辉绿岩橡胶沥青混合料路用性能研究与应用

唐 颂 周春风

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.江西赣东路桥建设集团有限公司 江西抚州 344000)



辉绿岩橡胶沥青混合料路用性能研究与应用

唐 颂1周春风2

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.江西赣东路桥建设集团有限公司 江西抚州 344000)

将辉绿岩粗集料用于城市主干道下面层AR-AC16路面，并进行集料性能实验、集料与结合料黏附性实验及橡胶沥青混合料路用性能实验。结果发现：除黏附等级不满足规范要求外，辉绿岩其他物理力学指标优良，采用水泥替代矿粉并掺加抗剥落剂后，辉绿岩橡胶沥青混合料表现出优良的路用性能，其中残留稳定度超过90%，比未掺加前提高40%以上，AR-AC16动稳定度高达4 700，冻融劈裂强度比有明显提高，低温小梁实验结果亦满足规范要求。辉绿岩粗集料可用于高等级沥青路面中下面层。

道路工程 辉绿岩 橡胶沥青混合料 黏附等级 路用性能

将废旧橡胶轮胎制成路用废胎胶粉，以不低于15%的内掺掺量掺加到基质沥青中生产出橡胶沥青，不但可以显著提高结合料的高温稳定性、低温柔韧性以及弹性回弹能力，而且橡胶沥青路面在延缓反射裂缝、抵抗重载交通等方面有明显优势[1-3]，截至目前为止，国内几乎所有省市均铺筑了橡胶沥青路面，部分省市甚至将橡胶沥青混合料用于中下面层，并取得了良好的路用效果。抚州市迎宾大道首次在江西省采用双层橡胶沥青路面进行旧路改造，原路为水泥路面，采用白加黑模式进行路面改造，即在原水泥路面上加铺双层橡胶沥青混合料，加铺层采用1+4+4结构，下面层采用4 cm厚的AR-AC16，该层粗集料最初计划采用石灰岩，但考虑到该条道路交通量大、红绿灯多、平均车速低、过境车辆多、重载交通比重大、甚至存在超载车辆通行等问题，故经过实验研究，最终决定采用坚硬的辉绿岩作为下面层AR-AC16粗集料，细集料采用石灰岩，在保证路面结构层功能和扩建工程顺利完成的同时，亦较好地保证了橡胶沥青混合料质量及路用性能。

1 材料与方法

1.1 粗集料性能指标

石灰岩俗称青石或灰石，属沉积岩，主要化学成分是碳酸钙，主要矿物成分为方解石，二氧化硅质量分数小于52%，属于碱性石料。石灰岩来源广、硬度低、易劈裂便于开采，与沥青的黏附性较好，可以有效地提高抗水损害能力，但其自身强度低、易压碎、易劈裂、易磨光，所以在目前高等级道路沥青路面上面层粗集料中应用很少。辉绿岩属于喷出岩，矿物成分以碱性斜长石和辉石为主，二氧化硅的含量通常在45%到52%之间，属于碱性石料。多数情况下，其矿物粒径大于玄武岩且更加致密，在高等级道路路面上面层粗集料中，用量仅次于玄武岩的集料，但在道路中下面层路面尚不常见。

本文依托项目所用1#辉绿岩和1#石灰岩粗集料(规格9.5～19 mm)，按照现行《公路工程集料试验规程》(JTG E 42-2005)进行实验，结果见表1。

表1 不同1#粗集料实验结果对比Table 1 Test result of different coarse aggregate

由表1可以看出，石灰岩虽然各指标满足技术要求[4]，但石料强度偏低，接近技术要求下限，且压碎值明显高于辉绿岩。辉绿岩除黏附等级低于技术要求外，其余指标均优于石灰岩，综合考虑集料性能及本项目交通特点，最终决定下面层粗集料选用辉绿岩。

1.2 基质沥青技术指标

基质沥青采用东海牌70#A级道路石油沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E 20-2011)对其技术指标进行检测，实验结果见表2。

表2 基质沥青技术指标Table 2 Result of matrix asphalt test

续表2 基质沥青技术指标Table 2 Result of matrix asphalt test(Continued)

2 实验结果与讨论

2.1 橡胶沥青实验结果与讨论

橡胶沥青采用工地现场加工生产。目标配合比实验用橡胶沥青为实验室配制，采用20目路用废胎胶粉，根据类似工程经验并结合工程实际情况，首先进行橡胶沥青配合比实验，结果见表3。

表3 不同掺量橡胶沥青配合比实验结果Table 3 Test results with different dosage for asphalt rubber mixture

由表3可以看出：不同实验掺量下，橡胶沥青技术指标均满足技术要求，综合考虑工程质量和施工难易程度[5]，最终确定室内橡胶沥青混合料用橡胶沥青按表观黏度3.0 Pa·s进行控制，该黏度对应胶粉内掺约18%，实际生产橡胶沥青混合料时，将橡胶沥青黏度控制在2.8～3.2 Pa·s内，此时胶粉内掺掺量在17.5%～18.1%之间，以保证橡胶沥青混合料质量。

2.2 橡胶沥青混合料配合比设计结果与讨论

依据交通运输部公路科学研究院《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》关于断级配橡胶沥青混合料的研究成果，并参考以往类似工程经验进行配合比设计，同时按照现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)及设计要求，进行路用性能验证[4,7]，采用2%水泥替代全部矿粉后，下面层AR-AC16矿料合成级配与级配范围见表4。

表4 AR-AC16矿料合成级配与级配范围Table 4 Material synthesis grading and gradation scope for AR-AC16

注：合成级配1为辉绿岩粗集料，合成级配2为石灰岩粗集料。

按照上述级配制作马歇尔标准试件，采取双面各75次击实成型，橡胶沥青混合料室内成型温度控制见表5。

在此成型温度下，得到最佳油石比下各橡胶沥青混合料AR-AC16马歇尔实验结果见表6。

表5 AR-AC16室内拌和与击实温度Table 5 Laboratory mixing and compaction temperature

表6 AR-AC16马歇尔实验结果Table 6 Marshall test results of AR-AC16

由表6可以看出，相同目标空隙率，不同集料对应的最佳油石比存在一定的差异，这一方面是因为矿料合成级配本身就存在一定差别，另一方面，估计与不同集料的影响也存在一定的关系。采用辉绿岩和石灰岩粗集料时，最佳油石比下，尽管橡胶沥青混合料AR-AC16马歇尔试件的体积指标以及稳定度和流值均满足设计要求，但是辉绿岩粗集料的稳定度远高于石灰岩，这说明AR-AC16辉绿岩橡胶沥青混合料具有更好的强度及高温稳定性。

2.3 橡胶沥青混合料路用性能实验结果与讨论

2.3.1 水稳定性实验结果及讨论

抚州市属中亚热带季风型气候，温暖湿润，雨量充沛，年平均降水量多在1 700 mm左右，且降雨多集中在4～6月份，春季常出现长阴雨天气，因此，路面在雨季时面临着潜在水损害威胁，对混合料水稳定性要求较高。

沥青混合料水稳定性的评定方法可分两个阶段，在集料性能实验阶段，主要通过黏附性实验测定沥青与矿料的黏附性，在混合料路用性能验证阶段，则通过混合料的浸水马歇尔实验和冻融劈裂实验对沥青混合料水稳定性进行评价[6]。

对1#辉绿岩粗集料采用T 0616-1993水煮法，分别与基质沥青及橡胶沥青进行黏附性实验，结果发现，基质沥青与辉绿岩粗集料黏附等级只有3级，不满足设计要求，而橡胶沥青与辉绿岩黏附等级则提高了一级，达到了设计要求的4级，究其原因，在于相同温度下，橡胶沥青黏度远高于基质沥青，较高黏度增加了粗集料表面沥青膜厚度，并进一步增加了结构沥青含量，从而改善了橡胶沥青与辉绿岩集料的结合力和黏附性。

虽然橡胶沥青与辉绿岩粗集料黏附等级达到了设计要求，但对橡胶沥青混合料进行浸水马歇尔实验时却发现，即便在橡胶沥青混合料中采用2%水泥替代全部矿粉， AR-AC16残留稳定度仍只有62.9%，达不到规范不低于85%的要求，需要掺加抗剥落剂。

因橡胶沥青生产温度在180～200 ℃之间，橡胶沥青混合料的正常生产温度也已超过170 ℃，远高于胺类抗剥落剂的分解温度，为此，本文选用一种非阳离子、非胺类抗剥落剂，其有效成分分解温度超过380 ℃，正常情况下为黑色液体，使用时只需添加沥青结合料质量的0.2%～0.4%于热沥青结合料中，搅拌均匀即可与结合料混溶，并取得显著抗剥落效果，使集料与结合料黏附等级由2～3级提高到5级。在室内实验基础上，结合本项目特点、经济性及质量保证，决定抗剥落剂按0.4%掺加，并进行RTFOT对比实验。对橡胶沥青，则是先将抗剥落剂加入到190 ℃橡胶沥青中，恒温搅拌30 min后，再进行RTFOT实验，并取RTFOT后结合料进行黏附性实验，以验证混合料生产及施工过程中的老化过程及抗剥落剂的耐高温性能，实验结果见表7。

表7 不同结合料黏附性实验结果Table 7 Test results of different binder adhesion

由表7可以看出，无论基质沥青还是橡胶沥青，RTFOT后与辉绿岩集料的黏附等级均能保持5级，从而显示出所用抗剥落剂优良的耐高温效果，掺加抗剥落剂后,橡胶沥青混合料残留稳定度及冻融劈裂强度比见表8。

表8 掺加抗剥落剂后橡胶沥青混合料水稳定性实验结果Table 8 Test results of water stability after adding anti-stripping agent on asphalt rubber mixture

由表8可以看出，未掺加抗剥落剂前，石灰岩橡胶沥青混合料水稳定性实验结果均满足设计要求，但辉绿岩相关指标均低于设计值。掺加抗剥落剂后，辉绿岩橡胶沥青混合料的水稳定性有较大幅度提高，残留稳定度和冻融劈裂实验强度增长率分别为43.4%和38.9%，抗剥落剂和集料岩性均对橡胶沥青混合料水稳定性具有重要影响。

2.3.2 高温稳定性实验结果及讨论

作为城市主干道，改造路段交通量大，重载车辆多，且项目所在区属沥青及沥青混合料气候分区中夏炎热冬温潮湿区，最热月平均最高气温超过30 ℃，所有这些，都对沥青混凝土路面高温性能提出了更高要求。

通常情况下，沥青稠度高，软化点高，温度稳定性好，在高温下仍能保持足够的黏滞性，使混合料具有一定的强度和劲度，橡胶沥青黏度高，软化点高，弹性恢复好，虽然橡胶沥青对混合料高温性能的影响迄今尚缺乏系统的研究，但就工程实际经验看，橡胶沥青混合料虽然油石比远高于普通沥青混合料，但其动稳定度明显高于后者。已有研究结果表明，沥青混合料高温抗车辙性能60%依赖于矿料级配，结合料则有40%贡献[2]，在相同集料情况下，橡胶沥青动稳定度高出普通沥青混合料很多，这其中，虽然存在级配差异原因，但是结合料对沥青混合料高温稳定性的影响不容忽视。

内掺18%胶粉，黏度3.0 Pa.s时，对AR-AC16进行车辙实验，按照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E 20-2011)， 采用轮碾法T 0703-2011；制作300 mm×300 mm×50 mm的试件，在最佳油石比下，对辉绿岩橡胶沥青混合料和石灰岩橡胶沥青混合料的高温稳定性进行比较，实验结果见表9。

表9 不同粗集料动稳定度实验结果Table 9 Test results of dynamic stability for different coarse aggregate

由表9可以看出，辉绿岩橡胶沥青混合料动稳定度高出石灰岩，二者均满足设计要求，但是辉绿岩橡胶沥青混合料动稳定度比石灰岩橡胶沥青混合料增加30%以上，超过了规程规定的重复性实验要求，这说明排除实验误差后，不同集料对橡胶沥青混合料的高温稳定性有着较为显著的影响，从动稳定度指标看，AR-AC16中采用辉绿岩橡胶沥青混合料比石灰岩具有更好的高温稳定性。

2.3.3 低温性能实验结果及讨论

按照T 0715-2011进行辉绿岩橡胶沥青混合料低温弯曲实验，在最佳油石比下，采用轮碾成型试件并切割成250 mm×30 mm×35 mm小梁试件，实验温度-10±0.5 ℃，加载速率50 mm/min，实验结果见表10 。

由表10可以看出，辉绿岩橡胶沥青混合料的破坏应变超过3 000 με以上，说明辉绿岩橡胶沥青混合料具有更好的适应低温变形能力，其低温抗裂性能好，低温性能指标满足设计要求。

该项目自2012年8月26日竣工以来，已运行超过两年，路面状况良好，无明显水损害发生。

表10 辉绿岩橡胶沥青混合料低温弯曲实验结果Table 10 Test results of low temperature bending for diabase asphalt rubber

3 结论

虽然辉绿岩与基质沥青黏附等级低于石灰岩，但其综合力学指标优于石灰岩，与其结合料黏附等级偏低时，采用水泥替代部分或全部矿粉，并同时掺加抗剥落剂，可以完全用于橡胶沥青混合料。

掺加抗剥落剂后，辉绿岩橡胶沥青混合料表现出优良的高温稳定性及水稳定性，其低温性能亦满足规范要求，辉绿岩可替代石灰岩用于高等级橡胶沥青路面各结构层。

受实验条件制约，本文未能进行浸水车辙实验，建议条件许可时，可通过浸水车辙等实验对掺加抗剥落剂后辉绿岩橡胶沥青混合料路用性能进行深入分析研究。

致谢：本文得到同济大学交通运输学院吕伟民教授的指导和帮助，在此深表感谢！

[1] 吕伟民.橡胶沥青路面技术[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 黄卫东，李彦伟，杜群乐, 等.橡胶沥青及其混合料的研究与应用[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3] 王旭东，李美江，陆凯冀, 等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] FTG F 40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[5] 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，2008.

[6] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[7] JTG E 20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[8] 李老亮，杨三强，刘涛，等.橡胶沥青在新疆重载交通城市道路的应用[J]. 石油沥青, 2014, 28 (2) :66- 68.

[9] JTG E42-2005，公路工程集料试验规程[S].

Research and Application of Diabase Asphalt Rubber
Mixture on Pavement Performance

TANG Song1， ZHOU Chun-feng2

(1.SchoolofEnvironmentalEngineeringandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010,Sichuan,China;2.JiangxiGandongRoad&BridgeConstructionGroupCO.LTD,Fuzhou344000,Jiangxi,China)

Using diabase coarse aggregate on AR - AC16 for urban main road, and aggregate performance test, aggregate and binder adhesion test and performance test of rubber asphalt mixture. The results show that: in addition to the adhesion level does not meet the requirements of specification, greenstone other excellent physical and mechanical indexes, with cement for mineral powder and adding antistripping agent, diabase rubber asphalt mixture showe excellent road performance, including residual stability more than 90%, more than 40% higher than that of before adding, AR - AC16 dynamic stability is as high as 4700, freeze-thaw splitting strength than to have improved obviously, low temperature tm test results meet the requirements of specification, diabase aggregate can be used for high grade lower surface layer of asphalt pavement.

Road engineering； Diabase； Asphalt rubber mixture； Adhesion levels； Pavement performance

2015-01-07

四川省教育厅基金项目(12ZB334)。

唐颂(1974—)，男，硕士，讲师，研究方向为道路工程、桥面铺装及工程材料应用等。E-mail：tangs2011@163.com

U414

A

1671-8755(2015)02-0028-06