橡胶颗粒沥青混合料修正的动稳定度研究

王国忠， 张岩， 冯晓波， 李海军

(1.内蒙古农业大学 能源与交通工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010018; 2.内蒙古路桥集团有限责任公司 第六工程处)

1 前言

沥青混合料的动稳定度是用于判断沥青混合料的抗车辙性能，评价沥青混合料的高温稳定性的指标之一。沥青混合料的抗车辙性能并不能完全表征沥青混合料的高温稳定性，因此动稳定度指标在评价高温稳定性方面还存在缺陷，如未考虑车辙的累积变形量以及不同时间段的变形速率等。

目前，针对动稳定度指标的讨论与修正诸多，岳学军、黄晓明等分析了动稳定度评价高温稳定性的局限性，建议考虑车辙试验的相对变形评价;S L Weissman进行车辙试验的研究，提出应考虑尺寸效应影响;杜顺成提出动稳定度未考虑车辙前期的累积变形量，将动稳定度公式修改为综合稳定指数作为高温稳定性的评价指标;朱纬等指出动稳定度未考虑交通量及路面结构的影响，通过对沥青路面永久变形量验算方法进行反算得到动稳定度的合理确定方法。然而，不同材料的沥青混合料的动稳定度至今并没有统一的修正理论。该文通过标准车辙试验，对橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度进行研究，考虑橡胶颗粒受温度的影响大于集料受温度的影响，通过修改试验温度，采用非标准车辙试验，对橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度进行修正，找出满足橡胶颗粒沥青混合料高温稳定性的合理评价方法。

2 试验准备

2.1 试验材料

集料采用内蒙古呼和浩特地区产石灰岩，矿粉采用的是石灰岩细粉。根据相关规定的技术指标，通过试验验证集料的性质均满足规范要求。

橡胶颗粒的大小全部采用4目，橡胶颗粒采用内掺的形式添加在沥青混合料中，即将一部分集料替换为橡胶颗粒。橡胶颗粒的掺量根据体积法计算取试件总体积的2%，因此试验采用2%的橡胶颗粒替代一部分等体积的集料，并且替代的集料粒径应与橡胶颗粒的大小相近，所以，橡胶颗粒替代4.75～2.36 mm粒径范围的集料。橡胶颗粒的技术指标检测结果见表1。

沥青采用韩国A-90#沥青，该沥青具有较大的稠度、塑性和较好的温度稳定性。按照规范中规定的方法测定沥青的技术指标如表2所示。

表2 A90#沥青技术指标

2.2 级配

沥青混合料采用密级配AC-20型，级配如表3所示。最佳油石比通过马歇尔试验确定为4.3%，空隙率确定为4%。由于橡胶颗粒采用内掺法掺加，为了更好地对比掺加橡胶颗粒后，橡胶颗粒沥青混合料与普通沥青混合料之间的区别，排除额外因素的影响，橡胶颗粒沥青混合料的沥青用量与空隙率依然按普通沥青混合料的大小计算，以橡胶颗粒沥青混合料高温评价方法研究为主，暂不考虑其最佳沥青用量。

表3 AC-20 型沥青混合料级配

3 理论依据

标准车辙试验是将成型的车辙板在温度为60 ℃的试验条件下进行轮碾碾压60 min，通过计算动稳定度(DS)来判定沥青混合料的高温稳定性。计算式如下：

(1)

式中:t1、t2为碾压时间；d1、d2为t1、t2时刻对应的碾压深度；N为加载次数，一般取42；c1、c2为试样修正系数，均取1。

其中t1、t2一般分别取45 min和60 min，因为在此时间内试件受碾压后的变形较为稳定。而橡胶颗粒作为一种外掺骨料，其强度、刚度等受温度的影响要远大于集料,尤其不同温度范围内，橡胶颗粒具有较好的柔韧性和高弹性,且变形能力强，能起到抗车辙的作用。所以，45～60 min是否依然符合橡胶颗粒沥青混合料计算动稳定度的要求，需要通过试验验证。

4 试验过程

4.1 标准车辙试验

根据标准车辙试验流程，对橡胶颗粒沥青混合料及普通沥青混合料进行车辙试验，试验结果见图1。由于橡胶颗粒在持续的高温加热下容易发生老化，在橡胶颗粒沥青混合料的试件制备过程中，橡胶颗粒不可以与集料放置在一起进行加热，只需将橡胶颗粒放置在室温环境下，待集料加热完成时，随加热好的集料一同倒入拌锅内进行拌和。由于橡胶颗粒的掺量相对较少，温度升高得较快，不会对拌和温度产生较大的影响。

图1 标准试验下位移-时间曲线

从图1可以看出：橡胶颗粒沥青混合料在60 min的总变形量要大于普通沥青混合料，说明此级配下的橡胶颗粒沥青混合料抗车辙性比普通沥青混合料差，原因在于橡胶颗粒并不是按最佳掺量掺加，在一定程度上减小了原混合料的刚度；又因为试验中的橡胶颗粒沥青混合料并未采用最佳沥青用量，而是沿用了普通沥青混合料的沥青用量，导致其碾压深度增加，但该试验仅以动稳定度评价指标的修正方法为主，这一点并不影响试验的分析及最终的研究结果。

为了判断45～60 min是否符合橡胶颗粒沥青混合料计算动稳定度的要求，按照原有动稳定度公式中的15 min时间间隔，将时间t1、t2也同样更改为间隔15 min的其他时间段代入，这样设置的目的在于不仅与原有的动稳定度时间段形成较好的对比，也能直观地判断45～60 min时间段的合理性。为了较为全面地分析比较两种材料的车辙曲线，暂将碾压时间延长至90 min，位移-时间曲线如图2所示。

图2 不同混合料加载90 min的位移-时间曲线

计算两种材料在不同时间的动稳定度值，结果见表4。从表4可以看出：普通沥青混合料的动稳定度在60 min后相差不大，45～60 min的动稳定度与60 min之后的动稳定度接近，所以，这段时间是处于曲线的压密稳定初期阶段。这与标准车辙试验中动稳定度计算取t1为45 min、t2为60 min是一致的。而橡胶颗粒沥青混合料在60 min内的动稳定度并未稳定，显然碾压时间取45～60 min在理论上不符合要求，不能作为计算动稳定度所选取的时间段。需对此时间段进行修改，同时考虑在不同温度下t1、t2的取值。

表4 不同t1、t2下两种沥青混合料的动稳定度

4.2 动稳定度在不同温度下的修正

4.2.1 试验温度

车辙试验的最高温度不大于80 ℃，标准温度为60 ℃，北方寒冷地区的最高气温基本在35 ℃以下。所以试验以60 ℃为标准温度，取试验最低温度为40 ℃，最高温度为70 ℃，间隔为10 ℃进行不同温度下橡胶颗粒沥青混合料的车辙试验。为了得到完整的位移-时间曲线，将碾压时间统一延长到120 min,试验结果如图3所示。

由图3可以看出：40～70 ℃的变形曲线均符合正常的曲线发展规律，且随着温度的升高，位移逐渐增大，位移的增长幅度也随之增大。

4.2.2 温度敏感性

在不同的碾压时间段内，沥青混合料的车辙变形量也不同，由表4可看出：普通沥青混合料在每段时间内的动稳定度都比橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度大，说明此级配下的橡胶颗粒沥青混合料的温度敏感性较高，所以压密稳定阶段的位置也会发生变化。由图3可看出：橡胶颗粒沥青混合料在进入压密稳定阶段之前，曲线的形变接近于对数增长，相对变形较大，随着温度的不断升高，相对变形也不断增大。由于不同温度下的车辙曲线直线发展期的范围难以确定，需要进行大量的重复性试验验证，而标准的动稳定度公式所选用的时间段范围也是通过大量的重复试验验证得到的。所以，参考标准的动稳定度计算公式，在不同温度下，从0时刻开始，选取每段时间间隔为15 min的时间段，计算各段的动稳定度，如图4所示。

图3 沥青混合料在不同温度下的位移-时间曲线

图4 橡胶颗粒沥青混合料在不同温度和碾压

由图4可以看出：温度越低，时间段越靠后，动稳定度越大，表现出混合料温度敏感性越小。由于不同温度下动稳定度变化的曲线不相同，压密稳定阶段的位置也不同，则对应的t1、t2的取值也就不同。

4.2.3 变形速率的比较分析

为了确定不同温度下t1、t2对应的时间段取值，需要对曲线进行深入分析。由于曲线的相对变形越小，动稳定度值越大，不能直接反映曲线的变形情况，而曲线的变形速率在公式上可近似看做动稳定度的倒数，计算更为简便，更能直观地反映曲线在某一段时间内的变化情况。所以以下均采用变形速率进行分析。变形速率公式如下：

(2)

参照温度敏感性的分析方法，从0时刻起，每间隔15 min取一点，按照式(2)计算每两点间的平均变形速率。

由于0～15 min的变形速率过大，不存在处于压密稳定阶段的可能。所以15 min后的不同加载时间段的变形速率如图5所示。

图5 橡胶颗粒沥青混合料在不同温度下的变形速率

由图5可以看出：在40 ℃时，30 min之前的变形速率较大，45 min之后的变形速率虽然逐渐减小，但减小值很小，可认为曲线在此时的变形稳定，处于压密稳定阶段，曲线可以近似看作一条直线。而30～45 min的变形速率较之前和之后的时间段均有较大的减小，则30～45 min这段时间为曲线的直线发展期，可作为计算动稳定度所选取的时间段。同理，在50和60 ℃的条件下，可分别选取45～60、60～75 min的曲线段作为计算动稳定度的时间段。当温度为70 ℃时，曲线在105 min之前的变形速率过大，计算出的动稳定度值较小，不符合路面最小动稳定度要求，而在120 min内的图像也无法合理判别时间段。将试验碾压时间进一步延长，发现120 min之后的变形速率虽有减小，但减小值很小，可以认为105 min之后属于压密稳定阶段。则可取105～120 min的曲线段作为计算动稳定度的时间段。将所选不同温度下的时间段列于表5中。

表5 动稳定度计算的修正时间段

高温稳定性是沥青混合料在高温情况下的一种属性，不应由外部因素的影响而改变了其属性的特征。将修改后的动稳定度与45～60 min的时间段所计算的动稳定度进行比较，如表6所示。

表6 不同温度下不同时间段橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度

由表5可以看出：未修正的动稳定度在不同温度下的数值相差较大，在40 ℃时动稳定度较大，而在70 ℃的情况下，动稳定度过小不满足规范要求。所以不能合理地表征混合料的高温稳定性特点。而经过修正的动稳定度，在不同温度下的数值较为接近，与未修正的动稳定度相比，能够合理地表征橡胶颗粒沥青混合料高温稳定性的本质属性，同时在理论上也符合动稳定度的计算要求。

由表5可以看出：时间段的选取随温度的升高而逐渐增加，修正的时间段在总的碾压时间内逐渐后移，说明温度是影响位移-时间曲线中压密阶段与压密稳定阶段的主要因素之一，温度越高，压密阶段时间越长，压密稳定阶段越靠后。而沥青混合料的抗车辙能力随着温度的升高逐渐下降。所以可以得出，压密稳定阶段越靠后，沥青混合料的抗车辙性能越弱。

5 结论

(1) 通过对普通沥青混合料与橡胶颗粒沥青混合料进行标准车辙试验，对比分析得出45～60 min的位移曲线不符合橡胶颗粒沥青混合料动稳定度计算的理论时间段。

(2) 通过对不同温度下的橡胶颗粒沥青混合料温度敏感性进行分析，得出不同温度下橡胶颗粒沥青混合料的压密稳定阶段所在曲线的位置不同，则对应t1和t2的取值不同。

(3) 改变车辙试验的温度与碾压时间，对橡胶颗粒沥青混合料的动稳定度进行修正，得出温度为40、50、60、70 ℃时，t1和t2的合理取值分别为30～45、45～60、60～75、105～120 min。

(4) 位移-时间曲线中压密稳定阶段随温度的升高逐渐后移，且压密阶段时间越长，压密稳定阶段越靠后，沥青混合料的抗车辙性能越差。