橡胶粉对橡胶沥青混合料性能的影响

杨冬亮，冯明林，闫思璐

（1.河南中大建设工程有限公司工程部，河南驻马店 463000；2.河南交院公路工程技术有限公司总工办，河南郑州 451460；3.河南省置地房地产集团有限公司成本部，河南驻马店 463000）

在橡胶沥青胶结料配合比设计中，查旭东［1］等人从橡胶沥青中胶粉颗粒存在的角度出发，级配设计时给胶粉颗粒留下一定的空间，对关键性筛孔以及0.075mm筛孔的通过率进行了优化处理，以避免给混合料骨架结构造成影响，从而降低混合料整体强度。赖正林［2］等人根据橡胶沥青的特性，参照不同的气候以及交通状况，对橡胶沥青混合料进行了研究，设计方法仍然采用马歇尔标准击实法。早在2006年12月，北京市路政局的设计人员在参考大量工程实践的基础上编制了废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南，为中国橡胶粉、橡胶沥青、沥青混合料的配合比设计及橡胶沥青用量研究提供了一定的依据。作者拟结合河南地区夏季高温炎热的具体情况，对橡胶沥青混合料作进一步研究，旨在为中原地区橡胶沥青的发展提供参考。

1 原材料

1）集料及填料的选择

考虑到集料的种类对混合料的影响，粗、细集料均采用福州市闽侯县苏洋村生产的单一玄武岩。该种粗集料具有坚硬、耐磨及表面纹理良好等特点。相应的玄武岩石屑棱角性好，表面粗糙并与沥青的粘附性较好。填料选用福建省三明市生产的亲水系数小于1的石灰石矿粉，它是由碱性的石灰岩在不含泥土的情况下磨细而成，并要求该矿粉洁净干燥。该矿粉可以与沥青形成良好的粘附性。同时要求矿粉中0.075mm筛孔的通过率为85%以上。具体结果汇总见表1。

表1 矿粉检验结果Table 1 The test results of slag

2）沥青

在配合比设计和制作相关试件时，沥青胶结料由不同目数橡胶粉与普通70＃沥青在室内通过高速搅拌剪切掺拌而成。即试验选取了3种橡胶目数（30目，40目和50目）和4种橡胶掺量（10%，15%，20%和25%），在特殊方法下掺拌配置而成，并在高温溶胀条件下发育成成品橡胶沥青［3］。

2 配合比设计

针对中国规范推荐的SMA－13矿料级配曲线的具体情况，对关键性筛孔（4.75mm和0.075mm通过率）作了进一步的调整［4］，确定了2条级配曲线①SMA－13和②SMA－13。其中，②SMA－13级配要略粗于①SMA－13级配。为了减小在试验的过程中发生偶然性的误差，提高试验的准确性，试验整个过程采用“精配”原则。合成级配曲线如图1所示。

3 油石比分析

在矿料合成级配以后，要进行最佳油石比的确定。按照图1通过率的要求，在精配的前提下，反算出各档的质量，得到①和②级配精配矿料混合料。然后分别按照6.3%，6.6%，6.9%及7.2%的阶梯油石比，制作马歇尔标准试件。同时纤维掺量按照占沥青混合料比例的0.3%同等加入，最后，在室内马歇尔试验的基础上，分析毛体积密度、稳定度、流值、矿料间隙率及试样空隙率变化规律，最终确定各自的最佳油石比，如图2所示。

图1 合成级配曲线Fig.1 Synthetic gradation curves

图2 最佳油石比变化Fig.2 The change of the optimun ratio of oil and stone

从图2中可以看出，在配合比设计时，最佳油石比与橡胶沥青组分联系紧密。无论级配的粗、细，在相同目数橡胶粉下，油石比随橡胶粉掺量的增加而增加；但是，在相同的掺量下，最佳油石比却随着橡胶粉的目数增加而有所下降，并趋于稳定。即橡胶粉越细，油石比越低。当橡胶粉掺量达到20%时，橡胶粉细度对油石比影响降低。这表明由于橡胶粉的不断加入，沥青的粘度变大。在最佳油石比确定、且矿粉和纤维料共同的作用下，集料表面形成的沥青膜就会加厚，进而油石比变大。与此同时，当橡胶粉细度加大时，橡胶粉颗粒在高温基质沥青中脱硫反应彻底，进而形成小的分子团网状结构。但是，这种经过高温氧化解聚的“合成沥青”在标准试验中形成的沥青膜厚度却无法增加，致使油石比不再增加。因此，在掺配橡胶沥青、考虑油石比时，要综合考虑橡胶粉的细度和掺量。

4 高温性能分析

沥青混合料作为沥青路面的面层，直接受到车辆荷载和环境因素的影响。特别是在夏季高温地区，车辙病害的产生降低了路面的行车质量。橡胶沥青混合料兼具了橡胶粉和沥青的弹性性质，对夏季流动性车辙具有深远的意义［5］。对路面性能研究中，从高温性能出发，分析不同级配、掺配及目数橡胶粉下动稳定度的变化，以便在具体实践中对级配设计和胶结料的选择提供依据。在最佳油石比的基础上，对①和②两种级配分别拌制，将混合料制作成标准车辙试件。在60℃环境下，进行动稳定度试验，试验结果如图3所示。

图3 SMA－13级配下的动稳定度Fig.3 The dynamic stability of SMA－13

从图3中可以看出，无论级配的粗、细，橡胶沥青的动稳定度变化趋势相同。当掺配橡胶沥青的橡胶粉较粗时，高温稳定性随着橡胶粉的掺量增加，动稳定度会出现峰值。如：在30目橡胶粉（掺量15%～20%）掺拌时，高温性能最好。随着胶粉目数的变化，高温性能会发生改变。相同掺量的橡胶粉加细时，高温性能会不断提高。但是，橡胶粉越细，高温性能随着掺量变化的优势就越明显。即相同级配和掺量下，50目的橡胶粉比40目橡胶粉掺配沥青胶结料后所拌制混合料的动稳定度提高了300～1 500mm／次。这说明较细的橡胶粉能更加彻底地发生颗粒硫化，进而形成粘度较高的胶结料。而对于颗粒偏粗的橡胶粉，虽然它也增强了胶结料与集料之间的粘附性，但是，部分较大的颗粒“核心”仍然存在，类似于细集料起到了部分填充作用［6］。与之对应的较细的橡胶粉，在高温溶胀中，吸收沥青中的轻质油分，全部溶于基质沥青中，此时胶结料与集料形成的强度就会大大提高。

在级配发生改变时，沥青混合料的高温性能也会发生一定的变化。级配较粗时，在沥青胶结料都相同的前提条件下，其高温性能明显偏好。如：在本研究中，较粗的②SMA－13级配比①SMA－13级配的动稳定度提高了0.2～0.5倍。这说明SMA级配设计与其他级配设计强度形成的机理有相同之处。路面强度除受胶结料和纤维稳定剂的影响外，还与骨料的镶嵌所构成的骨架作用有关［7］，可为橡胶沥青混合料矿料级配设计提供参考。

5 结论

通过对掺配所得的橡胶沥青以及沥青混合料的最佳油石比和高温性能进行分析，得出的结论为：橡胶粉的掺量和细度在混合料整体设计中是不可忽视的两个组成部分。尽管级配有粗、细之分，但是，随着橡胶粉掺量的增加，油石比也逐渐增加，而细度的增加，最佳油石比却同比减少了0.1%～0.3%，此时矿料级配对油石比的影响甚小。在路用性能和高温抗车辙方面，动稳定度受矿料级配的影响较大。相同胶结料下，较粗级配的高温性能偏好。当级配一定时，橡胶结料中橡胶粉偏粗，混合料高温性能对其掺量具有选择性。偏细橡胶粉的掺量越高，高温稳定性越高。

（References）：

［1］查旭东，杨桂，任旭.细粒式纤维沥青混合料配合比设计与性能试验分析［J］.交通科学与工程，2012，28（4）：1－7.（ZHA Xu－dong，YANG Gui，REN Xu.Fine－grained fiber asphalt mixture design and performance test analysis［J］.Transportation Science and Engineering，2012，28（4）：1－7.（in Chinese））

［2］赖正林，谢军，钟卉.不同级配下橡胶沥青混合料路用性能的比较［J］.公路工程，2012（5）：92－96，100.（LAI Zheng－lin，XIE Jun，ZHONG Hui.Different gradations of rubber asphalt mixture road performance comparison［J］.Highway Engineering，2012（5）：92－96，100.（in Chinese））

［3］张小英，徐传杰，车金良.橡胶粉的溶解度对改性沥青高温性质和储藏稳定性的影响［J］.石油沥青，2011，25（4）：35－39.（ZHANG Xiao－ying，XU Chuan－jie，CHE Jin－liang.Effect of the solubility of the crumb rubber on high－temperature properties and the storage－stability of modified asphalts［J］.Petroleum As－phalt，2011，25（4）：35－39.（in Chinese））

［4］李剑新，时敬涛，马庆丰.废橡胶粉改性沥青技术新进展［J］.石油沥青，2011，25（2）：53－56.（LI Jian－xin，SHI Jing－tao，MA Qing－feng.New technology progress of crumb rubber modified asphalt［J］.Petroleum Asphalt，2011，25（2）：53－56.（in Chinese））

［5］李美江，王旭东.橡胶粉改性沥青性能研究［A］.第四届亚太可持续发展交通与环境技术大会论文集［C］.北京：人民交通出版社，2005：246－250.（LI Meijiang，WANG Xu－dong.Crumb rubber modified asphalt research［A］.Proceedings of the Fourth Asia－Pacific Conference on Sustainable Transport and Environmental Technology Development［C］.Beijing：China Communications Press，2005：246－250.（in Chinese））

［6］孙祖望，陈飙.橡胶沥青技术应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.（SUN Zu－wang，CHEN Biao.Application guide of asphalt rubber technology［M］.Beijing：China Communications Press，2007.（in Chinese））

［7］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.（SHEN Jin－an.Asphalt and asphalt road performance［M］.Beijing：China Communications Press，2001.（in Chinese））