采用CAVF法的橡膠瀝青改性機理研究

韋天聰

（廣西路橋集團路面分公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

瀝青混凝土路面的大規模建設對我國公路事業的發展作出了巨大的貢獻，但從當前我國橡膠瀝青路面的施工現狀來看，在施工工藝和施工質量管理上還存在施工方案不夠科學、混合料配比設計出現差錯、后續碾壓養護和攤鋪等工序不夠科學、原材料質量把控不到位、忽視對瀝青路面的檢測等問題，這也是導致瀝青路面裂紋、地面沉陷等病害發生的主要原因。如何提高高速公路的使用壽命和運行質量，降低公路建設投資是我國公路建設的一個難點。本文結合廣西隆林至百色高速公路項目，對橡膠瀝青路面施工工藝和質量管理進行探討。

1 橡膠瀝青路面特性及優點

橡膠瀝青的優點在于其具有良好的高溫穩定性和低溫抗裂性、低噪音、各種抗性良好、保養簡單等，因此將橡膠瀝青作為有效的材料設計應用于道路方案中，可以充分體現其特性與優點（如表1所示）：

表1 橡膠瀝青路面特點及優點一覽表

2 橡膠瀝青的改性機理

通過將處理過的橡膠粉和瀝青在較高溫度下混合，在兩種材料的接觸表面上會發生一定的物理和化學反應：橡膠粉末顆粒在瀝青中的混合物是單個個體，其不產生剪切橡膠硬化網絡結構；橡膠的膨脹是基于瀝青中輕組分的吸收，同時凝膠膜在顆粒狀平臺上形成，凝膠薄膜與橡膠顆粒連接形成黏性較大的半固體絮狀結構，橡膠顆粒和基質瀝青混合物吸收，使瀝青處于硬塑性狀態，韌性得到加強。橡膠瀝青的反應過程可概括為：在反應開始時，橡膠粉末形成松散的絮狀結構；當膨脹達到相應的程度時，橡膠鏈間隙由瀝青中的部分填充促進了脫硫降解，部分膠粉溶解均勻，瀝青的黏度繼續下降，并且凝膠膜與橡膠粉末連接。

影響橡膠瀝青混合料的因素有很多，如輪胎的類型、廢橡膠的破碎加工過程以及橡膠顆粒的細度等，這些因素對橡膠瀝青混合料有不同的影響［1］。

（1）目前的輪胎分類主要是普通客車的徑向輪胎和重型大型客車的偏置輪胎。這兩種化學成分的差異主要是由于天然橡膠和合成橡膠的比例不同所致。理論研究表明，天然橡膠的性能優于瀝青。此外，偏壓輪胎中的硫是一種常用的化學改性劑，對提高瀝青的溫度穩定性和黏度有很好的效果。

（2）常溫法和冷凍法是常用的膠粉加工技術。雖然在室溫法中有許多種橡膠破膠方法，但橡膠粉的微觀結構不同，有顯著差異。不同橡膠顆粒的表面積對瀝青改性也不同。

（3）橡膠粉粒徑為10～200目。從經濟角度看，加工膠粉越細，成本越高。然而，在實際條件下，橡膠粉的粒徑尺寸對瀝青的改性效果有一定的差異［2］。

參照《橡膠瀝青混合料設計與施工技術指南》對橡膠粉的性能進行測試。表2列出了具體的物理技術指標和化學技術指標。

表2 橡膠粉的物化技術指標表

3 混合料級配設計與性能分析

3．1 橡膠瀝青混合料技術參數

在使用橡膠瀝青混合料前，應對其進行技術性能測試。橡膠瀝青混合料的有關技術指標見表3。

表3 橡膠瀝青混合料技術標準表

3．2 基于CAVF法的橡膠瀝青混合料級配設計方法

CAVF法 全 稱 為 Course Aggregate Void Filling method，稱為CAVF方法，也被稱為瀝青混合料的主要集料空隙體積填充法，即體積法。體積法有很多優點，例如操作簡單，減少重復，既能保證誤差在合理范圍內，又能保證瀝青混合料骨架結構的合理性。

CAVF設計基于以下假設：

（1）其他顆粒不影響粗集料的堆垛和擠壓結構；

（2）粗集料聚集和堵塞結構不受由細集料形成的砂漿的影響。

在設計表面瀝青混合料時，選擇使用1～2個連續直徑的粗骨料作為主要骨架；細骨料的選擇和分批分級的使用可以增加主骨料的間隙，并使主骨架結構的空隙最小。在批量分級的情況下，可以考慮選擇粗、中、細型瀝青混合料的三個粒徑1．18～2．36mm、2．36～4．75mm和4．75～9．5mm中的一個。

3．2．1 基于CAVF法的橡膠瀝青混合料級配設計過程

從20世紀70年代開始，逐漸形成了梯度斷開級配瀝青混合料與梯度連續級配瀝青混合料。混合橡膠顆粒和基體瀝青由于其改性效果而避免了整個橡膠瀝青結構的不穩定性，橡膠瀝青混合料的級配設計過程如圖1所示［3］：

圖1 橡膠瀝青混合料的級配設計流程圖

根據表4，按粗、中、細三個等級選擇橡膠瀝青混合料的級配范圍。根據經驗，選擇適當比例的試件，形成馬歇爾樣品，并將橡膠瀝青混合料拌合并壓實，室內溫度應滿足表5的要求，計算每個馬歇爾試件的體積指數，測量流量值和穩定性，并選擇一組級配，以確定瀝青的最佳用量。

表4 AR－AC－13礦物級配范圍表

表5 AR－AC－13瀝青混合料室內溫度范圍及相關馬歇爾試驗體積指標表

3．2．2 配合比的檢驗指標

配合比馬歇爾試驗，各項檢驗性能指標要求應符合表6標準。

表6 混合料性能檢測指標表

用水篩法測試橡膠粉末，密度為1．18g／m3。纖維的比例＜0．5%。在本工程中，在約180℃的控制溫度下，有約20%瀝青含量的橡膠瀝青通過90min的恒溫攪拌來控制橡膠瀝青性能指標［4］。下頁表7顯示了室內測試的結果。

表7 橡膠瀝青性能指標檢測結果表

本項目采用廣西百色田林縣玄武巖作為ARAC－13橡膠瀝青混合料的粗骨料（粒徑≥4．75mm），并對玄武巖的主要相關指標進行了檢驗。表8列出了本項目粗骨料取樣的試驗結果。

表8 粗集料性能指標試驗結果表

本項目同樣采用廣西百色田林縣玄武巖作為AR－AC－13橡膠瀝青混合料的細集料，并對玄武巖的主要相關指標進行了檢驗。表9列出了本項目細集料取樣的試驗結果。

表9 細集料性能指標試驗結果表

3．2．3 最佳瀝青用量確定

前期制作馬歇爾試件，通過馬歇爾試驗，分別進行五組不同的油石比實驗，測定各組體積指標及穩定度結果如表10所示。

表10 不同油石比情況下馬歇爾穩定度試驗結果表

3．3 路用性能檢測

工程開始前，通過對試驗路段的施工路面進行取樣，完成橡膠瀝青路面芯樣性能檢測，檢測結果如表11所示。

表11 油石比為7．5%時的橡膠瀝青路面性能檢測結果表

4 工程案例分析

廣西隆林至百色高速公路起點位于黔桂兩省區交界的隆林縣平班鎮，止于百色市右江區西塘鎮，全線采用四車道高速公路標準建設，設計時速80km／h，路基 寬 度24．5m，主 線 全 長36．15km，連 接 線 長4．573km。根據施工設計方案，橡膠瀝青混合料施工特點及施工工藝為：

4．1 施工特點

本合同段路面結構層為復合式路面：基層采用水泥穩定級配碎石基層；下面層為水泥混凝土面板；表面層為橡膠瀝青混凝土。橡膠瀝青混凝土和水泥混凝土面板間聯結層采用瀝青粘結劑＋橡膠瀝青應力吸收層；基層和面層聯結層采用改性瀝青稀漿封層。

混合料的拌合：墊層、基層、水泥面板、瀝青表面層混合料均采用廠拌設備集中拌合。墊層、基層、瀝青表面層采用攤鋪機鋪筑，水泥混凝土面板采用滑模攤鋪機攤鋪。

本段路面結構復雜，水泥和瀝青結構同時采用，保養方式和時間各異，施工工藝差別大，使用機械設備類型多，需要精心組織施工流程。

4．2 橡膠瀝青的濕法生產流程

橡膠瀝青采用濕法生產方式，將橡膠粉加入瀝青中配制橡膠瀝青材料，配制橡膠瀝青的溫度以190℃～218℃為宜，還需要對基質瀝青和橡膠粉進行強力攪拌。將橡膠粉及加溫后的基質瀝青輸送至生產設備的高速剪切攪拌器中進行拌合，并在快速升溫的環境下進行剪切，再輸送至反應罐進行反應，完成橡膠瀝青的生產過程［5］（如圖2所示）。

4．3 橡膠瀝青混凝土的施工流程

（1）科學設置施工目標配合比：采用事先確定的粗細集料和橡膠瀝青，按照礦料配合比，通過試驗確定一個接近中值的百分比，確定粗細集料和橡膠瀝青的用量。

圖2 濕法生產橡膠瀝青流程圖

（2）實施瀝青混合料拌合：本工程按照已報請批準的試驗段施工中調試的配合比在試驗室監控下分級、分口上料，準確計量，均勻拌合瀝青混合料，嚴格控制原材料加熱溫度，瀝青混凝土施工各過程中的溫度控制指標如表12所示［6］。

表12 瀝青混凝土施工各過程中的溫度控制指標表

所有過度加熱、出廠溫度高于正常溫度高限20℃或已經碳化、起泡和含水的瀝青混合料應作廢。成品貯存倉要具有良好的保溫性能，貯存期間混合料溫降≤10℃，貯存時間≤24h。值得注意的是，橡膠瀝青AR－AC－13磨耗層中不得使用礦粉，僅使用水泥，因此拌合樓管理人員要注意水泥添加事宜。

（3）瀝青混合料攤鋪：攤鋪前對路面進行徹底的清理、清掃，待驗收合格后，方可進行瀝青混合料的攤鋪，首先按照試驗段初定的攤鋪厚度，調整好攤鋪機。提前30min預熱熨平板，確保熨平板的初步壓實效果，采用間隙預熱保證預熱的均勻性。

（4）碾壓：碾壓溫度和壓實方法決定了瀝青路面的壓實度和平整度，采用緊跟、高頻、慢壓、低幅的碾壓原則，按照先慢后快、先靜后振、由上而下的碾壓方式，碾壓距離盡可能地長，振壓時應先起步后起振、先停振后停機。

5 結語

本文主要從橡膠瀝青的改性機理、影響其性能的因素及生產工藝等方面對橡膠瀝青混合料的級配設計及應用進行了分析，闡述了橡膠瀝青混合料的性能指標和級配設計方法，包括級配范圍、試件成型方法和配合比設計要求。根據配合比設計及實驗結果，證明采用本配合比的橡膠瀝青具有良好的工程性能，符合工程實際需要，對橡膠瀝青路面施工工藝和質量管理具有較好的借鑒意義。