高彈粗糙型橡膠顆粒瀝青混合料技術(shù)研究

邵小軍 張龍

摘要：為了解決冬季高速公路路面冰凌所產(chǎn)生的嚴(yán)重危害，文章研究了高彈粗糙型橡膠顆粒瀝青混合料（HRRAM）的級(jí)配組成及拌合、成型工藝，并通過車轍試驗(yàn)、低溫彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等分析了卜FRAM的高低溫性能和水穩(wěn)定性能等路用性能，還通過室內(nèi)HRRAM冰凌模擬試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)HRRAM的除冰效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示：PRRAM的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度分別為3624次/mm、3648uε、85%和80%;在冰層厚度4am，-2℃下卜1F{RAM試件表層冰凌有效破損率為38，6%。這些結(jié)果表明PRRAM具有良好的路用性能和除冰凌效果。

關(guān)鍵詞：冰凌;瀝青混合料;橡膠顆粒;路用性能

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.007

文章編號(hào)：1673-4874（2019）08-0022-06

0引言

在冬季，高原山區(qū)潮濕路面經(jīng)常出現(xiàn)冰凌，路面的抗滑性能也會(huì)受到大幅度折損，對(duì)交通安全影響嚴(yán)重。為了改善在冬季冰凌路面行車的安全性，從國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，橡膠顆粒瀝青混合料在路面工程上的應(yīng)用得到了普遍肯定，該材料具備較好的路面除冰功效。由于現(xiàn)行瀝青配合比設(shè)計(jì)方法不能滿足該除冰技術(shù)的需要，為了改善橡膠顆粒瀝青混合料的路用性能以及使其除冰凌效果更加顯著，本文對(duì)HPRAM的橡膠顆粒的特征參數(shù)、瀝青混合料結(jié)構(gòu)形式、主要材料選擇、級(jí)配、拌合及成型方法以及配合比的確定進(jìn)行了研究。

HRRAM的實(shí)質(zhì)是在混合料中摻加若干種或者一種具有級(jí)配的橡膠顆粒，用于取代因?qū)?yīng)粒徑和體積數(shù)量的集料而設(shè)計(jì)的瀝青混合材料。該材料由于高彈、高形變能力的橡膠顆粒的存在，使得HRRAM瀝青路面結(jié)構(gòu)整體的彈性變形能力顯著增加，在車輛作用下，HRRAM路面表層的橡膠顆粒周圍將產(chǎn)生集中多向應(yīng)力，使路表和冰凌在荷載接觸面上產(chǎn)生相對(duì)不規(guī)則位移;而對(duì)于無(wú)荷載處或者遠(yuǎn)離荷載處，冰凌和路表是相對(duì)靜止的，使路表冰凌產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，由于冰凌層很薄，其自身以及冰凌與路表之間的粘結(jié)強(qiáng)度無(wú)法抵抗這些應(yīng)力，這樣就會(huì)使冰凌在有荷HFBAM路面上產(chǎn)生破碎剝離，從而使得HRRAM路面具有良好的除冰性能。

1HRRAM用橡膠顆粒要求

HRRAM中的橡膠顆粒是以集料的形式存在的，其用來(lái)填充瀝青混合料中的空隙，并且其表面會(huì)與瀝青之間發(fā)生一定的擴(kuò)散作用，有利于改善HRRAM材料內(nèi)有效瀝青的性質(zhì)，橡膠顆粒與有效瀝青一同貢獻(xiàn)于HRRAM混合料的路用性能，橡膠顆粒自身的彈韌性和穩(wěn)定性對(duì)于混合料的整體性能乃至混合料的減震效果都發(fā)揮作用。因此本文先對(duì)橡膠顆粒的級(jí)配組成、形狀特性以及彈性性能進(jìn)行探討。

為了確定不同粒徑分布的橡膠顆粒對(duì)瀝青混合料的影響，參考國(guó)外最早出現(xiàn)商品化的橡膠顆粒材料Plus Ride的規(guī)范級(jí)配要求，試驗(yàn)選取表1所示的三種不同級(jí)配的橡膠顆粒，內(nèi)摻質(zhì)量統(tǒng)一為2.5%，混合料級(jí)配采用規(guī)范中SMAl 3的級(jí)配中值，并分別進(jìn)行了混合料空隙率、飛散損失試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，采用Rubber-3設(shè)計(jì)的混合料具有較小的空隙率及飛散損失率，而采用Rubber-1和Rubber-2設(shè)計(jì)的混合料空隙率及飛散損失都相對(duì)較大，由此可以說明橡膠顆粒的級(jí)配對(duì)混合料的性能有較大的影響。分析這種結(jié)果的原因在于橡膠顆粒之間的干涉作用，尤其當(dāng)級(jí)配較細(xì)時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致混合料的空隙率和飛散損失等出現(xiàn)較大的增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議橡膠顆粒通過篩孔尺寸4.75mm：2.36mm：1.18mm的級(jí)配范圍分別為95%～100%：10%～20%：0%～10%。

根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外科研成果，I'-RRAM應(yīng)優(yōu)選形狀細(xì)長(zhǎng)扁平含量<10%且邵氏硬度≥55度的橡膠顆粒，其原理就是因?yàn)椴涣碱w粒性狀對(duì)HRRAM材料負(fù)面影響較大，本文不再贅述。

2HRRAM組成設(shè)計(jì)方法

為了使混合料獲得良好的路用性能，對(duì)HRRAM原材料的要求及選擇、級(jí)配組成設(shè)計(jì)方法、油石比的確定、室內(nèi)拌合和成型工藝等進(jìn)行了研究。

2.1材料要求和選用

作為膠結(jié)料的瀝青選用中海品牌的A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青并摻加20%橡膠粉制備的改性橡膠瀝青。采用江蘇句容茅迪集團(tuán)生產(chǎn)的玄武巖碎石，規(guī)格為5～10nln、10～15m。采用重慶渝北玉峰山生產(chǎn)的0～5mm的細(xì)集料和填料。采用0～3m及3～5mm安照1：6質(zhì)量比摻配而成的橡膠顆粒，其各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)見表3。

2.2HRRAM級(jí)配組成設(shè)計(jì)

2.2.1HRRAM結(jié)構(gòu)類型

由于HRRAM中的橡膠顆粒具有良好的彈性變形能力，加之混合料類型選擇不當(dāng)都可能造成后期混合料的膨脹過大進(jìn)而增加內(nèi)部空隙率，降低HRRAM的路用性能。因此HRRAM應(yīng)選擇在壓實(shí)工藝相同條件下，混合料內(nèi)部的空隙率最小，即膨脹率最小的面層結(jié)構(gòu)類型。為了明確HRRAM的結(jié)構(gòu)類型，試驗(yàn)選取AC-10、AC-13、SMA-10、SMA-13四種常用混合料類型，橡膠顆粒的摻量控制在2.5%，設(shè)計(jì)級(jí)配選取規(guī)范級(jí)配范圍中級(jí)，擊實(shí)過程均采用雙面擊75次，比較在最佳油石比下混合料試件的膨脹率。膨脹率是指混合料脫模后增加高度與混合料成型后高度的比值。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明SMA-13的膨脹率最小，HRRAM優(yōu)選面層結(jié)構(gòu)類型SMA-13才能保證混合料具有良好的密實(shí)性，提高混合料的路用性能。分析其原因?yàn)殚g斷級(jí)配混合料由于“集料一橡膠顆?！敝g形成了密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，具有牢固的嵌擠力，能有效抵制橡膠顆粒膨脹釋放的應(yīng)力，因此其試件的膨脹率較低。

2.2.2HRRAM基準(zhǔn)級(jí)配

HRRAM采用SMA-13型級(jí)配結(jié)構(gòu)，橡膠顆粒以內(nèi)摻的方法等體積替代部分集料。由于HRRAM和替代前SMA-13的骨架在結(jié)構(gòu)上是完全相同的，因此可以從不摻加橡膠顆粒的SMA-13瀝青混合料研究HRRAM的最佳基準(zhǔn)級(jí)配。在優(yōu)化礦料級(jí)配時(shí)，應(yīng)以4.75mm為關(guān)鍵篩孔，控制其通過率分別為29.3%、27.4%及26.5%，初試級(jí)配的選取和組成見表5。

根據(jù)SMA-13經(jīng)驗(yàn)油石比，取油石比為6。0%，按照馬歇爾方法制作馬歇爾試件，測(cè)定VMA及VFA等指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果見表6。

由表6可以看出，級(jí)配A、級(jí)配B和級(jí)配C均滿足壓實(shí)狀態(tài)下瀝青混合料中的粗集料骨架間隙率VCAmix小于沒有其他細(xì)集料、結(jié)合料等存在時(shí)的搗實(shí)狀態(tài)下的粗集料松裝間隙率VCADRC的要求，且VMA均>17.0%。但由于級(jí)配A的空隙率相對(duì)較小以及其各項(xiàng)指標(biāo)較接近設(shè)計(jì)值，因此將級(jí)配A作為HRRAM的基準(zhǔn)級(jí)配。

2.2.3HRRAM最佳油石比確定

橡膠顆粒作為骨料加入到混合料中，為了保證混合料的骨架結(jié)構(gòu)不變，內(nèi)摻2.5%的橡膠顆粒等體積替換等粒徑的普通集料。根據(jù)已經(jīng)確定的HRRAM的基準(zhǔn)級(jí)配經(jīng)計(jì)算機(jī)處理可得換算后的HRRAM設(shè)計(jì)級(jí)配見表7。依據(jù)現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)來(lái)確定摻量為2.5%橡膠顆粒的HRRAM最佳油石比。

（1）HRRAM室內(nèi)拌合和成型工藝

HRRAM采用常規(guī)的一次性成型工藝壓實(shí)后的混合料的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生膨脹、松散、壓實(shí)度較低等現(xiàn)象，原因在于溫度尚未降低至室溫的瀝青混合料中的橡膠顆粒由于彈性恢復(fù)而引起的二次膨脹所致，對(duì)HR-RAM進(jìn)行二次成型工藝壓實(shí)發(fā)現(xiàn)其膨脹率跟橡膠瀝青混合料幾乎一致。因此在拌合中，應(yīng)首先使橡膠顆粒和已經(jīng)加熱至180℃～185℃的粗、細(xì)集料在170℃～175℃下開始拌合，時(shí)間在25～35s為宜，再加入溫度為165℃HRRAM瀝青于拌合鍋內(nèi)拌合60～120s，最后加入石灰石粉再拌合均勻?；旌狭铣尚头椒ǖ钠渌麠l件與馬歇爾試件成型方法的無(wú)異，只是擊實(shí)遍數(shù)和次數(shù)有所區(qū)別，即試件先在145℃～155℃進(jìn)行雙面各擊50次成型后在室溫條件下冷卻至90℃～100℃時(shí)，再第二次雙面各擊25次最終成型。

（2）馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

采用上述拌合和成型工藝進(jìn)行的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，摻量為2.5%橡膠顆粒的HRRAM在不同的油石比的條件下，混合料的體積參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

根據(jù)SMA瀝青混合料油石比的選取原則，空隙率控制在3.5%，則橡膠顆粒摻量為2.5%的最佳油石比應(yīng)選取6.4%。

3HRRAM路用性能檢驗(yàn)

3.1高溫穩(wěn)定性能

HRRAM高溫穩(wěn)定性能采用車轍試驗(yàn)方法。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)得到的最佳油石比為6.4%，采用HRRAM室內(nèi)拌合和成型工藝，制備一組試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度取60℃。試驗(yàn)的結(jié)果為：動(dòng)穩(wěn)定度3624次/mm，符合現(xiàn)行JTG F40-2004中對(duì)夏熱區(qū)動(dòng)穩(wěn)定度≥3000次/mm的技術(shù)要求。

3.2低溫抗裂性

HRRAM的低溫性能檢驗(yàn)采用低溫彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)。試件的拌合和成型方法與車轍試驗(yàn)沒有區(qū)別。試件尺寸采用了30mm×35m×250mm（可用車轍試件加工）的試件，試驗(yàn)溫度采用-10℃，按照J(rèn)TGE20-2011中T0715-2011的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠顆粒摻量為2.5%的HRRAM試件在最佳油石比為6。4%時(shí)低溫彎曲應(yīng)變?yōu)?648，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)西南冬溫區(qū)改性瀝青混合料彎曲應(yīng)變≥2500次/mm的技術(shù)要求。

3.3水穩(wěn)定性

本文采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)HRRAM的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果得到殘留穩(wěn)定度為85%，凍融劈裂強(qiáng)度比為80%，滿足規(guī)范對(duì)于改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度≥80%以及凍融劈裂強(qiáng)度比≥75%的要求。

4HRRAM除冰凌性能研究

對(duì)HRRAM路面的除冰凌機(jī)理進(jìn)行了研究，提出適用于HRRAM除冰凌模擬的試驗(yàn)方法。采用室內(nèi)HRRAM除冰凌的模擬試驗(yàn)分別對(duì)不同溫度和冰層厚度下HRRAM除冰凌效果進(jìn)行研究，并提出了除冰凌效果的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了HRRAM路面除冰凌性能的適用范圍。

HRRAM路面除冰機(jī)理的研究表明，HRRAM路面在足夠的荷載外力作用下，具有良好的彈韌性和應(yīng)變性能，由于橡膠顆粒與集料模量差的存在，在外力的作用下，路表冰凌與路面變形難以協(xié)調(diào)，再加上路表產(chǎn)生形變以及橡膠顆粒產(chǎn)生形變后必然導(dǎo)致路表溫度上升，造成了路表和冰凌接觸面的粘結(jié)力下降，這樣也就使得冰凌與路表之間極易發(fā)生相對(duì)位移，從而體現(xiàn)HRRAM路面有效除冰的優(yōu)越性。

目前在路面除冰性能的研究中，劉曉鴻利用MTS材料的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)試件施加靜荷載進(jìn)行除冰試驗(yàn)。但該試驗(yàn)采用的是靜載加荷，而事實(shí)上路表冰層承受的車輛荷載是動(dòng)態(tài)的，冰凌層和路面也不僅僅受到法向作用力，在動(dòng)載行進(jìn)方向上也受到切向作用力，并且距離接觸面越近荷載越大，因此對(duì)劉曉鴻的試驗(yàn)方法進(jìn)行如下改進(jìn)，如下頁(yè)圖1所示。將靜載方式改進(jìn)為采用連續(xù)走動(dòng)的恒壓力橡膠輪代替作為動(dòng)載，以更接近實(shí)際荷載狀態(tài)。提出除冰效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法如下：

（1）制備300mm×300m×50mm的基準(zhǔn)及HRRAM車轍試件。

（2）同條件下將基準(zhǔn)試件和HI：RAM試件形成一定厚度冰凌層，并低溫（-2℃或-4℃）恒溫4h。

（3）使環(huán)境溫度與冰凌試件溫度一致，然后將控制試驗(yàn)機(jī)膠輪對(duì)帶冰凌的試件進(jìn)行加載，加載強(qiáng)度為為0.7MPa。

（4）啟動(dòng)試驗(yàn)，保持橡膠輪在冰凌上往返20次。

（5）停止試驗(yàn)，卸載壓力，觀察冰凌的試驗(yàn)情況，整理結(jié)果計(jì)算得出冰凌破壞率，評(píng)價(jià)HRRAM的除冰效果。

為了評(píng)價(jià)室內(nèi)冰凌模擬試驗(yàn)中HRRAM的除冰效果，提出了觀察法和計(jì)算法這兩種適用于室內(nèi)試驗(yàn)研究的方法。觀察法是試驗(yàn)停止后對(duì)HRRAM試件表層的冰凌性狀進(jìn)行觀察，包括裂縫數(shù)量和裂縫寬度以及破碎程度等定性分析的方法。計(jì)算法是采用冰層的有效破損率入這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂的冰層有效破損率入是指模擬試驗(yàn)停止后對(duì)橡膠輪跡作用區(qū)的冰凌層產(chǎn)生裂紋數(shù)量、裂紋寬度以及長(zhǎng)度進(jìn)行疊加計(jì)算出所有裂縫長(zhǎng)度，用其除以橡膠輪作用區(qū)冰層的面積。為了研究溫度對(duì)HRRAM除冰的影響，采用基準(zhǔn)橡膠瀝青混合料試件和HRRAM試件分別在4mm、-2℃和4mm、-4℃條件下進(jìn)行冰凌模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見，圖2和表9。

從表9可以看出，在試件厚度和溫度都相同的條件下，HRRAM試件的冰層有效破損率明顯大于基準(zhǔn)瀝青混合料試件;從圖2中可見HRRAM試件表層的冰凌有裂紋、破損及冰凌破碎的跡象，而基準(zhǔn)橡膠瀝青混合料試件表層僅有少許裂紋出現(xiàn)，或者無(wú)任何變化。這說明HRRAM試件相對(duì)于基準(zhǔn)瀝青混合料試件有明顯的破冰效果。對(duì)比冰層厚度4m、-2℃和4mm、-4℃條件下HRRAM試件表層冰凌的破壞情況，發(fā)現(xiàn)一4℃條件下HRRAM試件冰層的有效破損率低于-2℃條件下HRRAM試件冰層的有效破損率。這說明HRRAM試件隨著溫度的降低其除冰效果逐漸降低，表明溫度對(duì)HRRAM試件的破冰效果有較大的影響，當(dāng)溫度>-4℃時(shí)，HRRAM試件的破冰效果較好。

為了研究冰層厚度對(duì)HRRAM試件破冰的影響，采用基準(zhǔn)橡膠瀝青混合料和HRRAM試件分別在2mm、4mm、7mm的冰凌厚度下進(jìn)行冰凌模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-2℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，在試驗(yàn)溫度均為一2℃的條件下，基準(zhǔn)瀝青混合料試件的冰凌層破損率雖然隨著冰凌層厚度的降低而有所增加，但是其增加的幅度不大;而HRRAM試件的冰凌層破損率隨著冰凌厚度的降低而增加的幅度相對(duì)較高。在相同的試驗(yàn)條件下，HRRAM試件的冰層破損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)瀝青混合料試件冰層破損率，由此可見HRRAM相比較于基準(zhǔn)瀝青混合料試件具有較好的除冰效果。當(dāng)冰層厚度>4mm時(shí)，HRRAM試件的冰層破損率<10%，破冰效果比較差，因此認(rèn)為I-RRAM試件在除冰效果方面更適應(yīng)于<4mm厚度的冰層。

5結(jié)語(yǔ)

（1）HRRAM對(duì)于橡膠顆粒的級(jí)配組成、形狀特性以及硬度都有嚴(yán)格的要求。在進(jìn)行HRRAM設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選形狀細(xì)長(zhǎng)扁平含量<10%且邵氏硬度≥55度的橡膠顆粒，推薦其通過篩孔尺寸4.75mm：2.36mm：1.18mm的級(jí)配范圍分別為95%～100%：10%～20%：O%～10%。

（2）HRRAM優(yōu)選SMA-13面層結(jié)構(gòu)有利于“集料一橡膠顆粒”之間形成密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，較好地抵制橡膠顆粒膨脹釋放的應(yīng)力，保證HRRAM材料具有良好的密實(shí)性。

（3）與橡膠瀝青混合料相比，HRRAM采用常規(guī)的一次性成型工藝壓實(shí)后容易發(fā)生膨脹、松散以及壓實(shí)度低的現(xiàn)象。為了避免這些問題，采用試件先在145℃～155℃進(jìn)行雙面各擊50次成型后室溫條件下冷卻至90℃～100℃時(shí)，再第二次雙面各擊25次最終成型。

（4）提出適用于HRRAM除冰凌模擬試驗(yàn)方法。該方法將靜載加荷方式進(jìn)行改進(jìn)，采用可以連續(xù)左右走動(dòng)的橡膠輪代替，既保證冰凌層受到豎向的荷載作用，同時(shí)又模擬了車輪對(duì)冰凌的剪切作用，更貼近于實(shí)際情況。

（5）與橡膠瀝青混合料相比，在相同的溫度和冰凌厚度情況下，HRRAM的除冰凌效果更好。但是冰凌的溫度和厚度情況對(duì)于HRRAM的除冰效果影響比較顯著。表現(xiàn)為隨著溫度的降低HRRAM的除冰效果逐漸降低;同樣隨著冰凌厚度的增加，HRRAM的除冰效果越來(lái)越差。綜合考慮認(rèn)為HRRAM除冰效果更適應(yīng)于<4mm度的冰層。