稳定型橡胶改性沥青混合料设计与工程应用

荆靖，董光彬，周涛，耿立涛

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101；2.山东省高速路桥养护有限公司，山东济南250032）

0 引言

随着汽车工业的飞速发展，国内废旧车辆轮胎数量呈现快速增长的趋势。据统计，我国每年的废旧轮胎产量达1.3亿条，占用土地资源、污染环境，且存在火灾隐患［1］。将废旧轮胎加工成橡胶粉、对其二次利用是国际上通用的处理方法，其中应用于公路行业是主要途径之一［2－3］。除废旧轮胎胶粉得以再生利用的优点之外，以橡胶粉制备橡胶沥青可以提高沥青及沥青混合料的路用性能，铺筑的沥青路面具有低噪音、长寿命、减薄路面厚度等优势，并且橡胶粉可以替代常用的SBS等改性剂，经济效益显著［4－5］。

然而，目前道路工程中常用的橡胶沥青存在下述主要缺点：（1）高温制备、沥青老化严重；（2）高温粘度大、施工和易性差；（3）对反应时间敏感、存储稳定性差；（4）现场生产工艺、设备周转不便；以上缺点限制了其在实际工程中的推广应用。

针对上述问题，山东建筑大学交通工程学院开展了橡胶沥青专题研究，通过添加特殊助剂、采用特定生产工艺等方式，提高了橡胶沥青的施工和易性和存储稳定性、实现了橡胶沥青的工厂化生产，将其命名为稳定型橡胶改性沥青SRMA（stabilized rubber modified asphalt）［6－7］。

文章依托实际工程，针对稳定型橡胶改性沥青开展了混合料设计、性能评价与工程应用等研究工作。在对稳定型橡胶改性沥青技术性能试验评价的基础上，以其作为结合料设计了SMA-13型沥青混合料，评价了稳定型橡胶改性沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性等路用性能，并以动态模量试验分析了沥青混合料的力学性能，设计成果应用于2013年京台高速公路养护工程的表面层施工中。稳定型橡胶改性沥青混合料具有良好的使用性能，经济效益明显。

1 稳定型橡胶改性沥青的技术性能测试

本研究依托实际工程，对工厂化生产的成品稳定型橡胶改性沥青分别进行了针入度分级体系和SHRP沥青胶结料PG分级体系下的技术性能测试工作，试验结果见表1。

由表1可以看出，稳定型橡胶改性沥青具有较低的高温粘度和离析指标，因而具有较好的施工和易性和存储稳定性。从PG分级指标来看，稳定型橡胶改性沥青达到了PG 76－28，优于常用的齐鲁70＃沥青（通常为PG 64－22）和SBS改性沥青（通常为PG 70－28或PG 76－22），因此具有更广的地区适用性。

表1 稳定型橡胶改性沥青的技术性能

2 稳定型橡胶改性沥青混合料SMA-13设计

本研究中SMA-13稳定型橡胶改性沥青混合料设计所用原材料均来源于实际工程，粗、细集料均为优质玄武岩石料，粒径分别为10～15、5～10和0～3 mm三档，沥青结合料选用前述工厂化生产的成品稳定型橡胶改性沥青，填充料采用石灰岩磨细矿粉和木质素纤维。矿料筛分试验和物理指标测试结果见表2、3，选定的设计级配曲线如图1所示。

表2 矿料的筛分试验结果

以马歇尔方法进行SMA－13稳定型橡胶改性沥青混合料设计。沥青混合料拌和与马歇尔试件成型时的控制指标如下：矿料加热温度为180～185℃，沥青加热温度为165～170℃，在175～185℃条件下进行混合料拌和，然后在170～175℃进行马歇尔试件成型，双面各击实75次。设计木质素纤维掺量为0.3%，经试验确定最佳油石比为6.3%，有关设计参数的测试结果见表4，可见各项指标均满足JTG F40—004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求［8］。

表3 矿料的物理指标

图1 SMA-13沥青混合料设计级配曲线图

表4 SMA-13沥青混合料的设计参数

3 稳定型橡胶改性沥青混合料SMA-13的路用性能与力学性能评价

对所设计的SMA-13稳定型橡胶改性沥青混合料进行了高温、低温和水稳定性的性能评价。依据JTG F40—004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求［8］，沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性分别采用60℃车辙试验测定的动稳定度、－10℃小梁弯曲试验测定的破坏应变和冻融劈裂试验测定的冻融劈裂比进行评价，试件成型及性能测试依据JTG E20—011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行［9］。为进行对比，还以我省常用的SBS改性沥青，制备了相同级配和油石比的试件，并进行了相应的路用性能对比试验。

表5列出了两种混合料各项路用性能指标的测试结果，可见两种沥青混合料的技术指标均满足规范要求。由冻融劈裂比的测试结果比较可以看出，二者的水稳定性接近，而在高、低温性能上，稳定型橡胶改性沥青混合料具有优势，动稳定度和破坏应变分别提高了18.5%和12.8%。

表5 两种混合料路用性能指标测试结果

对SMA－13稳定型橡胶改性沥青混合料进行了动态模量试验，用以评价其力学性能。沥青混合料以旋转压实仪成型并切割成100 mm（直径）×150 mm（高）试件。动态模量试验在沥青混合料简单性能试验系统（SPT）上进行，试验温度序列取为5、20、30和45℃，每个温度条件下，加载频率分别为 10、5、、5.1和 0.5 Hz。为进行对比，还以我省常用的SBS改性沥青，制备了相同级配和油石比的试件，并进行了动态模量对比试验。基于测试结果，依据时间—温度转换原理建立了两种沥青混合料的动态模量主曲线［10－12］，如图 2所示。

图2 稳定型橡胶改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料的动态模量主曲线

可以看出，高频荷载（相当于低温条件）作用下，稳定型橡胶改性沥青混合料的动态模量低于SBS改性沥青混合料，表明其具有更优的低温性能；而低频荷载（相当于高温条件）作用下，稳定型橡胶改性沥青混合料的动态模量可达SBS改性沥青混合料的1.3倍，对抵抗高温车辙更加有利。此外，力学性能分析结果与前述对稳定型橡胶改性沥青及其混合料的技术性能分析结果一致。

4 工程应用

文章的研究成果在2013年7～8月京台高速公路曲阜段养护维修工程中得到了应用，SMA－13稳定型橡胶改性沥青混合料用于东幅桩号K528＋200～K522＋100施工段落的表面沥青层施工，单层铺筑厚度为4 cm，现场施工照片如图3所示。施工完成运营至今，路况良好、未见任何病害，表明了稳定型橡胶改性沥青及沥青混合料良好的路用性能。此外，与常用的改性沥青相比，使用稳定型橡胶改性沥青铺筑沥青路面，材料成本节支达10%。

图3 施工及现场照片图

4 结论

文章依托实际工程，在稳定型橡胶改性沥青技术性能评价的基础上，设计了SMA-13型稳定型橡胶改性沥青混合料，分析了沥青混合料的路用性能和力学性能，设计成果成功应用于京台高速公路曲阜段养护维修工程中。结果表明：

（1）稳定型橡胶改性沥青的性能分级为PG 76－28，优于常用的SBS改性沥青。

（2）与常用的SBS改性沥青混合料相比，稳定型橡胶改性沥青混合料的动稳定度和破坏应变分别提高了18.5%和12.8%，表明其在高、低温性能方面均具有优势。

（3）稳定型橡胶改性沥青混合料具有良好的使用效果和经济效益。

［1］孙祖望.橡胶沥青应用技术指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］Airey G.，Rahman M.，Collop A..The influence of crude source and penetration grade on the interaction of crumb rubber and bitumen［C］.Asphalt Rubber 2003 Conference.Brasilia：Star Print Editora，2003.

［3］郑茂，黄卫东，高川.基于SHRP分级试验的橡胶沥青抗裂性能评价［C］／／第四届国际橡胶沥青会议，南京，2009.

［4］任瑞波，王立志，耿立涛.稳定型橡胶改性沥青混合料动态模量研究［J］.山东建筑大学学报，2013，28（4）：283－288.

［5］曹荣吉，陈荣生.橡胶沥青工艺参数对其性能影响的试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2008，38（2）：269－273.

［6］任瑞波.稳定型橡胶改性沥青与沥青混合料应用技术的研究［R］.济南：山东建筑大学，2011.

［7］任瑞波，常友功，耿立涛，等.应力吸收层沥青混合料的力学性能评价［J］.山东建筑大学学报，2012，27（5）：469－482.

［8］JTG F40—004，公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［9］JTG E20—011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［10］周键炜，王大明，白琦峰.沥青混合料动态模量主曲线研究［J］.公路工程，2009，34（5）：60－62.

［11］Choa Y.H.，Parkb D.W.，Hwang S.D..A predictive equation for dynamic modulus of asphalt mixtures used in Korea［J］.Construction and Building Materials.2010，24（4）：513－519.

［12］NCHRP.Refining the Simple Performance Tester for Use in Routine Practice，NCHRPREPORT 614［R］.Washington，D.C.Transportation Research Board，2008.