橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素分析

范斌衛(wèi)，王廣山，陳德云，馬慶偉，陳振華(.西安公路研究院，陜西 西安 70065; .中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 00097；.溫州信達交通工程試驗檢測有限公司， 浙江 溫州 505； .長安大學教育部道路工程重點實驗室，陜西 西安 7006)

?

橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素分析

范斌衛(wèi)1，王廣山2，陳德云3，馬慶偉1，陳振華4
(1.西安公路研究院，陜西 西安 710065; 2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097；3.溫州信達交通工程試驗檢測有限公司， 浙江 溫州 325105； 4.長安大學教育部道路工程重點實驗室，陜西 西安 710064)

為了研究橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素，使用不同級配、黏度、復合改性及抗車轍劑來分析比較其高溫性能的變化。對橡膠瀝青混合料進行車轍試驗、單軸貫入試驗、靜態(tài)模量試驗及均勻試驗，結果表明：連續(xù)級配混合料的高溫性能略優(yōu)于間斷級配混合料；貫壓試驗得到的間斷級配混合料的內(nèi)摩擦角大于連續(xù)級配混合料；由均勻試驗可知橡膠瀝青混合料ARG-16高溫性能對9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm檔料的用量并不敏感，對礦粉的用量較為敏感。

道路工程；橡膠瀝青混合料；高溫性能；車轍試驗

0 引 言

有關橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能影響因素的研究頗多[1-3]，如：王偉通過膠粉來源、膠粉摻量、油石質(zhì)量比、空隙率、瀝青種類等對橡膠瀝青混合料高溫性能的影響進行了研究；吳應升等應用灰色關聯(lián)度分析理論，分別從膠結料和級配、油石比和空隙率對橡膠瀝青混合料高溫性能影響因素進行敏感性分析。本文不同于以往的研究，主要以橡膠瀝青混合料的級配類型、橡膠瀝青的黏度、復合改性及抗車轍劑等為主要因素來探討橡膠瀝青混合料的高溫性能，并利用均勻試驗方法來分析橡膠瀝青混合料的高溫敏感性。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用加德士90#A級瀝青；SBS改性劑為北京燕山4303星型；橡膠粉以貨車斜交輪胎為原材料，目數(shù)為30目。

瀝青混合料使用的粗集料規(guī)格為9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm；細集料和填料采用9.5～19 mm石灰?guī)r碎石加工生產(chǎn)的0～2.36 mm的機制砂和0.6 mm規(guī)格以下的礦粉。為了比較橡膠瀝青混合料的高溫性能，橡膠瀝青混合料主要參考《橡膠瀝青路面施工技術規(guī)范》(DG/T J06—2109—2012)進行體積設計，并采用其中的相關技術指標來進行配合比設計。間斷級配橡膠瀝青混合料ARG-16、ARG-13和連續(xù)級配橡膠瀝青混合料ARC-16、ARC-13的最佳油石比見表1。

表1 各種混合料的最佳油石比 %

1.2 試驗方案

本文采用車轍試驗、單軸貫入試驗和靜態(tài)模量試驗來評價橡膠瀝青混合料的高溫性能。

2 影響因素分析

2.1 級配類型的影響

2.1.1 不同級配的橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

針對陜西省地方標準的間斷級配ARG-13、ARG-16混合料和連續(xù)級配ARC-13、ARC-16混合料的高溫性能，本文從抗剪強度和動穩(wěn)定度來進行評價，試驗結果見表2。

表2 不同級配橡膠瀝青混合料的高溫性能

溫度級配類型抗剪強度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)動穩(wěn)定度/(次·mm-1)相對變形/%60℃ARG-130.4146.533694.10ARG-160.6146.030144.52ARC-130.4243.838183.58ARC-160.4642.738414.21

從抗剪強度指標及內(nèi)摩擦角指標可得：除了ARG-16混合料的抗剪強度略大外，其余3種混合料差別不大；間斷級配混合料由于形成了骨架密實結構，比懸浮密實結構的連續(xù)級配混合料的內(nèi)摩擦角要大。從動穩(wěn)定度指標及相對變形指標可得：4種混合料的動穩(wěn)定度差別不大，連續(xù)級配的ARC-13、ARC-16混合料的高溫性能略好于間斷級配的ARG-13、ARG-16混合料；由于連續(xù)級配并沒有很大的空隙來容納膠粉顆粒，且連續(xù)級配橡膠瀝青混合料的瀝青膜厚度較小(ARG-13為9.6 μm，ARC-13為9.6 μm；ARG-16為11.1 μm，ARC-16為9.8 μm。)，因此其混合料相對變形較小。

由表2可知，4種混合料的高溫穩(wěn)定性指標都不是太高，且連續(xù)級配略優(yōu)于間斷級配[4-5]。

2.1.2 間斷級配混合料高溫敏感性

選擇間斷級配類型ARG-16對9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm、礦粉、橡膠瀝青進行配比，采用均勻試驗分析最佳級配下混合料的高溫敏感性，主要驗證橡膠瀝青路面在施工過程中的施工誤差(主要是各檔料量的變化)對高溫性能的影響。在固定橡膠瀝青用量的情況下，以抗剪強度為設計指標，9.5～16 mm檔料的用量、4.75～9.5 mm檔料的用量、0～2.36 mm檔料的用量、礦粉的用量分別記為x1、x2、x3、x4，各因素范圍分別為44%～64%、18%～38%、9%～14%、4%～9%，參考均勻設計相關文獻[7]采取4因素6水平表，試驗方案見表3。

表3 均勻試驗方案 %

為研究各檔料的不同用量對混合料高溫性能的影響，根據(jù)上述試驗方案成型6組靜壓試件(每組3個)并通過單軸貫入試驗確定其抗剪強度，油石比不變(按最佳油石比6.1成型)，試驗結果如表4所示。

(1)回歸分析。將x1、x2、x3、x4分別作為自變量，抗剪強度作為因變量，利用SPSS軟件采用回歸法進行線性回歸分析，設置顯著水平為0.05，得到回歸方程為：y=0.746-0.049x4。該方程的相關系數(shù)R2=0.437。

表4 均勻試驗結果

由回歸方程可見，x1、x2、x3的標準回歸系數(shù)均為0，即實際工程中對9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm礦料的用量不是很敏感；而x4的標準回歸系數(shù)為-0.049，說明隨著礦粉的增加，混合料高溫性能是衰減的，即礦粉的用量對橡膠瀝青混合料ARG-16抗剪強度的影響顯著。

(2)回歸方程顯著性檢驗?；貧w方程是否合理，需要檢驗其顯著性。利用F分布檢驗回歸方程的顯著性，結果如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析表可得，對于給定的顯著水平(0.05)，檢驗值Ft=3.106，臨界值F(0.05，1，4)=7.71，F(xiàn)t

(3)回歸方程的討論。針對x1、x2、x3、x4四者之間兩兩的交互作用，探討多元線性方程的組合，仍然得出回歸方程中涉及到x1、x2、x3的標準回歸系數(shù)均為0，且回歸方程均不顯著，由此可以得出：橡膠瀝青混合料ARG-16的高溫敏感性除了受礦粉用量的影響外，還受瀝青用量及級配等因素的影響。

2.2 橡膠瀝青黏度的影響

《陜西省廢舊輪胎在瀝青路面的應用研究》課題中已對橡膠瀝青混合料高溫性能的影響因素進行了研究，得出采用20～80目膠粉的混合料動穩(wěn)定度在2 000～4 000 次·mm-1之間，17.5%～25%膠粉摻量的混合料動穩(wěn)定度在2 000～4 000 次·mm-1之間，因而膠粉的目數(shù)和摻量對混合料的性能影響不大。另外，該課題組對制備工藝對橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性的影響做了對比，如表6所示。

從表6可知：相同的橡膠粉摻量(22%)和油石比下，攪拌法制備的混合料的動穩(wěn)定度均高于剪切法，即黏度大(攪拌法的黏度大于剪切法)的混合料高溫性能較好。這主要是因為剪切作用會使橡膠瀝青中的膠粉更小，黏度減小，導致混合料的動穩(wěn)定度略小[6-8]。

表6 不同制備工藝對混合料高溫性能影響

2.3 復合改性和抗車轍劑的影響

橡膠瀝青混合料的高溫性能不如SMA混合料，為此采用橡膠瀝青復合SBS改性以及添加抗車轍劑等措施來提高其高溫穩(wěn)定性能，試驗結果見表7。

表7 復合改性和車轍劑對混合料高溫性能的影響

反映高溫性能的橡膠瀝青混合料的抗剪強度與動穩(wěn)定度指標如圖1所示，比較添加抗車轍劑和復合SBS改性的措施對混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，可得以下結論。

圖1 動穩(wěn)定度與抗剪強度試驗結果

(1)加入抗車轍劑后，橡膠瀝青混合料的模量增大，瀝青路面的承載力整體增強。

(2)加入抗車轍劑后，橡膠瀝青混合料動穩(wěn)定度及抗剪強度指標均增大，說明抗車轍劑能增強橡膠瀝青混合料的高溫性能。

(3)復合橡膠瀝青混合料CR/SBSG-16的動穩(wěn)定度為7 412 次·mm-1，抗剪強度為0.972 MPa，均大于橡膠瀝青混合料ARG-16，說明復合SBS改性也能改善橡膠瀝青混合料的高溫性能[9-10]。

3 不同抗車轍劑的路用性能對比分析

本文所用到的抗車轍劑為西安公路研究院材料所獨立自主研發(fā)的HXR-1型抗車轍劑，與之對比的是廣州路翔的抗車轍劑，采用ARG-13混合料從高溫、低溫、水穩(wěn)定性能來比較抗車轍劑的優(yōu)劣。

(1)高溫性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的車轍試驗結果見表8。

表8 車轍試驗結果

(2)低溫性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的低溫彎曲試驗結果見表9。

表9 低溫彎曲試驗結果

(3)水穩(wěn)定性能。ARG-13混合料以及添加不同抗車轍劑后的凍融劈裂試驗結果見表10。

表10 凍融劈裂試驗結果

從2種抗車轍劑的主要路用性能指標的比較可知：HXR-1型抗車轍劑改善瀝青混合料高溫性能的效果比路翔抗車轍劑要好，約提高了45%；加入抗車轍劑后混合料硬度變大，破壞撓度較小，故破壞應變均小于不加抗車轍的混合料，其中加入HXR-1型抗車轍劑的混合料的低溫抗裂能力略好于加入路翔抗車轍劑的混合料；添加HXR-1型抗車轍劑的混合料的殘留強度比為94.37%，比ARG-13混合料要好，加入路翔抗車轍劑的混合料的水穩(wěn)定性能最差。綜上，加入HXR-1型抗車轍劑的混合料路用性能優(yōu)于加入路翔抗車轍劑的混合料。

HXR-1型抗車轍劑的主要作用機理有2個方面。首先是宏觀物理作用：拌和過程中，抗車轍劑在高溫下軟化形成彈性體，在強力機械攪拌和剪切力的作用下發(fā)生彈性變形、熔融、拉絲，分布在瀝青和集料之間，對瀝青混合料起到加筋和膠結作用。第二是黏聚作用：由于瀝青混合料的攪拌和壓實溫度高于抗車轍劑的軟化溫度，抗車轍劑顆粒處于黏流態(tài)，具有可塑性，在外力作用下，抗車轍劑顆粒根據(jù)礦料顆粒間隙形成各種形態(tài)；溫度下降后，抗車轍劑材料重新恢復固態(tài)并維持壓實后的形態(tài)，從而限制礦料顆粒間的相對滑動，增加礦料顆粒間的黏聚力，提高混合料的高溫抗變形性能[11]。

4 結 語

(1)由車轍試驗及單軸貫入試驗得出：間斷及連續(xù)級配混合料的高溫性能差別不大，連續(xù)級配混合料的高溫性能略優(yōu)于間斷級配混合料；但是間斷級配混合料的內(nèi)摩擦角大于連續(xù)級配混合料的內(nèi)摩擦角。

(2)由均勻試驗得到：橡膠瀝青混合料ARG-16對9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、0～2.36 mm檔料的用量并不敏感，對礦粉的用量較為敏感。

(3)由攪拌法和剪切法制備的橡膠瀝青混合料的高溫性能差別不大，攪拌法的混合料高溫性能略優(yōu)于剪切法，即黏度高的橡膠瀝青混合料高溫性能略好。

(4)復合SBS的膠粉瀝青混合料的高溫性能較好，可媲美SMA混合料。無論連續(xù)或間斷級配，添加抗車轍劑的橡膠瀝青混合料高溫性能都明顯得到改善。

[1] 黃衛(wèi)東，王偉，李彥偉，等.橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗[J].同濟大學學報：自然科學版，2010，38(7)：1023-1028.

[2] 胡 苗，彌海晨.ARC-13型橡膠瀝青混合料高溫性能影響因素試驗研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2013(11)：70-71.

[3] 吳應升，何琦琪.橡膠瀝青混合料高溫性能影響因素敏感性分析[J].西部交通科技，2015(4)：18-20.

[4] 關永勝，談至明，張志祥.間斷級配橡膠瀝青混合料抗車轍性能[J].同濟大學學報：自然科學版，2013，41(5)：12-15.

[5] 宋志峰，張 娟，向萌萌.橡膠瀝青及混合料配合比設計研究[J].公路交通科技：應用技術版，2013(11)：705-709.

[6] 王 偉.橡膠瀝青混合料高溫性能研究[D].上海：同濟大學，2008.

[7] 張 偉.橡膠瀝青及混合料路用性能研究[D].西安：長安大學，2011.

[8] OMER S.Rutting Evaluation of Unmodified HMA,Polymer Modified SMA,and CTR Modified HMA and SMA Mixtures[D].Illinois：Southern Illinois University Edwardsville，2014.

[9] 劉貞鵬.SBS/橡膠復合改性瀝青混合料高溫性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[10] 何立平.基于DMA方法的橡膠瀝青粘彈特性和高溫性能研究[D].西安：長安大學，2014.

[11] 陳 凱.我國車轍試驗與漢堡車轍試驗對比研究[D].西安：長安大學，2008.

[責任編輯:杜衛(wèi)華]

Analysis on Influencing Factors of High Temperature Performance of Rubberized Asphalt Mixture

FAN Bin-wei1, WANG Guang-shan2, CHEN De-yun3, MA Qing-wei1, CHEN Zhen-hua4
(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China; 2. China Highway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100097, China; 3. Wenzhou Xinda Traffic Engineering Test Co., Ltd., Wenzhou 325105, Zhejiang, China; 4. Key Laboratory for Highway Engineering of Ministry of Education, Chnag’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the influencing factors of high temperature performance of rubberized asphalt mixture, different gradation, viscosity, compound modification and rut-resistant agents were used to analyze and compare the change of high temperature performance. Rutting test, uniaxial penetration test, static modulus test and homogeneous test were conducted on the rubberized asphalt mixture. The results show that the high temperature performance of mixture that has continuous gradation is slightly better than that of gap-graded mix; the internal friction angle of the gap-graded mix obtained by the penetration test is bigger than that of mixture that has continuous gradation; it can be seen from the homogeneous test that the high temperature performance of rubberized asphalt mixture ARG-16 is not sensitive to the content of aggregate that passes the mesh of 9.5～16 mm, 4.75～9.5 mm, 0～2.36 mm but the amount of mineral filler.

road engineering; rubberized asphalt mixture; high temperature performance; rutting test

1000-033X(2017)06-0037-04

2016-11-27

陜西省交通廳科技計劃項目(15-10k)

范斌衛(wèi)(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。

U414.01

B