橡胶粉掺量对沥青混合料水稳定性影响分析

鞠达 何平

摘 要：为分析橡胶粉掺量对沥青混合料水稳定性的影响，研究以沥青、骨料以及橡胶粉等为材料，制备0%、2.5%和5%之3种橡胶粉掺量的沥青混合料试样，并在冻融循环条件下进行相关试验。结果显示，掺入橡胶粉能够提升试样的质量，当掺量为5%时，试样质量损失率的最高值为2.86%。随着橡胶粉掺入量的增加，沥青混合料的孔隙率也逐渐增加，试样C的孔隙率可达到9.41%。试样的破坏应变力得到了提升，车辙持续作用1 h时，累计变形结果仅为2.04 mm，说明掺入橡胶粉可以提升沥青混合料的高温稳定性。试样的冻融劈裂抗拉强度得到了增强，可达到88.3%。

关键词：橡胶粉掺量；沥青混合料；水稳定性；冻融循环条件；耐久性；高温稳定性

中图分类号：TU53;TQ335

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0153-05

Analysis of influence of rubber powder content on water stability of asphalt mixture

—based on experimental study of freeze-thaw cycle conditions

JU Da1，HE Ping2

（1.Southeast University Chengxian College，Nanjing 210088，China;

2.China Design Group，Nanjing 210014，China

）

Abstract：In order to analyze the influence of rubber powder content on the water stability of asphalt mixture，asphalt，aggregate and rubber powder were used as materials to prepare asphalt mixture samples with 0%，2.5% and 5% rubber powder content.Experiments were carried out under freeze-thaw cycles.The test results show that adding rubber powder can improve the quality of the sample.When the dosage is 5%，the maximum mass loss rate is 2.86%.With the increase of rubber powder content，the porosity of asphalt mixture gradually increases，and the porosity of sample C can reach 9.41.The failure stress of the sample is improved，and the cumulative deformation is only 2.04 mm when the rutting continues for 1 hour，indicating that the high temperature stability of asphalt mixture could be improved by adding rubber powder.The freezing-thawing splitting tensile strength of the sample is enhanced，reaching 88.3%.

Key words：rubber powder content;asphalt mixture;water stability;freeze-thaw cycle conditions;durability;

high temperature stability

水损伤是我国沥青路面常见的损坏形式［1］，该损坏主要发生在我国西北地区，该类地区存在冷热交替的显著特点，并且早晚温差较大，冻融循环明显，在该过程中，沥青路面内会形成三相体系结构，在饱水的情况下经过融冻循环后［2］，导致沥青内部的孔隙增加，在使用过程中发生松散和剥落等情况，降低路面的承载力，影响其水稳定性。

橡胶粉是废旧橡胶轮胎回收处理后生产而成的，将处理后的橡胶粉掺于沥青混合料中，能够提升沥青的耐久性，改善路面性能，增加路面的彈性［3］。其也可降低车辆行驶过程中轮胎和路面摩擦产生的噪声，改善车辆行驶的舒适度；并且在冰雪天气中，也可以提升路面的抗滑能力。为此，文献［4］和文献［5］分别对掺入橡胶粉的混合沥青料进行相关研究，分析其疲劳寿命和蠕变特性。本文为分析沥青混合料的水稳定性，在冻融循环条件下，展开相关试验并进行分析。

1 试验材料和方法

1.1 试验原材料

为分析掺入不同量的橡胶粉后，沥青混合料水稳定性的相关变化，制备沥青混合料试样，将制备完成的试样，在冻融环境下展开相关试验。

试样的制备采用的材料包含沥青、骨料（其包含粗集料、细集料）、橡胶粉、矿粉。其中，沥青材料的技术指标如表1所示。使用的橡胶粉是在常温环境下［6］，对废旧轮胎粉碎加工处理后形成，橡胶粉技术指标：筛余物7.95%、水分0.32%、金属0.031%、纤维0.55%、相对密度1.15。

1.2 试样制备配比确定

1.2.1 橡胶粉掺量配比

在进行试样制备时，采用橡胶粉替换骨料中的部分细集料，为保证替换量的精准性［7］，采用内掺法确定替换的掺量。该算法是采用等体积替换方式，对细集料的质量进行替换，其公式为：

Ms=M×Rγr×γs（1）

式中：Ms和M均表示质量，前者表示被替换的细集料的质量，后者表示混合料的质量；R表示质量比，对应橡胶粉和混合集料；γr和γs均表示密度，前者为混合料的密度，后者为细集料的密度。

在沥青混合料的制备过程中，骨料主要包含粗细2种集料。橡胶粉掺入后会混入骨料中，对骨料的内部结构造成变化，导致沥青混合料的稳定性受到直接影响［8］。因此，在制备过程中，采用间断级完成骨料调配，其以粗集料为主，保证橡胶粉掺入后的容纳空间。因此，橡胶粉掺入后，需确定粗细两种集料、沥青和橡胶粉的最佳比例，保证沥青混合料的稳定性［9］。

基于上述分析，为保证计算结果的精准，采用主集料空隙填充法进行骨料间隙率描述其嵌挤程度，以此，确定骨料密实结构的混合料级配比例，其间隙率的计算公式为：

VCADRC=（1－ρsc/ρtc）×100%（2）

式中：VCADRC表示骨料的间隙率；ρsc和ρtc均表示密度，两者均对应主集料，前者对应紧装状态，后者对应表观状态。

主集料空隙填充法在应用过程中，粗集料嵌挤结构不会受到细集料和沥青混合胶浆的影响 ［10］。在此基础上，确定沥青、粗集料、粗集料、矿粉的质量比例。上述材料质量比例确定时，其间隙率和下述参数存在直接影响，其表达式为：

qc+qf+qp=100%（3）

qc100ρscVCA－Vvs=qpρtp+qfρtf+qaρa（4）

式中：qc、qf、qp、qa均表示质量占比，分别对应粗集料、细集料、矿粉和有效沥青；ρa、ρtp、ρtf均表示密度，分别对应沥青、细集料和矿粉；VCA和Vvs均表示间隙率，前者对应骨料架，后者对应沥青混合料设计目标。

依据上述公式即可确定各个材料的质量占比，粗集料的质量占比为5∶5，此时间隙率最低，为40.45%；基于此，确定其他材料的质量占比，得出3种橡胶粉掺量的确定，分别是0%、2.5%和5%。

1.2.2 沥青混合料的搅拌工艺

在确定橡胶粉的掺量后，制备不同橡胶粉掺量的沥青混合料。依据1.2.1小节将确定各个材料进行混合后，对其实行均匀搅拌，其搅拌工艺流程如图1所示。

将沥青置于烘箱中，设定烘箱温度为190 ℃，对沥青实行加热处理［11］；将确定质量的骨料和矿粉也置于烘干箱中进行加热处理，其烘干温度为195 ℃。将两者完成烘干后，再充分进行混合搅拌，搅拌过程中温度保持在185 ℃。为了保证搅拌过程中沥青和其他材料之间的充分反应，在搅拌过程的前30 s内，采用干拌的方式对骨料实行搅拌，该骨料中包含粗细两种集料和橡胶粉。在此基础上，加入沥青再继续进行搅拌，保证混合料达到均匀状态，持续时间为2 min。最后，将矿粉加入混合料中继续进行搅拌，保证混合料达到均匀状态，持续时间为1 min。

完成上述步骤后，即完成沥青混合料的搅拌，将该混合料置于模板中，制备长方体的沥青混合料试样，在圆柱形的上下面采用敲击的方式，实行100 次击实处理，以此成型，即可得到圆柱形的3种橡胶粉的掺量的试样，尺寸均为1.2 m×0.6 m×0.1 m，分别用试样A、试样B和试样C表示，对3种进行养生后，备用。

1.3 冻融循环试验

冻融循环试验包含2步骤：一是试样饱水;二是冻融循环。

（1）试样饱水。为了保证冻融循环试验时试验条件满足实际情况，模拟冬季冰雪天气时，沥青路面在浸水时的状态，将制备完成后的试样，在常温情况下放置于常压的水池中进行浸泡，浸泡时间为5 d；准备3个塑料袋，各个塑料袋中均装入1 cm的自來水，将浸泡后的试样取出，并各自置于有水的塑料袋中，并将塑料袋密封后置于恒温箱中;

（2）冻融循环试验。为保证模拟的真实性，充分考虑冰冻温度、融雪盐浓度和冻融循环次数3个影响因素，为保证试验周期的合理性，避免多余的试验周期，并在短时间内完成冻融循环试验的模拟，设定冰冻温度为-25 ℃，融化温度为60 ℃。在试验过程中，由于马歇尔试样的尺寸不大，冰冻较为容易，因此，其冰冻时间为3 h，融化时间为1.5 h，并且为保证试样在冻融循环条件下，其变化的清晰体现，确定的冻融次数为100 次。

1.4 试样性能计算方法

1.4.1 试样孔隙率计算

试样的密度计算采用表干法完成，获取密度结果后，计算试样孔隙率（VV），其计算公式为：

VV=1－λfλt×100%（5）

式中：λf和λt均表示相对密度，前者对应相对密度的最大值，后者对应相对密度的表观相。

1.4.2 试样低温抗裂性能计算

本文采用低温弯拉试验测试试样的低温抗裂性能，该试验在-15 ℃的条件下进行，该试验的加载速率为55 mm/min，其计算公式为：

RB=3×L×PB2×b×h2（6）

εB=6×h×dL2（7）

SB=RBεB（8）

式中：在试样发生破坏的情况下;RB表示抗弯拉强度值;εB表示最大弯拉值;SB表示弯曲劲度模量值;PB表示最大载荷;试样断裂面的宽和高分别用b和h表示;L表示跨径;d表示挠度。

1.4.3 试样稳定性计算

（1）高温稳定性计算。沥青混合料在高温情况下会产生变形，影响车辆行驶的舒适性，文中采用车辙试验完成试样的高温稳定性测试，其计算公式为：

DS=（t2－t1）×Nd2－d1×C1×C2（9）

式中：DS表示试样的动稳定程度；N表示碾压速度；t2和t1时刻的变形量分别用d2和d1表示；C1和C2均表示系数。

（2）水稳定性计算。依据劈裂试验和计算结果为依据，对试样的水稳定性进行测试，冻融劈裂抗拉强度计算公式为：

TRS=RT2RT1×100（10）

式中：RT2和RT1均表示劈裂抗拉强度，其也表示破坏载荷值，前者对应冻融循环后的劈裂抗拉强度，后者对应冻融循环前的劈裂抗拉强度。

1.4.4 试样耐久性预测

在实际情况下，沥青路面受到的冻融作用呈现持续特性。在试验过程中，虽然在最大程度上采用接近的试验条件，模拟实际冻融情况，但是试验次数和冻融试验的载荷模拟，仍旧与实际情况存在一定差异，因此，本研究为更进一步测试试样在冻融条件下的承载力，采用灰色数列模型，预测试样在冻融循环条件下的耐久性，并预测试样的变化规律。

GM（1，1）模型是灰色数列模型中的典型模型，其运算的复杂程度较低，且预测结果可靠。因此，构建GM（1，1）模型，其公式为：

dYtdt+αYt=μ（11）

式中：Yt表示t时刻的数列，且其具有一定规律；α和μ均表示待定系数。

对该模型实行求解后得出：

Yt=X0－μαeαt+μα（12）

式中：X0表示原始数列；e表示运算函数。

由于模型是通过累加数据生成，因此，经过累减后获取预测值X°，其计算公式为：

X°=Yt－Yt－1（13）

式中：Yt－1表示t－1的数列。

依据该步骤即可完成试样耐久性的预测结果，判断试样的变化规律。

2 测试与结果分析

2.1 试样质量比变化分析

为分析橡胶粉掺入后，沥青混合料的质量变化情况，获取不同冻融次数下，3个试样的质量损失率结果，具体如图2所示。

对图2的试验结果进行分析后得出，在冻融循环次数逐渐增加情况下，不同橡胶粉掺量试样的质量损失率也存在明显区别。其中，试样A的橡胶粉掺量为0%，其在冻融次数为100次时，质量损失率最高结果达到5.87%；在相同冻融次数下，试样C的质量损失率结果为2.86%。这是由于加入橡胶粉后，可增加试样内部的空隙，使试样内部的水分增加。因此，掺入橡胶粉能够提升试样的质量，降低其质量损失率。

2.2 低温抗裂性能试验结果

获取各个试样孔隙率结果后，并进行弯曲试验，获取各个试样的试验结果，具体如表3所示。

由表2可知，随着橡胶粉掺量的逐渐增加，3个试样孔隙率和最大弯拉微应变结果也逐渐增加，而抗弯拉强度和劲度模量逐渐下降。这是由于橡胶粉掺入后，其强度会下降，但是由于橡胶粉的会增加混合料的弹性作用。因此，掺入橡胶粉会提升试样的破坏应变力。

2.3 高温稳定性试验结果

获取3个试样在高温条件下，随着车辙的持续作用，3个试样的累计变形结果，具体如表3所示。

由表3可知，随着车辙作用时间的逐渐增加，在车辙的持续作用下，3个试样的累积变形结果呈现明显差异。其中，试样A的累积变形最明显，持续时间为60 min时，累计变形结果达到4.22 mm；试样C的累计变形结果仅为2.04 mm［12］。这是由于橡胶粉属于弹性材料，将其掺入到沥青混合料中后，会降低沥青混合料的流动变形，从而使试样的弹性性能也会在一定程度上提升。

2.4 试样的水稳定性试验

获取3个试样在不用劈裂载荷下，其水稳定性的试验结果，具体如表4所示。

由表4可知，在经过冻融前和经过冻融后两种情况下，随着劈裂载荷的逐渐增加，3种试样的冻融劈裂抗拉强度随着劈裂载荷的增加而降低，但是下降幅度较小。其中，试样C的RT2和RT1和TRS结果均优于另外2个试样的结果，其最高TRS结果为88.3%，与试样A的差值为8.2%。这是由于橡胶粉加入后，能够提升沥青混合料的弹性［13］。因此，在受到劈裂载荷下，试样的TRS值越佳，水稳定越好。

2.5 试样的极限强度试验

获取在不同的冻融次数下，3个试样的极限强度损失结果，具体如表5所示；其中，负值表示强度上升，正值表示强度下降。

由表5可知，冻融次数的不断变化，橡胶粉掺量为0%的试样，在冻融次数达到100次时，其极限强度损失率结果为34.7%；试样B和试样C的极限强度发生先小幅度下降后上升再下降的趋势，在冻融循环次数为30次时，二者试样的值均为负值，表示此时2个试样的强度发生不同程度的上升，上升比例分别为4.45%和6.6%；随着冻融循环次数的继续增加，2个试样的极限强度损失率分别为19.6%和12.7%［14］。因此，橡胶粉的掺入能够增加沥青混合料的极限强度，降低其损失率。

2.6 试样耐久性预测结果

对3个试样的劈裂抗拉强度结果进行预测，将预测结果和试验获取的结果进行对比，分析本文方法的预测效果，依据该结果判断本文方法对于试样变化规律的预测效果，具体如表6所示。

由表6可知，在不同的冻融次数下，3种试样劈裂抗拉强度的预测结果和试验获取的结果之间差距较小，吻合程度较高，表示本文采用的耐久性预测模型可靠性较高，能够对劈裂抗拉强度结果进行预测［15］。

3 结语

将橡胶粉掺入沥青混凝土，在一定程度上提升混凝土的性能，已经成为普遍的方式，为分析橡胶粉对于沥青混合料水稳定性的影响，研究制备了不同橡胶粉掺量的沥青混合料试样，并在冻融循环条件下展开相关实验和分析。结果显示，将橡胶粉掺入沥青混合料后，能够提升沥青混合料的耐久性，降低其质量损失率［16］。掺入橡胶粉可以提升沥青混合料的破坏应变力、高温稳定性以及水稳定性。橡胶粉对于沥青混合料的极限强度具有一定提升效果。

综上所述，在实际施工过程中，可依据工程的实际需求，适量加入橡胶粉，以此提升沥青混合料的水穩定性，保证工程质量以及车辆行驶的舒适性。

【参考文献】

［1］ 李志刚，赵全满，户桂灵.盐冻融条件下热再生混合料水稳定性及细观特性研究［J］.公路，2020，65（3）：43-48.

［2］ 范倩，马健萍，何伟杰.多孔吸水玄武岩对沥青混合料水稳定性能影响机理研究［J］.公路，2020，65（1）：212-216.

［3］ 杨智.季节性冻土区粉砂土路基变形特性研究［J］.计算机仿真，2022，39（1）：274-278.

［4］ 房辰泽，郭乃胜，孙雅珍，等.基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究［J］.工程力学，2020，37（4）：196-204.

［5］ 武红娟，王选仓，王睿，等.基于老化的石墨烯/橡胶粉复合改性沥青蠕变特性及微观结构分析［J］.长安大学学报（自然科学版），2020，40（1）：97-106.

［6］ 王东星，刘丹阳，徐学勇，等.活性MgO-粉煤灰固稳铅污染土冻融和溫度效应研究［J］.武汉大学学报（工学版），2021，54（7）：609-617.

［7］ 闻洋，贺希茂，崔浩，等.橡胶粉掺量和粒径对橡胶混凝土抗冻性能的试验［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2022，38（1）：135-141.

［8］ 戴文亭，刘丹丹，郭威，等.冻融循环条件下硅烷偶联剂改性泡沫沥青混合料的损伤特性［J］.材料导报，2021，35（S1）：264-268.

［9］ 李秀君，代鹏，高世柱，等.抗剥落剂对泡沫沥青冷再生混合料水稳定性能改善研究［J］.上海理工大学学报，2020，42（6）：566-571.

［10］ 陈文生.稳定型橡胶粉/SBS复合改性沥青的制备及混合料性能研究［J］.新型建筑材料，2020，47（10）：103-107.

［11］ 石鹏程，许志杨，王丽丽，等.橡胶粉对复合改性沥青多尺度性能的影响［J］.材料科学与工程学报，2021，39（3）：471-476.

［12］ 张新新，董玉萍.冻融循环下微硅粉对水泥土力学性能影响的试验研究［J］.粘接，2021，45（3）：117-120.

［13］ 禹贵香.水泥硅粉复合剂提升公路路基与底基层力学性能研究［J］.公路，2019，64（10）：261-265.

［14］ 严超群，呼加瑞，谢李.一种改性废旧橡胶透水混凝土制备及性能试验［J］.粘接，2023，50（2）：13-17.

［15］ 申明昊，张粉芹，许俊杰，等.粉煤灰对不同目标孔隙率下透水混凝土性能影响的研究［J］.粉煤灰综合利用，2021，35（5）：61-67.

［16］ 贾小妮.粉煤灰对透水混凝土性能影响研究［J］.当代化工，2019，48（12）：2742-2745.