连续级配橡胶沥青混合料路用性能试验研究

王 磊

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

0 引言

近几十年来，橡胶沥青混合料由于具有很好的高温弹性恢复能力、低温抗开裂能力和耐久性，且能够消化大量的废旧轮胎，在公路建设中的用量不断增加[1-4]。

为了提高橡胶沥青混合料的应用水平，研究者从原材料、施工条件、配合比设计等方面对橡胶沥青混合料进行了大量的研究[5-9]，但大部分研究均采用间断级配，导致大多数橡胶沥青混合料的油石比普遍在6%以上，工程造价相对较高。为了提高公路建设资金使用效率，合理降低建设成本，本研究通过室内试验，探讨连续级配橡胶沥青混合料的实现方式和路用性能特点，研究成果可为降低橡胶沥青混合料油石比、提高橡胶沥青的应用水平提供技术支持。

1 原材料指标

试验采用的沥青包括辽河90#基质沥青和橡胶沥青，其中橡胶沥青是基质沥青通过外掺20%橡胶粉制备，制备过程中适当延长发育时间来降低橡胶沥青的粘度。基质沥青的技术指标见表1，橡胶粉和橡胶沥青的技术指标如表2和表3所示。粗集料采用石灰岩，细集料采用石灰岩机制砂，填料是石灰岩经过磨细加工而成的矿粉，其性能指标亦符合规范要求。

表1 基质沥青技术指标

表2 橡胶粉技术指标

表3 试验用橡胶沥青技术指标

2 橡胶沥青混合料配合比设计

2.1 级配设计

级配设计对于降低混合料中橡胶沥青用量至关重要。合理的级配设计既能使粗集料相互嵌挤形成骨架，又能使细集料对粗集料间隙有效填充，在相对较低的沥青胶结料用量条件下，就可以形成稳定的嵌挤密实结构。反之，如果粗、细集料配比不合理，一方面可能因细集料用量过多影响到粗骨料形成骨架，另一方面可能因细集料用量偏低导致混合料空隙率偏大，这时就需要增加矿粉用量来填充空隙。然而受粉胶比因素的制约，矿粉用量增多必然要增加橡胶沥青的用量。因此，为了降低油石比，减少橡胶沥青的用量，混合料级配设计是关键因素。

针对我国公路面层广泛采用的AC-16、AC-13、AC-10三种级配，依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求，首先采用插捣试验测定粗集料(>2.36mm)不同配比条件下的间隙率，以最小间隙率确定粗集料组成，然后以5.5%橡胶沥青用量成型试件，目标空隙率设计为4.5%，确定细集料配比及填充量，进而合成矿料级配，最终使混合料形成嵌挤密实型结构。合成矿料级配如表4所示。

表4 橡胶沥青混合料合成级配

2.2 最佳油石比确定

采用马歇尔试验法确定混合料橡胶沥青的最佳用量。根据各种矿料配合比例及其毛体积密度，按表4矿料配合比确定矿料用量，参考规范要求，制作马歇尔试件。其中AC-16、AC-13、AC-10混合料马歇尔试件的油石比变化范围为5.0%～6.2%，油石比依次增加0.3%。每种沥青混合料采用5种油石比。分别测定每种油石比情况下马歇尔试件的理论最大密度、毛体积密度、空隙率、稳定度、流值等参数，沥青饱和度可以通过其它参数计算得到。测定和计算得到3种沥青混合料不同油石比下的马歇尔试验参数值，最终根据参数值确定每种沥青混合料最佳油石比。

根据规范的要求，对于沥青混合料取其密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率、沥青饱和度范围中值对应的油石比a1、a2、a3、a4，取其平均值作为OAC1(最佳沥青含量)。将3种沥青混合料的各项指标(不含VMA)的油石比范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2，取OAC1和OAC2的平均值作为最佳油石比OAC，最后确定AC-16、AC-13、AC-10的最佳油石比分别为5.2%、5.4%、5.7%。同理，普通基质沥青AC-16、AC-13、AC-10混合料油石比分别确定为4.8%、5.0%和5.3%。

3 混合料路用性能研究

在混合料类型、集料相同的情况下，分别采用橡胶沥青与普通基质沥青拌制混合料，对比研究橡胶沥青连续级配混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能及水稳定性能的改善效果。

3.1 混合料的高温稳定性能

沥青混合料的高温稳定性能采用车辙试验来评价。试验设备采用车辙试验机，试验条件为：试件在试验温度为60℃±1℃的恒温室中保温5h，轮胎接触压力为0.7MPa±0.05MPa，车辙试验结果如图1所示。

图1 车辙试验结果

由图1可知，对于AC-16，采用橡胶沥青后，动稳定度由1063次/mm增加到3285次/mm；对于AC-13，由1135次/mm增加到3359次/mm；对于AC-10，由997次/mm增加到3441次/mm。总体上，同基质沥青相比，橡胶沥青用于连续级配混合料能够提高动稳定度3倍以上。由此可知，橡胶沥青能够明显改善沥青混合料的高温性能，其性能明显优于基质沥青。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定，夏热地区(20～30℃)改性沥青混合料高温稳定性要求车辙动稳定度(60℃，0.7MPa)不少于2400次/mm，橡胶沥青连续级配混合料完全满足这一要求，达到了改性沥青混合料的标准。

3.2 沥青混合料的低温抗裂性能

采用小梁弯曲试验来评价沥青混合料的低温性能，试验设备采用一般路强仪，试验条件为：试件在(-10±0.5)℃的恒温箱中保温45min，加载速率为50mm/min，试验结果见图2。

从图2可知，对于AC-16，采用橡胶沥青后，弯曲强度由8.41MPa增加到10.50MPa，弯曲破坏应变由2255με增加到2735με，分别提高了24.8%和21.3%；对于AC-13，弯曲强度由9.58MPa增加到12.09MPa，弯曲破坏应变由2467με增加到2942με，分别提高了26.2%、19.2%；对于AC-10，弯曲强度由9.84MPa增加到11.97MPa，弯曲破坏应变由2488με增加到2964με，分别提高了21.7%、19.0%。同普通沥青混合料相比，橡胶沥青混合料的极限抗弯拉强度提高了20%以上，弯拉破坏应变提高了20%左右。橡胶沥青混合料比普通沥青混合料的弯曲劲度模量略高。由此说明，橡胶沥青混合料的低温性能明显高于普通沥青混合料，起到了很好地改善低温效果的作用。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定，冬冷区(-9.0～21.5℃)改性沥青混合料低温弯曲破坏应变应不小于2500με，橡胶沥青混合料完全达到这一标准。说明连续级配橡胶沥青混合料可以提高低温抗裂性能，延缓沥青路面裂缝的产生，从而延长路面使用寿命。

3.3 混合料的水稳定性能

水损害是沥青路面早期损坏的一种主要形式之一，沥青混合料的抗水损害能力是决定路面的水稳定性的根本性因素。它主要取决于矿料的性质、沥青与矿料之间相互作用，以及沥青混合料的空隙率、沥青膜的厚度等。沥青混合料的水稳定性能采用冻融劈裂试验来评定，通过测定试件受到水损害前后的劈裂破坏强度比来检验沥青混合料的水稳定性。试验设备采用马歇尔试验仪，测定两组马歇尔试件的劈裂强度。试验条件为：其中一组试件在98.3～98.7kPa真空条件下饱水，然后放入-18℃±2℃的恒温冰箱中保温16h，接着在60℃恒温水槽中保温24h，最后两组试件都要在25℃±0.5℃的恒温水槽中保温2h，加载速率为50mm/min，试验结果见图3。

图3 混合料水稳定性能试验结果

由图3可知，对于AC-16，采用橡胶沥青后，冻融劈裂强度比由83.17%增加到87.16%；对于AC-13，冻融劈裂强度比由85.21%增加到89.59%；对于AC-10，冻融劈裂强度比由84.50%增加到90.24%。总体上来看，橡胶沥青混合料的冻融劈裂残留强度比与普通沥青混合料相当，说明橡胶沥青的加入并没有降低沥青混合料的水稳定性，与普通沥青混合料的水稳定性能相当。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定，湿润地区(年降雨量>1000mm)改性沥青混合料冻融劈裂强度比要求不小于80%，橡胶沥青混合料可以达到这一标准，符合改性沥青混合料的要求。

4 结论

(1)采用连续级配，通过合理设计可显著降低沥青混合料中橡胶沥青的用量。

(2)连续级配橡胶沥青混合料的抗车辙能力是普通沥青混合料的3倍，可以满足夏季高温地区的路面使用性能要求。

(3)同普通沥青混合料相比，橡胶沥青混合料的极限抗弯拉强度提高20%以上，极限弯拉应变提高了20%左右，达到了冬冷区改性沥青混合料低温性能要求。

(4)橡胶沥青混合料的冻融劈裂残留强度比与普通沥青混合料相当，也满足湿润地区改性沥青混合料冻融劈裂强度比要求。