橡膠粉對橡膠瀝青混合料性能的影響

楊冬亮，馮明林，閆思璐

（1.河南中大建設(shè)工程有限公司工程部，河南駐馬店 463000；2.河南交院公路工程技術(shù)有限公司總工辦，河南鄭州 451460；3.河南省置地房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司成本部，河南駐馬店 463000）

在橡膠瀝青膠結(jié)料配合比設(shè)計(jì)中，查旭東［1］等人從橡膠瀝青中膠粉顆粒存在的角度出發(fā)，級配設(shè)計(jì)時(shí)給膠粉顆粒留下一定的空間，對關(guān)鍵性篩孔以及0.075mm篩孔的通過率進(jìn)行了優(yōu)化處理，以避免給混合料骨架結(jié)構(gòu)造成影響，從而降低混合料整體強(qiáng)度。賴正林［2］等人根據(jù)橡膠瀝青的特性，參照不同的氣候以及交通狀況，對橡膠瀝青混合料進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)方法仍然采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法。早在2006年12月，北京市路政局的設(shè)計(jì)人員在參考大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上編制了廢胎膠粉瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南，為中國橡膠粉、橡膠瀝青、瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及橡膠瀝青用量研究提供了一定的依據(jù)。作者擬結(jié)合河南地區(qū)夏季高溫炎熱的具體情況，對橡膠瀝青混合料作進(jìn)一步研究，旨在為中原地區(qū)橡膠瀝青的發(fā)展提供參考。

1 原材料

1）集料及填料的選擇

考慮到集料的種類對混合料的影響，粗、細(xì)集料均采用福州市閩侯縣蘇洋村生產(chǎn)的單一玄武巖。該種粗集料具有堅(jiān)硬、耐磨及表面紋理良好等特點(diǎn)。相應(yīng)的玄武巖石屑棱角性好，表面粗糙并與瀝青的粘附性較好。填料選用福建省三明市生產(chǎn)的親水系數(shù)小于1的石灰石礦粉，它是由堿性的石灰?guī)r在不含泥土的情況下磨細(xì)而成，并要求該礦粉潔凈干燥。該礦粉可以與瀝青形成良好的粘附性。同時(shí)要求礦粉中0.075mm篩孔的通過率為85%以上。具體結(jié)果匯總見表1。

表1 礦粉檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 The test results of slag

2）瀝青

在配合比設(shè)計(jì)和制作相關(guān)試件時(shí)，瀝青膠結(jié)料由不同目數(shù)橡膠粉與普通70＃瀝青在室內(nèi)通過高速攪拌剪切摻拌而成。即試驗(yàn)選取了3種橡膠目數(shù)（30目，40目和50目）和4種橡膠摻量（10%，15%，20%和25%），在特殊方法下?lián)桨枧渲枚桑⒃诟邷厝苊洍l件下發(fā)育成成品橡膠瀝青［3］。

2 配合比設(shè)計(jì)

針對中國規(guī)范推薦的SMA－13礦料級配曲線的具體情況，對關(guān)鍵性篩孔（4.75mm和0.075mm通過率）作了進(jìn)一步的調(diào)整［4］，確定了2條級配曲線①SMA－13和②SMA－13。其中，②SMA－13級配要略粗于①SMA－13級配。為了減小在試驗(yàn)的過程中發(fā)生偶然性的誤差，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)整個(gè)過程采用“精配”原則。合成級配曲線如圖1所示。

3 油石比分析

在礦料合成級配以后，要進(jìn)行最佳油石比的確定。按照圖1通過率的要求，在精配的前提下，反算出各檔的質(zhì)量，得到①和②級配精配礦料混合料。然后分別按照6.3%，6.6%，6.9%及7.2%的階梯油石比，制作馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件。同時(shí)纖維摻量按照占瀝青混合料比例的0.3%同等加入，最后，在室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率及試樣空隙率變化規(guī)律，最終確定各自的最佳油石比，如圖2所示。

圖1 合成級配曲線Fig.1 Synthetic gradation curves

圖2 最佳油石比變化Fig.2 The change of the optimun ratio of oil and stone

從圖2中可以看出，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，最佳油石比與橡膠瀝青組分聯(lián)系緊密。無論級配的粗、細(xì)，在相同目數(shù)橡膠粉下，油石比隨橡膠粉摻量的增加而增加；但是，在相同的摻量下，最佳油石比卻隨著橡膠粉的目數(shù)增加而有所下降，并趨于穩(wěn)定。即橡膠粉越細(xì)，油石比越低。當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)到20%時(shí)，橡膠粉細(xì)度對油石比影響降低。這表明由于橡膠粉的不斷加入，瀝青的粘度變大。在最佳油石比確定、且礦粉和纖維料共同的作用下，集料表面形成的瀝青膜就會(huì)加厚，進(jìn)而油石比變大。與此同時(shí)，當(dāng)橡膠粉細(xì)度加大時(shí)，橡膠粉顆粒在高溫基質(zhì)瀝青中脫硫反應(yīng)徹底，進(jìn)而形成小的分子團(tuán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。但是，這種經(jīng)過高溫氧化解聚的“合成瀝青”在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中形成的瀝青膜厚度卻無法增加，致使油石比不再增加。因此，在摻配橡膠瀝青、考慮油石比時(shí)，要綜合考慮橡膠粉的細(xì)度和摻量。

4 高溫性能分析

瀝青混合料作為瀝青路面的面層，直接受到車輛荷載和環(huán)境因素的影響。特別是在夏季高溫地區(qū)，車轍病害的產(chǎn)生降低了路面的行車質(zhì)量。橡膠瀝青混合料兼具了橡膠粉和瀝青的彈性性質(zhì)，對夏季流動(dòng)性車轍具有深遠(yuǎn)的意義［5］。對路面性能研究中，從高溫性能出發(fā)，分析不同級配、摻配及目數(shù)橡膠粉下動(dòng)穩(wěn)定度的變化，以便在具體實(shí)踐中對級配設(shè)計(jì)和膠結(jié)料的選擇提供依據(jù)。在最佳油石比的基礎(chǔ)上，對①和②兩種級配分別拌制，將混合料制作成標(biāo)準(zhǔn)車轍試件。在60℃環(huán)境下，進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 SMA－13級配下的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.3 The dynamic stability of SMA－13

從圖3中可以看出，無論級配的粗、細(xì)，橡膠瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度變化趨勢相同。當(dāng)摻配橡膠瀝青的橡膠粉較粗時(shí)，高溫穩(wěn)定性隨著橡膠粉的摻量增加，動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)出現(xiàn)峰值。如：在30目橡膠粉（摻量15%～20%）摻拌時(shí)，高溫性能最好。隨著膠粉目數(shù)的變化，高溫性能會(huì)發(fā)生改變。相同摻量的橡膠粉加細(xì)時(shí)，高溫性能會(huì)不斷提高。但是，橡膠粉越細(xì)，高溫性能隨著摻量變化的優(yōu)勢就越明顯。即相同級配和摻量下，50目的橡膠粉比40目橡膠粉摻配瀝青膠結(jié)料后所拌制混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了300～1 500mm／次。這說明較細(xì)的橡膠粉能更加徹底地發(fā)生顆粒硫化，進(jìn)而形成粘度較高的膠結(jié)料。而對于顆粒偏粗的橡膠粉，雖然它也增強(qiáng)了膠結(jié)料與集料之間的粘附性，但是，部分較大的顆粒“核心”仍然存在，類似于細(xì)集料起到了部分填充作用［6］。與之對應(yīng)的較細(xì)的橡膠粉，在高溫溶脹中，吸收瀝青中的輕質(zhì)油分，全部溶于基質(zhì)瀝青中，此時(shí)膠結(jié)料與集料形成的強(qiáng)度就會(huì)大大提高。

在級配發(fā)生改變時(shí)，瀝青混合料的高溫性能也會(huì)發(fā)生一定的變化。級配較粗時(shí)，在瀝青膠結(jié)料都相同的前提條件下，其高溫性能明顯偏好。如：在本研究中，較粗的②SMA－13級配比①SMA－13級配的動(dòng)穩(wěn)定度提高了0.2～0.5倍。這說明SMA級配設(shè)計(jì)與其他級配設(shè)計(jì)強(qiáng)度形成的機(jī)理有相同之處。路面強(qiáng)度除受膠結(jié)料和纖維穩(wěn)定劑的影響外，還與骨料的鑲嵌所構(gòu)成的骨架作用有關(guān)［7］，可為橡膠瀝青混合料礦料級配設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)論

通過對摻配所得的橡膠瀝青以及瀝青混合料的最佳油石比和高溫性能進(jìn)行分析，得出的結(jié)論為：橡膠粉的摻量和細(xì)度在混合料整體設(shè)計(jì)中是不可忽視的兩個(gè)組成部分。盡管級配有粗、細(xì)之分，但是，隨著橡膠粉摻量的增加，油石比也逐漸增加，而細(xì)度的增加，最佳油石比卻同比減少了0.1%～0.3%，此時(shí)礦料級配對油石比的影響甚小。在路用性能和高溫抗車轍方面，動(dòng)穩(wěn)定度受礦料級配的影響較大。相同膠結(jié)料下，較粗級配的高溫性能偏好。當(dāng)級配一定時(shí)，橡膠結(jié)料中橡膠粉偏粗，混合料高溫性能對其摻量具有選擇性。偏細(xì)橡膠粉的摻量越高，高溫穩(wěn)定性越高。

（References）：

［1］查旭東，楊桂，任旭.細(xì)粒式纖維瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)分析［J］.交通科學(xué)與工程，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］賴正林，謝軍，鐘卉.不同級配下橡膠瀝青混合料路用性能的比較［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］張小英，徐傳杰，車金良.橡膠粉的溶解度對改性瀝青高溫性質(zhì)和儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響［J］.石油瀝青，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］李劍新，時(shí)敬濤，馬慶豐.廢橡膠粉改性瀝青技術(shù)新進(jìn)展［J］.石油瀝青，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，王旭東.橡膠粉改性瀝青性能研究［A］.第四屆亞太可持續(xù)發(fā)展交通與環(huán)境技術(shù)大會(huì)論文集［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］孫祖望，陳飆.橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)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.瀝青及瀝青混合料路用性能［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））