 粗橡胶颗粒沥青混合料成型工艺正交试验研究

2.1 正交试验安排

以空隙率为主要评价指标，分析成形效果影响因素。由于压实成型效果影响因素众多，故本次试验中重点选取了5方面因素进行研究:橡胶掺量、振动频率、振动时间、二次击实温度及与其对应的击实次数。其中每个因素又结合前期成果及现场施工经验选取了4个水平进行正交试验设计［8］，见表5。

表5 正交试验安排Tab.5 Orthogonal experiment schedule

2.2 正交试验结果分析

采用表5因素4水平L16(45)正交试验进行试验，每组试验进行4次平行试验，试验结果即每组试 件平均空隙率列于表6。

表6 L16(45)正交试验Tab.6 L16(45)orthogonal experiment schedule

通过极差分析(表 7)可以发现:R橡胶掺量＞R击实温度＞R振动时间＞ R振动频率＞ R击实次数。可见对于压实效果控制指标空隙率来讲，橡胶掺量是影响粗橡胶颗粒沥青混合料压实性能的主要因素，击实温度、振动时间、振动频率依次次之，击实次数分布影响最小。单从橡胶掺量对成型效果影响来讲，橡胶掺量与空隙率关系如图2，在橡胶颗粒体积代换量低于5.5%时，橡胶掺量对混合料的压实性能影响显著，但当橡胶掺量达到5.5%以后影响效果减小，基本维持不变。

表7 极差分析Tab.7 Range analysis

图2 橡胶掺量与空隙率关系Fig.2 Relationship between rubber dosage and voidage

从击实温度对橡胶颗粒沥青混合料影响来讲，合理的温度组合对混合料的压实效果影响较大，温度太高沥青结合料难以束缚橡胶的弹性变形，混合料压实后易产生较大空隙及回弹。温度太低，击实阻力增大，压实效果也不理想。由试验得出最佳击实温度组合为140℃+90℃。

振动时间与振动频率对混合料的击实性能有一定程度上的影响，但在固定激振力5 500 kN作用下频率与时间变化对压实性能影响规律不明显，有待进一步做激振力变化情况下的研究。2次击实次数分配对击实性能影响不大，但适当增加低温条件下击实次数对混合料成型效果有积极影响。

3 混合料路用性能分析

综合以上试验结果及误差分析，得出橡胶颗粒沥青混合料的优化成型工艺为:橡胶掺量3%;振动频率28.7 Hz;振动时间90 s;二次击实(140℃击实20次 +90℃击实92次)。

利用万能材料试验机(MTS)，在温度40℃、矩形波应力为100 kPa、加载频率为0.5 Hz、加载时间为2 h条件下，对不加橡胶的基础级配和添加5.5%橡胶的混合料在上述最佳成型工艺条件下成型的大马歇尔试件(图3)进行动态蠕变试验，试验结果如图4。

由于具有较低模量的橡胶掺入，混合料嵌挤模式由石-石接触［图3(a)］变化为石-橡胶-石接触［图3(b)］，沥青混合料蠕变模量变化明显，下降约50%(图4)。在满足路面基础性能的前提下，路面柔性的适当增加有利于在一定荷载下能形成更深的弯沉盆，增大轮胎与沥青路面附着区面积，提高路面与轮胎之间的附着阻力，对提高长大陡坡下坡路段路面抗滑性能有积极地影响［9］。

粗橡胶颗粒沥青混合料嵌挤方式改变及动态模量的降低必然会对混合料路用性能产生较大影响。车辆在长大陡坡路面频繁制动使混合料内部长期受强剪应力影响，导致推移和拥包成为陡坡路段的典型病害，在高温条件下尤其更甚。因此，笔者重点从路面高温性能出发，利用车辙仪对添加不同数量橡胶的沥青混合料标准车辙板进行动稳定度测试。以4%为目标空隙率控制压实次数，按规范要求成型试件(表8)，动稳定度测试结果如图5。

表8 动稳定度测试Tab.8 Test results of Dynamic stability

图5 不同橡胶掺量下动稳定变化Fig.5 Test results of Dynamic stability with different rubber admixture

从图5可知，随着橡胶颗粒掺入量的增加，混合料高温稳定性有一定程度的提高，但当橡胶掺入量大于5.5%后，动稳定度下降明显。经计算得知，在橡胶掺量为3%时(VCAMIX=35.3%)≤(VCADRC=35.5%)，混合料嵌挤骨架以回弹模量高的粗玄武岩集料为主，在恒定温度60℃环境中周期性荷载下，沥青路面变形较小，沥青混合料内部橡胶颗粒位置与形态变化也较小，橡胶具有应变滞后于应力的特性，在卸载之后，一定数量橡胶颗粒的存在有助于将受荷载作用下导致的沥青混合料内部微小变形恢复到受力前的位置，使混合料高温性能在一定程度上有所提高。但当橡胶掺量大于5.5%时，混合料骨架开始由粗集料和粗橡胶颗粒共同组成，在较强荷载作用下，模量较小的橡胶颗粒产生较大变形使原有的嵌挤结构发生改变，原本假设主骨架集料形状固定的条件不存在，粗橡胶颗粒形状随变形后的粗玄武岩颗粒所构架的骨架空隙形状变化，更倾向于充当填料的“角色”，使混合料中实际意义上的细集料增加。其中 (VCAMIX=36.3%)≥(VCADRC=35.5%)，粗集料形成的骨架被细集料所撑开，骨架密实型结构演变成悬浮密实型结构，导致动稳定度明显衰减。鉴于长大陡坡路段对高温性能的较高要求，建议将橡胶掺加量控制在5.5%以内。

4 结论

通过改进的5因素4水平正交大马歇尔试验，系统的研究了橡胶颗粒沥青混合料成型工艺，得到如下结论:

1)通过正交试验，研究了不同橡胶掺量、振动频率、振动时间，压实温度和压实次数对混合料压实性能的影响，以空隙率为控制指标进行了对比，得出对混合料压实性能影响因素从大到小的顺序为:橡胶掺量＞击实温度＞振动时间＞振动频率＞击实次数。并且得出了优化后的成型工艺:橡胶掺量在5.5%以内;振动频率为28.7 Hz;击实条件:140℃条件下击实次数为20次，90℃条件下为92次。

2)对成型的大马歇尔试件进行了动态蠕变试验，发现掺加了5.5%橡胶的混合料蠕变模量降低至未掺加橡胶之前的1/2左右;由车辙试验结果得出:橡胶掺量超过5.5%之后，动稳定度下降较多，为满足路面综合路用性能，建议橡胶掺量应控制在5.5%之内。

3)参照骨架嵌挤型级配SMA施工方法［10］，结合室内成型方法研究成果，在现场施工时，建议采用振动压路机与非振动压路机组合方式进行碾压，在170～175℃采用双轮钢筒式碾压机进行初压1～2遍，复压采用振动压路机碾压4遍(碾压温度大于140℃，振动频率28.7Hz)，最后用双轮钢筒式碾压机进行终压1～2遍即可。

4)关于橡胶沥青混凝土成型中激振力与振动频率、振动时间对压实效果的影响有待进一步研究，同时普通沥青混合料最佳油石比确定方法及性能评价试验是否适用于粗橡胶颗粒沥青混合料，有待进一步研究探讨。

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