矿粉对橡胶沥青混合料路用性能的影响

唐乃膨，黄卫东，郑 茂,2

(1. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804；2. 四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610000)

0 引 言

在美国，橡胶沥青混合料的级配与规范起源于亚利桑那州，之后在加州和德州也得到了广泛的应用。纵观这几个州，橡胶沥青混合料级配与常规混合料级配在矿粉使用上有很大差别，如，美国亚利桑那州的断级配完全不用矿粉[1]，而加州和德州的橡胶沥青级配中也是不用或仅使用少量矿粉[2-3]，填料主要是消石灰或者水泥。在我国的橡胶沥青使用指南中，要求加入大量矿粉[4]。无论是美国几个州还是我国的指南，对于为什么不用矿粉或者为什么多加矿粉，均无相关的研究与结论。因此，橡胶沥青混合料中是否需要加矿粉，矿粉加入的量对橡胶沥青混合料性能有什么影响等，是亟待研究的问题。

矿粉的使用能有效地降低橡胶沥青混合料的空隙率，使用矿粉是控制橡胶沥青混合料空隙率的有效手段[5]，但矿粉的使用会对橡胶沥青混合料的性能产生一定的影响。一方面，矿粉吸收沥青裹覆集料的能力较之细集料更强，必然导致沥青混合料中的沥青膜厚度减小，这不利于沥青混合料的耐久性；另一方面，矿粉用量的增加，必然导致生产施工中的成本增大。因此，研究矿粉对橡胶沥青混合料性能的影响，对工程应用具有实际的指导意义。

笔者通过室内试验，在保证空隙率相当的前提下，对加矿粉和不用矿粉的橡胶沥青混合料的黏结性能、抗水损害性能进行对比；并通过四点弯曲疲劳试验，对不同矿粉掺量的橡胶沥青混合料的疲劳性能进行对比。

1 试验材料

1.1 集 料

试验所用集料粒径组成为13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0.075 mm。2.36 mm以上的集料，采用江苏溧阳产玄武岩；2.36～0.075 mm集料，采用江苏溧阳产石灰岩。集料的基本性能试验结果见表1。

表1 集料的基本性能

1.2 橡胶沥青

采用中海70 # 基质沥青，40目胶粉，胶粉掺量为内掺18%，在(185 ± 5)℃条件下，高速搅拌90 min，制备得到橡胶沥青，其基本性能指标见表2。

表2 试验用橡胶沥青的基本性能指标

2 矿粉对沥青膜厚度的影响

W.H.Campen，等[6]及P.S.Kandhal，等[7]研究认为，沥青膜较厚时，混合料柔性佳，更耐久；而沥青膜较薄时，混合料偏脆，易于发生开裂、剥落，会降低混合料使用寿命。沥青膜厚度在6～8 μm之间，混合料性能最佳。

根据国外资料[7]建议，通常情况下连续密集配沥青混合料的沥青膜有效厚度不宜小于6 μm，密实式沥青碎石混合料的有效沥青膜厚度不宜小于5 μm。

对于橡胶沥青混合料，由于橡胶沥青中含有胶粉颗粒，在计算沥青膜厚度的时候，这些胶粉颗粒应该计入沥青部分或是集料部分尚无定论。级配设计见表3。笔者将胶粉颗粒分别计入沥青部分(算法1)和集料部分(算法2)，得出沥青膜厚度见表4。

表3 集料设计级配

注：1.试验所用级配中0.075 mm以下粉尘均被筛除，并用矿粉(或水泥)代替，(下同)；2.级配1、级配3、级配5、级配7的填料使用矿粉，其中1.5%采用水泥替代；其余级配填料使用1.5%水泥，不使用矿粉；3.所有级配均为双面击实各50次。

表4 沥青膜厚度计算结果

在橡胶沥青体系中，部分橡胶颗粒会溶于橡胶沥青中，因此，理论上橡胶沥青混合料的沥青膜厚度应该是处于算法1与算法2计算结果之间。由表4可知，掺加矿粉的级配1、级配3、级配5、级配7的沥青膜厚度基本都是低于6～8 μm；沥青用量为5.5%时，不用矿粉的级配2、级配4的沥青膜厚度基本处于6～8 μm的范围内，当沥青用量增大，不用用矿粉的级配的沥青膜厚度均大于8 μm。

3 试验及结果分析

3.1 飞散试验

如果沥青膜较薄，则较易被进入路面内部的空气氧化，而使得沥青混合料变脆、开裂造成早期损坏[8]。由表4可见，使用矿粉的级配1、级配3、级配5、级配7的橡胶沥青混合料，其沥青膜厚度基本难以达到6～8 μm。笔者根据JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对级配1、级配2的橡胶沥青混合料进行肯塔堡飞散试验，以验证橡胶沥青的黏结性能。沥青用量选用5.5%，6.0%，6.5%，试验结果如表5。

表5 飞散试验结果

根据JTG F 40—2004《公路沥青路面技术规范》(以下简称《规范》)要求，SMA改性沥青混合料肯塔堡飞散试验飞散损失≯15%。表5中，3种沥青用量条件下的飞散损失均满足规范要求。随着沥青用量的增大，橡胶沥青混合料的黏结性能增强，两种级配的混合料飞散损失亦递减。

但试验结果显示，3种沥青用量下，掺加矿粉级配的橡胶沥青混合料其飞散损失均略低于不用矿粉的级配。而根据沥青膜厚度计算结果，不用矿粉级配的橡胶沥青混合料的沥青膜厚度处于6～8 μm，理论上应该有较低的飞散损失。此处飞散试验结果与沥青膜计算厚度结果并不相符。

3.2 冻融劈裂试验

沥青膜厚度不足，沥青对集料裹覆不足，易引起沥青混合料的水损坏。笔者对级配3～级配8进行冻融劈裂试验，以评价矿粉对橡胶沥青混合料抗水损害性能的影响。选用3种沥青用量5.5%，6.0%，6.5%，试验结果见表6。

表6冻融劈裂试验结果

Table6Moisturedamageresistancetestresults

沥青用量/%集料级配空隙率/%沥青膜厚/μm劈裂值/kN冻融循环常温放置TSR/%5．537．54．18～5．764．215．0383．747．76．97～10．534．435．2284．96．056．84．60～6．608．6610．2184．867．38．91～12．669．4311．7880．06．576．74．57～6．809．419．9894．386．39．68～13．988．9510．6484．1

在3种沥青用量下，通过尽量合适的合成级配，使得橡胶沥青混合料的空隙率相当，在这样的条件下再进行冻融劈裂试验。由表6可知，所有级配的混合料TSR均大于80%，满足《规范》要求。沥青用量为5.5%时，不用矿粉的级配4对应的TSR值大于加矿粉的级配3；在6.0%和6.5%的沥青用量条件下，掺加矿粉的级配，其混合料TSR均大于不用矿粉的级配；在6.0%和6.5%的沥青用量下，试验结果与由沥青膜厚得出的理论推断也不相符合。

3.3 四点弯曲疲劳试验结果与分析

采用BFA进行四点弯曲疲劳试验，疲劳破坏判据为劲度模量降为初始劲度模量的50%。根据目前路面车载情况，分别选取应变为500，1 000，1 500 με的3种加载水平以模拟不同轻重交通荷载的情况。疲劳试验参数见表7，疲劳试验所用集料级配见表8，疲劳试验结果见表9。

表7 疲劳试验参数

表8 疲劳试验所用级配

表9疲劳试验结果

Table9Fatiguetestresults

依据广泛使用的疲劳模型：

(1)

两边同时取对数，得到式(2)：

lgNf=lgk1-k2lgε

(2)

根据式(2)对试验数据进行线性拟合，得到疲劳拟合曲线见图1，拟合方程见表10。

图1 疲劳拟合曲线Fig.1 Fatigue fitting curves

沥青用量/%集料级配拟合方程相关系数5．5ⅠlgNf=-1．4829lgε+8．5561R2=0．9357ⅡlgNf=-1．4032lgε+8．3533R2=0．9316ⅢlgNf=-1．5787lgε+9．0198R2=0．9475

(续表10)

沥青用量/%集料级配拟合方程相关系数6．0ⅠlgNf=-1．4450lgε+8．5121R2=0．9913ⅡlgNf=-1．4077lgε+8．4313R2=0．9997ⅢlgNf=-1．2907lgε+8．3034R2=0．99926．5ⅠlgNf=-1．3817lgε+8．3924R2=0．9991ⅡlgNf=-1．2383lgε+7．9806R2=0．9780ⅢlgNf=-1．2823lgε+8．4373R2=0．9944

从图1可以看出，未使用矿粉的级配Ⅲ疲劳性能明显优于使用矿粉的级配Ⅰ和级配Ⅱ。此外，虽然级配I和级配Ⅱ的矿粉用量不同，但它们的疲劳性能较为接近。

4 结 论

1)计算可以发现：掺加矿粉的橡胶沥青混合料，沥青膜厚度基本都是低于6～8 μm；沥青用量为5.5%时，不用矿粉的橡胶沥青混合料，其沥青膜厚度基本处于6～8 μm的范围内，当沥青用量增大，沥青膜厚度均大于8 μm。

2)飞散试验结果显示：3种沥青用量下，掺加矿粉级配的橡胶沥青混合料其飞散损失均略低于不含矿粉的级配。

3)冻融劈裂试验结果显示：沥青用量为5.5%时，不用矿粉的级配对应的TSR值大于加矿粉的级配；而6.0%和6.5%沥青用量下，不用矿粉的级配对应的TSR值均小于加矿粉的级配。

4)疲劳试验结果表明，未使用矿粉的级配疲劳性能明显优于使用矿粉的两种级配。此外，虽然使用矿粉的两种级配的矿粉用量不同，但它们的疲劳性能较为接近。

5)从室内试验结果分析可知，橡胶沥青混合料中矿粉的使用，对黏结性能和抗水损害性能有稍许提高，但对疲劳性能是不利的。考虑到疲劳性能是橡胶沥青最重要的性能，建议橡胶沥青混合料不用或少用矿粉。

[1] Standard Specifications for Road and Bridge Construction [S].Arizona: Arizona DOT, 2008: 328-324.

[2] Standard Specifications[S].California:California DOT, 2010: 411-416.

[3] Standard Specifications for Construction and Maintenance of Highways, Streets and Bridges [S].Texas: Texas DOT, 2004: 265-278.

[4] 交通部公路科学研究院.橡胶沥青及混合料设计施工技术指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

Research Institute of Highway Ministry of Transport.Guide for Design and Construction of Asphalt Rubber and Mixtures [M].Beijing: China Communications Press, 2009.

[5] 郑茂,黄卫东.级配对橡胶沥青混合料空隙率的影响[J] .重庆交通大学学报:自然科学版,2009,28(4):720-723,784.

Zheng Mao,Huang Weidong.Impact of gradation on voidage of rubber asphalt mixture [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science, 2009, 28(4): 720-723, 784.

[6] Campen W H,Smith J R,Erickson L G,et al.The Relationship between Voids,Surface Area,Film Thickness,and Stability in Bituminous Paving Mixtures [C]// TRB: Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists.[S.l.]: AAPT,1959(28):149-178.

[7] Kandhal P S,Chakraborty S.Evaluation of Voids in the Mineral Aggregate for HMA Paving Mixtures [R].Alabama,USA:NCAT,1996: 4-5.

[8] 蔡氧,陈炳生.重载沥青路面的沥青膜厚研究[J].中国市政工程,2005(5):11-13.

Cai Yang,Chen Bingsheng.Research on asphalt film thickness of heavy- duty asphalt pavement [J].China Municipal Engineering,2005(5): 11-13.