橡膠粉摻量對瀝青混合料水穩定性影響分析

鞠達 何平

摘 要：為分析橡膠粉摻量對瀝青混合料水穩定性的影響，研究以瀝青、骨料以及橡膠粉等為材料，制備0%、2.5%和5%之3種橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣，并在凍融循環條件下進行相關試驗。結果顯示，摻入橡膠粉能夠提升試樣的質量，當摻量為5%時，試樣質量損失率的最高值為2.86%。隨著橡膠粉摻入量的增加，瀝青混合料的孔隙率也逐漸增加，試樣C的孔隙率可達到9.41%。試樣的破壞應變力得到了提升，車轍持續作用1 h時，累計變形結果僅為2.04 mm，說明摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的高溫穩定性。試樣的凍融劈裂抗拉強度得到了增強，可達到88.3%。

關鍵詞：橡膠粉摻量；瀝青混合料；水穩定性；凍融循環條件；耐久性；高溫穩定性

中圖分類號：TU53;TQ335

文獻標志碼：A文章編號：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

水損傷是我國瀝青路面常見的損壞形式［1］，該損壞主要發生在我國西北地區，該類地區存在冷熱交替的顯著特點，并且早晚溫差較大，凍融循環明顯，在該過程中，瀝青路面內會形成三相體系結構，在飽水的情況下經過融凍循環后［2］，導致瀝青內部的孔隙增加，在使用過程中發生松散和剝落等情況，降低路面的承載力，影響其水穩定性。

橡膠粉是廢舊橡膠輪胎回收處理后生產而成的，將處理后的橡膠粉摻于瀝青混合料中，能夠提升瀝青的耐久性，改善路面性能，增加路面的彈性［3］。其也可降低車輛行駛過程中輪胎和路面摩擦產生的噪聲，改善車輛行駛的舒適度；并且在冰雪天氣中，也可以提升路面的抗滑能力。為此，文獻［4］和文獻［5］分別對摻入橡膠粉的混合瀝青料進行相關研究，分析其疲勞壽命和蠕變特性。本文為分析瀝青混合料的水穩定性，在凍融循環條件下，展開相關試驗并進行分析。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗原材料

為分析摻入不同量的橡膠粉后，瀝青混合料水穩定性的相關變化，制備瀝青混合料試樣，將制備完成的試樣，在凍融環境下展開相關試驗。

試樣的制備采用的材料包含瀝青、骨料（其包含粗集料、細集料）、橡膠粉、礦粉。其中，瀝青材料的技術指標如表1所示。使用的橡膠粉是在常溫環境下［6］，對廢舊輪胎粉碎加工處理后形成，橡膠粉技術指標：篩余物7.95%、水分0.32%、金屬0.031%、纖維0.55%、相對密度1.15。

1.2 試樣制備配比確定

1.2.1 橡膠粉摻量配比

在進行試樣制備時，采用橡膠粉替換骨料中的部分細集料，為保證替換量的精準性［7］，采用內摻法確定替換的摻量。該算法是采用等體積替換方式，對細集料的質量進行替換，其公式為：

Ms=M×Rγr×γs（1）

式中：Ms和M均表示質量，前者表示被替換的細集料的質量，后者表示混合料的質量；R表示質量比，對應橡膠粉和混合集料；γr和γs均表示密度，前者為混合料的密度，后者為細集料的密度。

在瀝青混合料的制備過程中，骨料主要包含粗細2種集料。橡膠粉摻入后會混入骨料中，對骨料的內部結構造成變化，導致瀝青混合料的穩定性受到直接影響［8］。因此，在制備過程中，采用間斷級完成骨料調配，其以粗集料為主，保證橡膠粉摻入后的容納空間。因此，橡膠粉摻入后，需確定粗細兩種集料、瀝青和橡膠粉的最佳比例，保證瀝青混合料的穩定性［9］。

基于上述分析，為保證計算結果的精準，采用主集料空隙填充法進行骨料間隙率描述其嵌擠程度，以此，確定骨料密實結構的混合料級配比例，其間隙率的計算公式為：

VCADRC=（1－ρsc/ρtc）×100%（2）

式中：VCADRC表示骨料的間隙率；ρsc和ρtc均表示密度，兩者均對應主集料，前者對應緊裝狀態，后者對應表觀狀態。

主集料空隙填充法在應用過程中，粗集料嵌擠結構不會受到細集料和瀝青混合膠漿的影響 ［10］。在此基礎上，確定瀝青、粗集料、粗集料、礦粉的質量比例。上述材料質量比例確定時，其間隙率和下述參數存在直接影響，其表達式為：

qc+qf+qp=100%（3）

qc100ρscVCA－Vvs=qpρtp+qfρtf+qaρa（4）

式中：qc、qf、qp、qa均表示質量占比，分別對應粗集料、細集料、礦粉和有效瀝青；ρa、ρtp、ρtf均表示密度，分別對應瀝青、細集料和礦粉；VCA和Vvs均表示間隙率，前者對應骨料架，后者對應瀝青混合料設計目標。

依據上述公式即可確定各個材料的質量占比，粗集料的質量占比為5∶5，此時間隙率最低，為40.45%；基于此，確定其他材料的質量占比，得出3種橡膠粉摻量的確定，分別是0%、2.5%和5%。

1.2.2 瀝青混合料的攪拌工藝

在確定橡膠粉的摻量后，制備不同橡膠粉摻量的瀝青混合料。依據1.2.1小節將確定各個材料進行混合后，對其實行均勻攪拌，其攪拌工藝流程如圖1所示。

將瀝青置于烘箱中，設定烘箱溫度為190 ℃，對瀝青實行加熱處理［11］；將確定質量的骨料和礦粉也置于烘干箱中進行加熱處理，其烘干溫度為195 ℃。將兩者完成烘干后，再充分進行混合攪拌，攪拌過程中溫度保持在185 ℃。為了保證攪拌過程中瀝青和其他材料之間的充分反應，在攪拌過程的前30 s內，采用干拌的方式對骨料實行攪拌，該骨料中包含粗細兩種集料和橡膠粉。在此基礎上，加入瀝青再繼續進行攪拌，保證混合料達到均勻狀態，持續時間為2 min。最后，將礦粉加入混合料中繼續進行攪拌，保證混合料達到均勻狀態，持續時間為1 min。

完成上述步驟后，即完成瀝青混合料的攪拌，將該混合料置于模板中，制備長方體的瀝青混合料試樣，在圓柱形的上下面采用敲擊的方式，實行100 次擊實處理，以此成型，即可得到圓柱形的3種橡膠粉的摻量的試樣，尺寸均為1.2 m×0.6 m×0.1 m，分別用試樣A、試樣B和試樣C表示，對3種進行養生后，備用。

1.3 凍融循環試驗

凍融循環試驗包含2步驟：一是試樣飽水;二是凍融循環。

（1）試樣飽水。為了保證凍融循環試驗時試驗條件滿足實際情況，模擬冬季冰雪天氣時，瀝青路面在浸水時的狀態，將制備完成后的試樣，在常溫情況下放置于常壓的水池中進行浸泡，浸泡時間為5 d；準備3個塑料袋，各個塑料袋中均裝入1 cm的自來水，將浸泡后的試樣取出，并各自置于有水的塑料袋中，并將塑料袋密封后置于恒溫箱中;

（2）凍融循環試驗。為保證模擬的真實性，充分考慮冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環次數3個影響因素，為保證試驗周期的合理性，避免多余的試驗周期，并在短時間內完成凍融循環試驗的模擬，設定冰凍溫度為-25 ℃，融化溫度為60 ℃。在試驗過程中，由于馬歇爾試樣的尺寸不大，冰凍較為容易，因此，其冰凍時間為3 h，融化時間為1.5 h，并且為保證試樣在凍融循環條件下，其變化的清晰體現，確定的凍融次數為100 次。

1.4 試樣性能計算方法

1.4.1 試樣孔隙率計算

試樣的密度計算采用表干法完成，獲取密度結果后，計算試樣孔隙率（VV），其計算公式為：

VV=1－λfλt×100%（5）

式中：λf和λt均表示相對密度，前者對應相對密度的最大值，后者對應相對密度的表觀相。

1.4.2 試樣低溫抗裂性能計算

本文采用低溫彎拉試驗測試試樣的低溫抗裂性能，該試驗在-15 ℃的條件下進行，該試驗的加載速率為55 mm/min，其計算公式為：

RB=3×L×PB2×b×h2（6）

εB=6×h×dL2（7）

SB=RBεB（8）

式中：在試樣發生破壞的情況下;RB表示抗彎拉強度值;εB表示最大彎拉值;SB表示彎曲勁度模量值;PB表示最大載荷;試樣斷裂面的寬和高分別用b和h表示;L表示跨徑;d表示撓度。

1.4.3 試樣穩定性計算

（1）高溫穩定性計算。瀝青混合料在高溫情況下會產生變形，影響車輛行駛的舒適性，文中采用車轍試驗完成試樣的高溫穩定性測試，其計算公式為：

DS=（t2－t1）×Nd2－d1×C1×C2（9）

式中：DS表示試樣的動穩定程度；N表示碾壓速度；t2和t1時刻的變形量分別用d2和d1表示；C1和C2均表示系數。

（2）水穩定性計算。依據劈裂試驗和計算結果為依據，對試樣的水穩定性進行測試，凍融劈裂抗拉強度計算公式為：

TRS=RT2RT1×100（10）

式中：RT2和RT1均表示劈裂抗拉強度，其也表示破壞載荷值，前者對應凍融循環后的劈裂抗拉強度，后者對應凍融循環前的劈裂抗拉強度。

1.4.4 試樣耐久性預測

在實際情況下，瀝青路面受到的凍融作用呈現持續特性。在試驗過程中，雖然在最大程度上采用接近的試驗條件，模擬實際凍融情況，但是試驗次數和凍融試驗的載荷模擬，仍舊與實際情況存在一定差異，因此，本研究為更進一步測試試樣在凍融條件下的承載力，采用灰色數列模型，預測試樣在凍融循環條件下的耐久性，并預測試樣的變化規律。

GM（1，1）模型是灰色數列模型中的典型模型，其運算的復雜程度較低，且預測結果可靠。因此，構建GM（1，1）模型，其公式為：

dYtdt+αYt=μ（11）

式中：Yt表示t時刻的數列，且其具有一定規律；α和μ均表示待定系數。

對該模型實行求解后得出：

Yt=X0－μαeαt+μα（12）

式中：X0表示原始數列；e表示運算函數。

由于模型是通過累加數據生成，因此，經過累減后獲取預測值X°，其計算公式為：

X°=Yt－Yt－1（13）

式中：Yt－1表示t－1的數列。

依據該步驟即可完成試樣耐久性的預測結果，判斷試樣的變化規律。

2 測試與結果分析

2.1 試樣質量比變化分析

為分析橡膠粉摻入后，瀝青混合料的質量變化情況，獲取不同凍融次數下，3個試樣的質量損失率結果，具體如圖2所示。

對圖2的試驗結果進行分析后得出，在凍融循環次數逐漸增加情況下，不同橡膠粉摻量試樣的質量損失率也存在明顯區別。其中，試樣A的橡膠粉摻量為0%，其在凍融次數為100次時，質量損失率最高結果達到5.87%；在相同凍融次數下，試樣C的質量損失率結果為2.86%。這是由于加入橡膠粉后，可增加試樣內部的空隙，使試樣內部的水分增加。因此，摻入橡膠粉能夠提升試樣的質量，降低其質量損失率。

2.2 低溫抗裂性能試驗結果

獲取各個試樣孔隙率結果后，并進行彎曲試驗，獲取各個試樣的試驗結果，具體如表3所示。

由表2可知，隨著橡膠粉摻量的逐漸增加，3個試樣孔隙率和最大彎拉微應變結果也逐漸增加，而抗彎拉強度和勁度模量逐漸下降。這是由于橡膠粉摻入后，其強度會下降，但是由于橡膠粉的會增加混合料的彈性作用。因此，摻入橡膠粉會提升試樣的破壞應變力。

2.3 高溫穩定性試驗結果

獲取3個試樣在高溫條件下，隨著車轍的持續作用，3個試樣的累計變形結果，具體如表3所示。

由表3可知，隨著車轍作用時間的逐漸增加，在車轍的持續作用下，3個試樣的累積變形結果呈現明顯差異。其中，試樣A的累積變形最明顯，持續時間為60 min時，累計變形結果達到4.22 mm；試樣C的累計變形結果僅為2.04 mm［12］。這是由于橡膠粉屬于彈性材料，將其摻入到瀝青混合料中后，會降低瀝青混合料的流動變形，從而使試樣的彈性性能也會在一定程度上提升。

2.4 試樣的水穩定性試驗

獲取3個試樣在不用劈裂載荷下，其水穩定性的試驗結果，具體如表4所示。

由表4可知，在經過凍融前和經過凍融后兩種情況下，隨著劈裂載荷的逐漸增加，3種試樣的凍融劈裂抗拉強度隨著劈裂載荷的增加而降低，但是下降幅度較小。其中，試樣C的RT2和RT1和TRS結果均優于另外2個試樣的結果，其最高TRS結果為88.3%，與試樣A的差值為8.2%。這是由于橡膠粉加入后，能夠提升瀝青混合料的彈性［13］。因此，在受到劈裂載荷下，試樣的TRS值越佳，水穩定越好。

2.5 試樣的極限強度試驗

獲取在不同的凍融次數下，3個試樣的極限強度損失結果，具體如表5所示；其中，負值表示強度上升，正值表示強度下降。

由表5可知，凍融次數的不斷變化，橡膠粉摻量為0%的試樣，在凍融次數達到100次時，其極限強度損失率結果為34.7%；試樣B和試樣C的極限強度發生先小幅度下降后上升再下降的趨勢，在凍融循環次數為30次時，二者試樣的值均為負值，表示此時2個試樣的強度發生不同程度的上升，上升比例分別為4.45%和6.6%；隨著凍融循環次數的繼續增加，2個試樣的極限強度損失率分別為19.6%和12.7%［14］。因此，橡膠粉的摻入能夠增加瀝青混合料的極限強度，降低其損失率。

2.6 試樣耐久性預測結果

對3個試樣的劈裂抗拉強度結果進行預測，將預測結果和試驗獲取的結果進行對比，分析本文方法的預測效果，依據該結果判斷本文方法對于試樣變化規律的預測效果，具體如表6所示。

由表6可知，在不同的凍融次數下，3種試樣劈裂抗拉強度的預測結果和試驗獲取的結果之間差距較小，吻合程度較高，表示本文采用的耐久性預測模型可靠性較高，能夠對劈裂抗拉強度結果進行預測［15］。

3 結語

將橡膠粉摻入瀝青混凝土，在一定程度上提升混凝土的性能，已經成為普遍的方式，為分析橡膠粉對于瀝青混合料水穩定性的影響，研究制備了不同橡膠粉摻量的瀝青混合料試樣，并在凍融循環條件下展開相關實驗和分析。結果顯示，將橡膠粉摻入瀝青混合料后，能夠提升瀝青混合料的耐久性，降低其質量損失率［16］。摻入橡膠粉可以提升瀝青混合料的破壞應變力、高溫穩定性以及水穩定性。橡膠粉對于瀝青混合料的極限強度具有一定提升效果。

綜上所述，在實際施工過程中，可依據工程的實際需求，適量加入橡膠粉，以此提升瀝青混合料的水穩定性，保證工程質量以及車輛行駛的舒適性。

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