連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

王 磊

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽市 110005)

0 引言

近幾十年來，橡膠瀝青混合料由于具有很好的高溫彈性恢復(fù)能力、低溫抗開裂能力和耐久性，且能夠消化大量的廢舊輪胎，在公路建設(shè)中的用量不斷增加[1-4]。

為了提高橡膠瀝青混合料的應(yīng)用水平，研究者從原材料、施工條件、配合比設(shè)計(jì)等方面對(duì)橡膠瀝青混合料進(jìn)行了大量的研究[5-9]，但大部分研究均采用間斷級(jí)配，導(dǎo)致大多數(shù)橡膠瀝青混合料的油石比普遍在6%以上，工程造價(jià)相對(duì)較高。為了提高公路建設(shè)資金使用效率，合理降低建設(shè)成本，本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)，探討連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料的實(shí)現(xiàn)方式和路用性能特點(diǎn)，研究成果可為降低橡膠瀝青混合料油石比、提高橡膠瀝青的應(yīng)用水平提供技術(shù)支持。

1 原材料指標(biāo)

試驗(yàn)采用的瀝青包括遼河90#基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青，其中橡膠瀝青是基質(zhì)瀝青通過外摻20%橡膠粉制備，制備過程中適當(dāng)延長發(fā)育時(shí)間來降低橡膠瀝青的粘度。基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1，橡膠粉和橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表2和表3所示。粗集料采用石灰?guī)r，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料是石灰?guī)r經(jīng)過磨細(xì)加工而成的礦粉，其性能指標(biāo)亦符合規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

表3 試驗(yàn)用橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

級(jí)配設(shè)計(jì)對(duì)于降低混合料中橡膠瀝青用量至關(guān)重要。合理的級(jí)配設(shè)計(jì)既能使粗集料相互嵌擠形成骨架，又能使細(xì)集料對(duì)粗集料間隙有效填充，在相對(duì)較低的瀝青膠結(jié)料用量條件下，就可以形成穩(wěn)定的嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)。反之，如果粗、細(xì)集料配比不合理，一方面可能因細(xì)集料用量過多影響到粗骨料形成骨架，另一方面可能因細(xì)集料用量偏低導(dǎo)致混合料空隙率偏大，這時(shí)就需要增加礦粉用量來填充空隙。然而受粉膠比因素的制約，礦粉用量增多必然要增加橡膠瀝青的用量。因此，為了降低油石比，減少橡膠瀝青的用量，混合料級(jí)配設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素。

針對(duì)我國公路面層廣泛采用的AC-16、AC-13、AC-10三種級(jí)配，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求，首先采用插搗試驗(yàn)測定粗集料(>2.36mm)不同配比條件下的間隙率，以最小間隙率確定粗集料組成，然后以5.5%橡膠瀝青用量成型試件，目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)為4.5%，確定細(xì)集料配比及填充量，進(jìn)而合成礦料級(jí)配，最終使混合料形成嵌擠密實(shí)型結(jié)構(gòu)。合成礦料級(jí)配如表4所示。

表4 橡膠瀝青混合料合成級(jí)配

2.2 最佳油石比確定

采用馬歇爾試驗(yàn)法確定混合料橡膠瀝青的最佳用量。根據(jù)各種礦料配合比例及其毛體積密度，按表4礦料配合比確定礦料用量，參考規(guī)范要求，制作馬歇爾試件。其中AC-16、AC-13、AC-10混合料馬歇爾試件的油石比變化范圍為5.0%～6.2%，油石比依次增加0.3%。每種瀝青混合料采用5種油石比。分別測定每種油石比情況下馬歇爾試件的理論最大密度、毛體積密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值等參數(shù)，瀝青飽和度可以通過其它參數(shù)計(jì)算得到。測定和計(jì)算得到3種瀝青混合料不同油石比下的馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)值，最終根據(jù)參數(shù)值確定每種瀝青混合料最佳油石比。

根據(jù)規(guī)范的要求，對(duì)于瀝青混合料取其密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)空隙率、瀝青飽和度范圍中值對(duì)應(yīng)的油石比a1、a2、a3、a4，取其平均值作為OAC1(最佳瀝青含量)。將3種瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)(不含VMA)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值作為OAC2，取OAC1和OAC2的平均值作為最佳油石比OAC，最后確定AC-16、AC-13、AC-10的最佳油石比分別為5.2%、5.4%、5.7%。同理，普通基質(zhì)瀝青AC-16、AC-13、AC-10混合料油石比分別確定為4.8%、5.0%和5.3%。

3 混合料路用性能研究

在混合料類型、集料相同的情況下，分別采用橡膠瀝青與普通基質(zhì)瀝青拌制混合料，對(duì)比研究橡膠瀝青連續(xù)級(jí)配混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能的改善效果。

3.1 混合料的高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能采用車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)。試驗(yàn)設(shè)備采用車轍試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件為：試件在試驗(yàn)溫度為60℃±1℃的恒溫室中保溫5h，輪胎接觸壓力為0.7MPa±0.05MPa，車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，對(duì)于AC-16，采用橡膠瀝青后，動(dòng)穩(wěn)定度由1063次/mm增加到3285次/mm；對(duì)于AC-13，由1135次/mm增加到3359次/mm；對(duì)于AC-10，由997次/mm增加到3441次/mm。總體上，同基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青用于連續(xù)級(jí)配混合料能夠提高動(dòng)穩(wěn)定度3倍以上。由此可知，橡膠瀝青能夠明顯改善瀝青混合料的高溫性能，其性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的規(guī)定，夏熱地區(qū)(20～30℃)改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性要求車轍動(dòng)穩(wěn)定度(60℃，0.7MPa)不少于2400次/mm，橡膠瀝青連續(xù)級(jí)配混合料完全滿足這一要求，達(dá)到了改性瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 瀝青混合料的低溫抗裂性能

采用小梁彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)設(shè)備采用一般路強(qiáng)儀，試驗(yàn)條件為：試件在(-10±0.5)℃的恒溫箱中保溫45min，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2可知，對(duì)于AC-16，采用橡膠瀝青后，彎曲強(qiáng)度由8.41MPa增加到10.50MPa，彎曲破壞應(yīng)變由2255με增加到2735με，分別提高了24.8%和21.3%；對(duì)于AC-13，彎曲強(qiáng)度由9.58MPa增加到12.09MPa，彎曲破壞應(yīng)變由2467με增加到2942με，分別提高了26.2%、19.2%；對(duì)于AC-10，彎曲強(qiáng)度由9.84MPa增加到11.97MPa，彎曲破壞應(yīng)變由2488με增加到2964με，分別提高了21.7%、19.0%。同普通瀝青混合料相比，橡膠瀝青混合料的極限抗彎拉強(qiáng)度提高了20%以上，彎拉破壞應(yīng)變提高了20%左右。橡膠瀝青混合料比普通瀝青混合料的彎曲勁度模量略高。由此說明，橡膠瀝青混合料的低溫性能明顯高于普通瀝青混合料，起到了很好地改善低溫效果的作用。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的規(guī)定，冬冷區(qū)(-9.0～21.5℃)改性瀝青混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變應(yīng)不小于2500με，橡膠瀝青混合料完全達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。說明連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料可以提高低溫抗裂性能，延緩瀝青路面裂縫的產(chǎn)生，從而延長路面使用壽命。

3.3 混合料的水穩(wěn)定性能

水損害是瀝青路面早期損壞的一種主要形式之一，瀝青混合料的抗水損害能力是決定路面的水穩(wěn)定性的根本性因素。它主要取決于礦料的性質(zhì)、瀝青與礦料之間相互作用，以及瀝青混合料的空隙率、瀝青膜的厚度等。瀝青混合料的水穩(wěn)定性能采用凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)定，通過測定試件受到水損害前后的劈裂破壞強(qiáng)度比來檢驗(yàn)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)設(shè)備采用馬歇爾試驗(yàn)儀，測定兩組馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)條件為：其中一組試件在98.3～98.7kPa真空條件下飽水，然后放入-18℃±2℃的恒溫冰箱中保溫16h，接著在60℃恒溫水槽中保溫24h，最后兩組試件都要在25℃±0.5℃的恒溫水槽中保溫2h，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，對(duì)于AC-16，采用橡膠瀝青后，凍融劈裂強(qiáng)度比由83.17%增加到87.16%；對(duì)于AC-13，凍融劈裂強(qiáng)度比由85.21%增加到89.59%；對(duì)于AC-10，凍融劈裂強(qiáng)度比由84.50%增加到90.24%。總體上來看，橡膠瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比與普通瀝青混合料相當(dāng)，說明橡膠瀝青的加入并沒有降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，與普通瀝青混合料的水穩(wěn)定性能相當(dāng)。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的規(guī)定，濕潤地區(qū)(年降雨量>1000mm)改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比要求不小于80%，橡膠瀝青混合料可以達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，符合改性瀝青混合料的要求。

4 結(jié)論

(1)采用連續(xù)級(jí)配，通過合理設(shè)計(jì)可顯著降低瀝青混合料中橡膠瀝青的用量。

(2)連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料的抗車轍能力是普通瀝青混合料的3倍，可以滿足夏季高溫地區(qū)的路面使用性能要求。

(3)同普通瀝青混合料相比，橡膠瀝青混合料的極限抗彎拉強(qiáng)度提高20%以上，極限彎拉應(yīng)變提高了20%左右，達(dá)到了冬冷區(qū)改性瀝青混合料低溫性能要求。

(4)橡膠瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比與普通瀝青混合料相當(dāng)，也滿足濕潤地區(qū)改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比要求。