間斷級配橡膠瀝青混合料抗車轍性能試驗

范斌衛，高傳明，陳振華

(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065； 2.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710065；3.廣東大潮高速公路有限公司， 廣東 廣州 514247)

間斷級配橡膠瀝青混合料抗車轍性能試驗

范斌衛1，高傳明2，陳振華3

(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065； 2.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710065；3.廣東大潮高速公路有限公司， 廣東 廣州 514247)

為了研究采用車轍試驗檢測橡膠瀝青混合料高溫穩定性的適用性，對橡膠瀝青混合料、復合橡膠瀝青混合料、瀝青瑪蹄脂碎石混合料三種間斷級配混合料進行配合比設計，并進行車轍試驗，得到不同溫度和時間下試件的變形量及動穩定度。結果表明：橡膠瀝青混合料的變形量最大，動穩定度最小；雖然橡膠瀝青混合料壓密穩定階段較長，變形量較大，但是車轍試驗可以評價橡膠瀝青混合料的高溫穩定性能。

橡膠瀝青混合料；SMA混合料；高溫穩定性能；車轍試驗

0 引 言

近年來，國內外學者針對橡膠瀝青的高溫穩定性能進行了許多相關研究。王偉首次提出橡膠瀝青混合料“養生時間”的概念，并建議用改進的車轍試驗來評價橡膠瀝青混合料的高溫性能[1]。張偉采用漢堡車轍試驗的車轍深度評價橡膠瀝青混合料的高溫性能[2]。何立平采用漢堡車轍試驗評價其高溫穩定性能，推薦以橡膠瀝青混合料的變形速率作為其高溫性能評價指標，以車轍試驗的斜率和變形量作為參考指標[3]。關永勝等采用重復加載蠕變試驗2 000次后的應變-次數曲線斜率評價間斷級配橡膠瀝青混合料的抗車轍性能[4]。Srood Omer采用了漢堡車轍和間接拉伸試驗對比分析未改性HMA、改性SMA、廢膠粉HMA和SMA混合料的抗車轍性能[5]。然而，目前關于橡膠瀝青混合料的變形特性及車轍試驗能否有效評價其抗車轍能力的研究甚少。故本文通過體積設計方法成型3種間斷級配混合料，即橡膠瀝青混合料(ARGM-13)、復合橡膠瀝青混合料(CR/SBSGM-13)和瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13)，并在各自最佳油石比下成型車轍板，然后通過不同的溫度和時間作用下的車轍試驗來對比它們的變形特性，最后分析間斷級配橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

1 三種間斷級配瀝青混合料設計

1.1 原材料

基質瀝青采用加德士90號A級瀝青，性能指標見表1；SBS改性劑為北京燕山4303星型；橡膠粉用貨車斜交輪胎為原材料，目數為30目。

瀝青混合料使用的粗集料規格為9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm；細集料和填料采用以9.5～19 mm石灰巖碎石加工生產的0～2.36 mm機制砂和粒徑小于0.6 mm的礦粉。集料的技術指標分別見表2～4，篩分結果見表5。

表1 加德士A-90瀝青指標

表2 粗集料試驗結果

表3 機制砂試驗結果

表4 填料試驗結果

1.2 礦料級配的確定

橡膠瀝青混合料ARGM-13和復合橡膠瀝青混合料CR/SBSGM-13采用同一間斷骨架密實型結構，在SMA-13級配范圍的基礎上對0.15 mm和0.075 mm兩個篩孔的通過率適當調小范圍[6]。最終確定的礦料級配范圍見表6。

表5 各種集料篩分結果

表6 ARGM-13和SMA-13礦料級配范圍 %

參照表6中橡膠瀝青混合料的級配要求，結合SMA設計方法進行礦料級配設計，以礦料級配設計范圍內粗集料骨架分界篩孔4.75 mm的通過率處于級配范圍中值的級配曲線確定級配。ARGM-13、CR/SBSGM-13合成級配見表7，SMA-13合成級配見表8。

表7 ARGM-13、CR/SBSGM-13合成級配

表8 SMA-13合成級配

1.3 ARGM-13瀝青用量的確定

ARGM-13橡膠瀝青混合料配合比試驗分別采用5.4%、5.9%、6.4%、6.9%、7.4%五種油石比成型Marshall試件。Marshall試件成型的溫度控制如下：先添加橡膠瀝青，然后將加熱至180 ℃～190 ℃的礦料倒入拌和鍋后攪拌90 s，再添加礦粉攪拌90 s；混合料拌和溫度為170 ℃～175 ℃，試件擊實溫度為160 ℃～165 ℃。

《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》推薦橡膠瀝青混合料采用蠟封法測定毛體積相對密度，用真空法測定瀝青混合料最大理論密度；然而采用表干法測量結果的吸水率小于2%，故本文采用表干法測定毛體積相對密度，采用理論計算法計算最大理論密度。橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗的技術指標見表9。

橡膠瀝青混合料ARGM-13 Marshall試件的馬歇爾試驗物理力學指標如表10所示。

表9 橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗技術指標

表10 ARGM-13 Marshall試件物理力學指標

《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》建議采用設計空隙率確定最佳油石比，對于密級配混合料，用于中、下面層時空隙率(VV)宜為3%，用于表面層時VV宜為4%，細粒式混合料VV宜為5%。本文采用目標空隙率4%，確定最佳油石比為6.2%，該油石比下的礦料間隙率(VMA)為16.6%，瀝青飽和度(VFA)為75.1%，MS(穩定度)為8.55 kN，均滿足要求。油石比為6.2%時的ARGM-13粉膠比(FB)為1.35，瀝青膜厚度為9.6 μm。

1.4 CR/SBSGM-13瀝青用量的確定

CR/SBS復合橡膠瀝青混合料在具體組成結構上與普通瀝青混合料和 SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)均有較大差異，在現行的規范中沒有針對復合橡膠瀝青混合料的設計方法。本文中CR/SBS復合橡膠改性瀝青混合料的設計參考橡膠瀝青混合料的設計方法，以間斷級配、骨架結構為原則，按照體積法進行設計[7-8]。試件成型方法及油石比的確定與上節類似。CR/SBSGM-13 Marshall試件物理力學指標見表11。

同理，在確定最佳油石比時，采用目標空隙率4%確定其最佳油石比為6.2%，該油石比下的VMA為17.8%，VFA為72.5%，MS為8.46 kN，均滿足要求。油石比為6.2%時，CR/SBSGM-13粉膠比(FB)為1.33，瀝青膜厚度為9.6 μm。

1.5 SMA-13瀝青用量的確定

SMA-13 Marshall試件的物理力學指標如表12所示。

表11 CR/SBSGM-13 Marshall試件物理力學指標

表12 SMA-13 Marshall試件物理力學指標

在確定最佳油石比時，采用目標空隙率4%確定其最佳油石比為5.4%，該油石比下的VMA為16.7%，VFA為74.0%，MS為8.9 kN，均滿足要求。SMA-13粉膠比為1.82，瀝青膜厚度為8.0 μm。

2 三種間斷級配混合料的車轍試驗

2.1 60 ℃車轍試驗結果分析

為了研究橡膠瀝青混合料的抗車轍性能，采用ARGM、CR/SBSGM和SMA三種間斷級配混合料，通過改變溫度、時間來對比動穩定度與相對變形的變化。車轍試驗時間取2 h，這樣有助于提高區分瀝青混合料抗車轍性能的準確度[9]。通過車轍試驗比較分析3種混合料的變形量、相對變形、動穩定度與高溫性能之間的關系。3種混合料60 ℃下的變形量、相對變形、動穩定度如表13和圖1所示。

表13 ARGM、CR/SBSGM、SMA混合料的非標準60℃車轍試驗結果

注：DS1是以第45 min和第60 min計算的動穩定度，DS2是以第105 min和第120 min計算的動穩定度；RD1是第1 min與第60 min變形量之比， RD2是第1 min與第120 min變形量之比。

圖1 60℃車轍試驗變形隨時間的變化

由圖1可看到，3種間斷級配混合料的變形量及相對變形從大到小依次為：ARGM、CR/SBSGM、SMA。在120 min時，3種混合料的變形量分別為3.545 mm、2.902 mm和1.937 mm。這說明了橡膠瀝青混合料由于膠粉的存在，其勁度模量比另2種混合料要小。

對于DS1和DS2，3種間斷級配混合料的動穩定度從大到小依次為：ARGM、CR/SBSGM、SMA。由圖1可看出：無論是45～60 min或105～120 min，SMA的變形速率最小，CR/SBSGM次之，ARGM最大。由于動穩定度歸根結底取決于混合料的變形速率，故通過延長試驗時間來評價橡膠瀝青混合料的高溫性能是不行的，即以105～120 min計算的動穩定度DS2意義不大，只能作為DS1的參考。

此外，除了橡膠瀝青混合料的相對變形RD2大于5%，其余混合料的相對變形均小于5%，說明5%的指標對于控制橡膠瀝青混合料的車轍變形具有一定的參考價值。重載交通對于橡膠瀝青混合料上面層的高溫性能要求為：動穩定度大于3 000 次·mm-1，相對變形小于5%。

2.2 70 ℃車轍試驗結果分析

3種混合料70 ℃下試件的變形量、相對變形、動穩定度如表14和圖2所示。

表14 ARGM、CR/SBSGM、SMA混合料的非標準70 ℃車轍試驗結果

圖2 非標準70℃車轍試驗變形隨時間的變化

由圖2可看到，ARGM在120 min內變形仍未趨于平緩，因此在高溫下其變形程度遠大于另外2種混合料，說明橡膠瀝青混合料在高溫下壓密穩定階段較長。

3種間斷級配混合料的變形量及相對變形從大到小依次為：ARGM、CR/SBSGM、SMA。3種混合料的變形量分別為5.132 mm、3.150 mm和2.806 mm，遠大于60 ℃時的變形量。對于橡膠瀝青混合料，其70 ℃下變形較大，相對變形均超過5%。由此可見，在3種混合料中，試驗溫度的升高對橡膠瀝青混合料的變形量影響最為顯著。

從本次車轍試驗結果來看，無論是延長試驗時間還是提高試驗溫度，橡膠瀝青混合料的動穩定度均最小，變形量均最大，即高溫性能最差，因此該試驗結果與傳統的車轍試驗相符，證實了現行規范的車轍試驗可有效評價橡膠瀝青混合料的高溫性能[10-13]。

無論是按DS1還是DS2來計算，3種間斷級配混合料的動穩定度從大到小依次為： ARGM、CR/SBSGM、SMA。在70 ℃下，3種混合料DS1和DS2均有不同程度下降。圖3為60 ℃和70 ℃時3種瀝青混合料的動穩定度對比。

圖3 不同瀝青混合料動穩定度對比

由圖3可看出，橡膠瀝青混合料在高溫下動穩定度下降的幅度為39.8%，SMA混合料下降的幅度為30.9%，復合橡膠瀝青混合料下降的幅度為17.8%。橡膠瀝青混合料動穩定度損失最大，SMA混合料次之，復合橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍性能最好。由此可見，復合橡膠瀝青混合料抵抗高溫變形的能力好于 SBS 改性瀝青混合料，可用在一些極端炎熱地區的瀝青路面中[14-16]。復合橡膠瀝青混合料60 ℃時1 h的變形量為2.506 mm，70 ℃時為2.705 mm，只增大了0.2 mm，相對于其他2種混合料，其在70 ℃高溫下車轍變形量變化最小。原因可能是，復合橡膠瀝青結合了SBS中聚苯乙烯(硬段)的高溫抗變形能力與膠粉的彈性等特點，使其對高溫的敏感性弱于其他2種混合料，故而其70 ℃抗高溫能力比另2種混合料要好。

3 結 語

通過室內試驗對橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍性能進行分析，得出如下主要結論。

(1)無論是60 ℃還是70 ℃的車轍試驗，3種間斷級配混合料的變形量及相對變形從大到小依次均為ARGM、CR/SBSGM、SMA，即橡膠瀝青混合料的變形程度最大。從動穩定度這一指標看，橡膠瀝青混合料的高溫性能較其他2種混合料差，主要原因是橡膠瀝青混合料瀝青用量大，與礦粉結合成的瀝青膜厚度大于其他改性瀝青混合料，抵抗高溫變形能力差，因而變形量較大。

(2)復合橡膠瀝青混合料70 ℃時的高溫變形量與60 ℃相比增加幅度在3種混合料中是最小的，復合橡膠瀝青結合了SBS與膠粉的特點，對高溫的敏感性弱于其他2種混合料。這說明在橡膠瀝青中添加SBS復合改性可以提高混合料的抗車轍能力。

(3)延長試驗時間和提高試驗溫度后的橡膠瀝青混合料車轍試驗結果與規范要求試驗條件下的車轍試驗結果一致，說明現行車轍試驗可以有效評價橡膠瀝青混合料的高溫性能。

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TestonRutResistanceofGapGradedRubberizedAsphaltMixture

FAN Bin-wei1, GAO Chuan-ming2, CHEN Zhen-hua3

(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China; 2. Shaanxi Provincial Highway Construction Group Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China;3. Guangdong Dachao Expressway Co., Ltd., Guangzhou 514247, Guangdong, China)

In order to study the applicability of using the rutting test to detect the high temperature stability of rubberized asphalt mixture, the design of three kinds of gap graded mixes of rubberized asphalt mixture, composite rubberized asphalt mixture and stone matrix asphalt mixture was conducted, and the deformation and dynamic stability of the specimen under different temperatures and time were obtained from the rutting test. The results indicate that the rubberized asphalt mixture shows the biggest deformation and the lowest dynamic stability; despite the long stage of compaction stabilization and large deformation of rubberized asphalt mixture, the rutting test can still be applied to evaluate the high temperature stability of the mixture.

rubberized asphalt mixture; stone matrix asphalt mixture; high temperature stability; rutting test

U414.01

B

1000-033X(2017)11-0066-06

2017-03-31

陜西省交通廳科技計劃項目(15-10k)

范斌衛(1975-)，男，陜西蒲城人，高級工程師，工程碩士，研究方向為路基、路面設計及材料。

[責任編輯:高甜]