溫拌橡膠瀝青混合料級配路用性能試驗研究

王賢良，陳 尚，劉 昭

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064；2. 安康市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，陜西 安康 725000；3. 安康市市政設(shè)施管理處，陜西 安康 725000；4. 安康市公路管理局， 陜西 安康 725000)

橡膠瀝青溫拌技術(shù)是一種節(jié)能減排，綠色環(huán)保的瀝青鋪面技術(shù)，不僅能將膠粉廢物利用，解決橡膠瀝青施工過程中不易壓實的難題，還能延長瀝青路面施工季節(jié)，延長路面服役壽命等，是一項具有雙重節(jié)能環(huán)保效益的瀝青鋪面技術(shù).

國內(nèi)外就橡膠瀝青技術(shù)已經(jīng)開展了相當(dāng)豐富的研究[1-8]，關(guān)于溫拌橡膠瀝青技術(shù)也有部分學(xué)者進行了研究.周啟偉[9]研究了Sasobit和EWMA-1兩種溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響，研究結(jié)果表明，Sasobit的摻量不宜超過3%，EMWA-1的摻量不宜超過0.6%.Yu[10]研究了五種溫拌劑，Evotherm-DAT，Evotherm-3G，Sasobit，56#石蠟和Aspha-Min對溫拌橡膠瀝青路用性能的影響.Hyun HwanKim[11]研究了LEADCAP和Sasobit溫拌劑對溫拌橡膠瀝青短期和長期老化性能的影響，研究結(jié)果表明，溫拌劑可有效提高溫拌橡膠瀝青的老化性能.Farshad[12]研究了Sasobit再生劑摻量對再生瀝青混合料性能的影響，研究結(jié)果表明5.5%的摻量和30%的舊混合料摻量時，混合料的路用性能最好.Yang[13]研究了表面活性劑對溫拌橡膠瀝青混合料力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明活性劑不僅可以提高混合料的強度，還可以改善混合料的低溫性能.

通過歸納和總結(jié)已有溫拌橡膠瀝青技術(shù)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，各國或地區(qū)都提出溫拌橡膠瀝青混合料的級配組成，但是何種級配下的溫拌瀝青混合料性能更優(yōu)沒有形成完全一致的認識.因此，本文結(jié)合各地區(qū)的溫拌橡膠瀝青混合料級配組成，研究四種級配下溫拌瀝青混合料的路用性能，同時分析2.36～4.75 mm集料含量與路用性能之間的關(guān)系，明確級配優(yōu)化機理，以更好地指導(dǎo)溫拌橡膠瀝青混合料的設(shè)計和施工.

1 原材料性質(zhì)

試驗采用20目的橡膠粉和70號瀝青制備的橡膠瀝青，瀝青材料性質(zhì)見表1.礦粉選用遼寧小陽屯制造的礦粉，水泥為P.O 42.5水泥，礦粉和水泥的各項技術(shù)性質(zhì)見表2，集料的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表3和表4.

表1 橡膠瀝青技術(shù)性質(zhì)

表2 礦粉、水泥技術(shù)性質(zhì)

表3 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表4 細集料技術(shù)性質(zhì)

2 瀝青混合料級配設(shè)計

橡膠瀝青最早源于美國，并且橡膠瀝青混合料在美國各州都得到了很好的發(fā)展，其中亞利桑那州、加利福尼亞州、佛羅里達州及德克薩斯州應(yīng)用最為廣泛，并且各州都提出了各自的橡膠瀝青混合料級配范圍.其中亞利桑那州級配設(shè)計時考慮橡膠粉包含在混合料中，其油石比比常規(guī)的混合料要高，德州的橡膠瀝青混合料級配設(shè)計是模仿SMA級配設(shè)計方法，是采用粗集料建立骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，然后采用細集料及橡膠瀝青來填充骨架間隙.國內(nèi)對橡膠瀝青混合料的研究，主要有交通部公路科學(xué)研究院、山東交科院及其他高校.各地的橡膠瀝青混合料級配設(shè)計中值見表5.

現(xiàn)選取上述四種級配曲線，確定各篩孔含量如表6，分別標(biāo)注為A、B、C、D.

參照普通瀝青混合料配合比設(shè)計方法，采用馬歇爾擊實儀成型馬歇爾試件，確定A型瀝青混合料的最佳油石比為6.7%，B級配下的瀝青混合料最佳油石比為7.5%，C型瀝青混合料的最佳油石比為6.5%，D型瀝青混合料的最佳油石比為7.4%.

表5 不同地區(qū)橡膠瀝青混合料的中值級配

表6 四種瀝青混合料級配

注：表中A代表亞利桑那州，B代表德州，C代表山東交科院，D代表公路院.

3 溫拌橡膠瀝青混合料級配路用性能研究

參照普通瀝青混合料路用性能研究方法，成型相應(yīng)的溫拌橡膠瀝青混合料，其中橡膠瀝青中膠粉摻量為內(nèi)摻16%，溫拌劑采用Sasobit，摻加劑量為瀝青質(zhì)量的2.5%，對比四種級配下瀝青混合料的高溫、低溫、疲勞及水穩(wěn)定性能，以確定較好的級配，指導(dǎo)溫拌橡膠瀝青混合料在工程中的實踐.

3.1 高溫性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)制備車轍塊，成型后用馬歇爾試模輕輕來回碾壓整平試件.采用車轍試驗測得45 min和60 min時瀝青混合料的垂直變形，計算溫拌橡膠瀝青混合料的高溫性能，試驗結(jié)果見表7.

通過對表7進行分析可知，四種溫拌橡膠瀝青混合料都具有較好的高溫性能，但是亞利桑那州級配下的瀝青混合料具有相對較好的高溫性能，在溫度高的地區(qū)可優(yōu)先選用亞利桑那州級配下的瀝青混合料.

表7 四種溫拌橡膠瀝青混合料高溫性能

3.2 低溫性能

彎曲試驗所用的小梁試件為碾壓成型后切制的長250 mm±2.0 mm、寬30 mm±2.0 mm、高35 mm±2.0 mm的棱柱體小梁，其跨徑為200 mm±0.5 mm.采用溫度-10 ℃±0.5 ℃，加載速率宜為50 mm/min，每個級配做6組試件，試驗結(jié)果見表8.

表8 四種溫拌橡膠瀝青混合料低溫性能

通過對表8分析可知，四種溫拌橡膠瀝青混合料都具有較好的低溫性能，且低溫性能指標(biāo)比較接近，這說明不同溫拌橡膠瀝青混合料的低溫性能沒有太大區(qū)別.

3.3 疲勞性能

采用疲勞試驗研究溫拌橡膠瀝青混合料的疲勞性能，根據(jù)瀝青混合料級配組成及油石比成型車轍試件，然后切割成250 mm、寬50 mm、高50 mm的小梁.疲勞試驗采用應(yīng)變控制式，控制應(yīng)變?yōu)?00 με，試驗溫度為15 ℃.將瀝青混合料的模量降到初始時刻模量的50%時確定為疲勞破壞點，此時荷載的循環(huán)次數(shù)確定為瀝青混合料的疲勞壽命，試驗結(jié)果見表9.

表9 四種溫拌橡膠瀝青混合料疲勞性能

通過對表9進行分析可知，四種溫拌橡膠瀝青混合料都具有較好的抗疲勞性能.其中亞利桑那州級配下混合料的疲勞性能要好于其他級配下的瀝青混合料，在車流量比較大的地區(qū)可優(yōu)先選用亞利桑那州級配下的瀝青混合料.

3.4 水穩(wěn)定性能

水損害是瀝青路面早期病害的重要形式，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來研究四種類型混合料的水穩(wěn)定性，評價兩類混合料抗水損害的能力.研究結(jié)果見表10和表11.

表10 四種溫拌橡膠瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果

表11 四種溫拌橡膠瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

通過對表10和表11進行分析可知，四種溫拌橡膠瀝青混合料都具有較好的水穩(wěn)定性能，其中亞利桑那州級配下瀝青混合料的水穩(wěn)定性要優(yōu)于德克薩斯州級配下的瀝青混合料，在降水豐富的地區(qū)可予以優(yōu)先選用.

4 級配優(yōu)化機理分析

4.1 級配分析

相關(guān)研究表明[14-15]，瀝青混合料中2.36～4.75 mm集料含量影響瀝青混合料的性能，通過分析2.36～4.75 mm集料含量與溫拌橡膠瀝青的路用性能的相互關(guān)系，以指導(dǎo)溫拌瀝青的級配設(shè)計.路用性能與2.36～4.75 mm含量之間關(guān)系如圖1所示.

圖1 路用性能與2.36～4.75 mm含量之間關(guān)系Fig.1 Relationship between road performance and content of 2.36～4.75 mm

如圖1所示，2.36～4.75 mm含量對溫拌橡膠瀝青混合料的低溫性能影響較小，而混合料的高溫性能、疲勞性能以及抗水損害性能都與2.36～4.75 mm含量具有較強的相關(guān)性，從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，在級配要求的范圍內(nèi)選取較高(16%)的2.36～4.75 mm含量，可以提高混合料的路用性能.

4.2 級配優(yōu)化驗證

采用最大理論密度曲線來驗證前述級配研究結(jié)果.最大理論密度曲線是通過大量試驗提出的一種理想曲線.該理論認為固體顆粒按粒度大小，有規(guī)則的組合排列，粗細搭配，可以得到密度最大、空隙率最小的混合料.最大理論密度曲線集料各級配粒徑(di)與通過量(pi)的關(guān)系為

(1)

式中：di為集料各級粒徑；pi為集料各級粒徑通過率，%；D為礦質(zhì)混合料最大粒徑，mm.

通過計算發(fā)現(xiàn)，2.36～4.75 mm集料的含量為14.8%時，混合料的密度最大.與上述試驗研究中2.36～4.75 mm含量15.9%時，混合料路用性能最佳相匹配.這說明本文的研究結(jié)果是合理可信的.

5 結(jié)論

通過試驗對不同級配對溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律進行研究，本文所做主要工作和得到的結(jié)論如下：

(1)基于亞利桑那州和德克薩斯州的級配設(shè)計，提出了四種瀝青混合料的級配組成，采用馬歇爾試驗，確定四種溫拌橡膠瀝青混合料的最佳油石比分別為6.7%、7.5%、6.5%和7.4%.

(2)亞利桑那州級配下的溫拌瀝青混合料在保證低溫性能的前提下，其高溫性能、疲勞性能及抗水損害性能均要優(yōu)于其他級配下的混合料，可結(jié)合具體條件優(yōu)先選擇亞利桑那州級配下的溫拌瀝青混合料進行設(shè)計和施工.

(3)在合理的級配范圍內(nèi)，2.36～4.75 mm篩孔的集料含量越多，溫拌橡膠瀝青混合料的路用性能越好，可選擇適當(dāng)?shù)暮Y孔的集料進行溫拌橡膠瀝青混合料的設(shè)計和施工.