橡膠瀝青混合料配合比及路用性能探析

李月霞

（1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司，石家莊 050000；2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050000）

1 引言

橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)過程中受到多方面因素的影響，容易出現(xiàn)各項(xiàng)問題，需要人們結(jié)合該材料特點(diǎn)，加大配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究力度，增強(qiáng)路用性能，為人們提供更加安全、優(yōu)質(zhì)的出行服務(wù)。

2 研究背景

我國汽車工業(yè)迅速發(fā)展的過程中，不斷增加廢舊橡膠產(chǎn)量。廢舊橡膠屬于高分子材料，降解處理難度大，是環(huán)保工作中的一大難題。因此，廢舊輪胎的無害化、資源化處理對緩解自然環(huán)境問題、經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、解決橡膠資源緊缺意義重大。我國相關(guān)作業(yè)逐漸采用廢舊輪胎膠粉生產(chǎn)橡膠瀝青，在生產(chǎn)過程中向?yàn)r青內(nèi)添加橡膠粉，可生產(chǎn)改性瀝青。橡膠瀝青在路面施工中應(yīng)用能夠有效增強(qiáng)路面抗疲勞和抗裂性、耐久性、抗老化和氧化性，同時(shí)有效增強(qiáng)路面抗車轍能力，增加道路安全系數(shù)，獲得良好的社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[1]。

3 工程概況

某高速公路起止里程為K0+000~K24+000，標(biāo)段內(nèi)主線長24 km，包含多處位置的互通立交，部分路段按照雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，部分路段按照雙向六車道建設(shè)，上面層選擇應(yīng)用橡膠瀝青路面，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，同時(shí)設(shè)置工程瀝青拌和站。

4 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

4.1 合理選擇原材料

4.1.1 瀝青

本工程選用橡膠瀝青材料過程中，主要應(yīng)用廢舊輪胎橡膠粉改性SK90號A級瀝青作為膠結(jié)料，25℃橡膠瀝青密度為1.046 g/cm3，其性能規(guī)定和檢測結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

4.1.2 礦粉

本工程選擇礦粉當(dāng)作填料，能充分填充該混合料的多余空隙，同時(shí)有效發(fā)揮礦粉的應(yīng)用優(yōu)勢，增強(qiáng)混合料的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。本工程礦粉含水量為0.95%，無結(jié)塊問題，表觀密度為2.813 g/cm3，粒徑不大于0.075 mm的占比達(dá)94%，全部符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4.1.3 粗、細(xì)集料

本工程選用集料具有表面干燥、無任何雜質(zhì)、耐風(fēng)化性能良好的特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的棱角性，無細(xì)長顆粒和集料扁平形狀的現(xiàn)象。原材料中集料選擇需要保證其憎水性，表面不能存在夾層等，避免對材料的黏結(jié)作用產(chǎn)生不良影響，特別是其對集料、瀝青之間的黏結(jié)作用容易受到較大影響，甚至出現(xiàn)混合料松散現(xiàn)象。

4.1.4 纖維

本工程應(yīng)用骨架密實(shí)型橡膠瀝青混合料，同時(shí)適當(dāng)增加適量的木質(zhì)纖維素，保持摻量是混合料質(zhì)量的0.3%，能夠有效增強(qiáng)填料和瀝青之間的黏結(jié)力，提高混合料的穩(wěn)定性。

4.2 規(guī)范設(shè)計(jì)橡膠顆粒粒徑

我國相關(guān)人員針對廢舊橡膠輪胎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果充分表明天然橡膠與合成橡膠相比對瀝青影響較好[2]。所以，本工程應(yīng)用天然橡膠，橡膠顆粒檢測結(jié)果見表1。

表1 橡膠顆粒檢測結(jié)果

橡膠顆粒粒徑對瀝青混凝土路面的回彈性能、混合料孔隙率產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而和其路用性能具有直接關(guān)系。所以，本工程施工人員需要綜合考慮橡膠顆粒粒徑大小，分析混合料的多項(xiàng)性能，保證其符合細(xì)集料粒徑范圍要求。本工程應(yīng)用的橡膠瀝青混合料選擇間斷級配，去除的集料粒徑范圍在2.36~4.75 mm，同時(shí)相關(guān)工作人員綜合考慮到拌和操作，小于1.18 mm粒徑的橡膠顆粒在拌和過程中容易出現(xiàn)溶脹作用，回彈性能較低，在選擇過程中應(yīng)避免該顆粒粒徑。

本工程最終選用1.18~2.36 mm，2.36~4.75 mm這兩種尺寸的橡膠顆粒粒徑，摻配替換比為2.8%、3.8%，同時(shí)明確油石比為5.9%、6.2%、6.5%、6.7%。相關(guān)工作人員開展馬歇爾試驗(yàn)測定該混合料，獲得混合料孔隙率，明顯發(fā)現(xiàn)瀝青混合料孔隙率隨著瀝青用量的增加具有下降趨勢[3]。橡膠顆粒粒徑在2.36~4.75 mm，橡膠顆?？紫堵蕿?%~8%，相對穩(wěn)定，但是在橡膠顆粒粒徑為1.18~2.36 mm時(shí)，橡膠顆?？紫堵始s為4.5%。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

間斷級配設(shè)計(jì)方案能夠充分發(fā)揮粗集料和細(xì)集料之間的作用，呈現(xiàn)良好的骨架支撐效應(yīng)，增強(qiáng)混合料的抗車轍性能。在該結(jié)構(gòu)中，細(xì)集料、橡膠顆粒的粒徑相對較小，增強(qiáng)了混合料的密實(shí)性，同時(shí)骨架空隙的多余空間能夠?yàn)闉r青、橡膠顆粒提供由于遇熱溶脹出現(xiàn)體積增加的發(fā)展空間，形成較好的力學(xué)效應(yīng)。本工程應(yīng)用間斷級配設(shè)計(jì)方案，不斷優(yōu)化橡膠瀝青混合料的配合比。

4.4 明確橡膠替換方案

相關(guān)人員綜合考慮集料、橡膠顆粒之間存在的差異性，在瀝青混合料中加入橡膠顆粒，替代原有集料，但是力學(xué)性能和集料不同，轉(zhuǎn)變了其內(nèi)部力學(xué)效應(yīng)。另外，集料密度和橡膠顆粒相比具有明顯差別，前者是后者密度的2倍以上。施工人員應(yīng)用相同質(zhì)量替換集料的方案，橡膠顆粒和等質(zhì)量的集料體積相比較大[4]。因此，本工程施工人員應(yīng)用主骨架空隙填充法，校正橡膠替換方案，經(jīng)計(jì)算分析目標(biāo)空隙率初擬值，同時(shí)結(jié)合瀝青、礦粉和橡膠顆粒等原材料的實(shí)際用量，獲得瀝青混合料的粗細(xì)集料質(zhì)量占比，最后進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)獲得混合料中瀝青量。

5 計(jì)算摻配比

5.1 粗集料質(zhì)量摻配比

本工程的橡膠瀝青混合料選用間斷級配，去除集料粒徑范圍為2.36~4.75 mm。相關(guān)工作人員計(jì)算獲得4.75~9.6 mm及9.6~13.2 mm粒徑區(qū)間的粗集料配比，獲得橡膠瀝青混合料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，明確粗集料質(zhì)量摻配比，即在4.75~9.6 mm粒徑區(qū)間的粗集料占比37%，在9.6~13.2 mm粒徑區(qū)間的粗集料占比63%，該混合料的孔隙率呈現(xiàn)出最小值為36.88%。

5.2 明確材料配比、最佳石油化

本工程初步擬定礦粉、瀝青和橡膠顆粒摻配比例分別為9.5%、6.5%、2.8%，目標(biāo)孔隙率為4%。工作人員結(jié)合CAVF法設(shè)計(jì)理論，計(jì)算出原材料摻配比例，如油石比6.5%、礦粉9.5%、細(xì)集料8.2%、橡膠顆粒2.8%、4.75~9.6 mm粗集料29.3%、9.6~13.2 mm粗集料47.9%。另外，本工程相關(guān)工作人員以2.8%摻配比的橡膠顆粒瀝青混合料為基礎(chǔ)，應(yīng)用馬歇爾分別測定和計(jì)算不同石油比，獲得結(jié)果見表2，進(jìn)而明確橡膠瀝青混合料最佳石油比，最佳瀝青用量為6.5%，在測驗(yàn)過程中相關(guān)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)[5]。

表2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

6 路面性能分析及檢測

6.1 分析

6.1.1 穩(wěn)定性

橡膠瀝青路面具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性能，主要是間斷級配提供了良好的嵌擠效果，并且橡膠瀝青自身具有較高的黏結(jié)性和回彈性。橡膠瀝青路面在車輛反復(fù)荷載的影響下，具有優(yōu)良的微彈性恢復(fù)能力，同時(shí)對礦料具有良好的整體膠結(jié)效果，進(jìn)而使橡膠瀝青路面體系更加穩(wěn)固，將集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榫己奢d，并且隨著荷載距離的擴(kuò)散逐漸減小應(yīng)力，形成總變形量減小，抗變形強(qiáng)度模量大的力學(xué)性能。橡膠瀝青是基質(zhì)瀝青摻入相應(yīng)比例膠粉，攪拌均勻形成的改性瀝青，在軟化點(diǎn)、延度和針入度的指標(biāo)上具有良好的表現(xiàn)，體現(xiàn)出該材料具有低溫度敏感性、常溫硬度、材料韌性，對提高路面高溫穩(wěn)定性作用顯著。

6.1.2 低溫抗裂性

橡膠瀝青中橡膠顆粒均勻分布，該材料的路面依靠膠粉顆粒的阻裂作用促進(jìn)其和常規(guī)瀝青路面相比低溫抗裂性能較高，能夠有效防止來自基層的反射裂縫，同時(shí)能夠高效分化由于上部荷載作用產(chǎn)生的擴(kuò)散裂縫。當(dāng)前我國室內(nèi)試驗(yàn)主要采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)針對橡膠瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行綜合評價(jià)，在試驗(yàn)開展過程中能夠高效模擬低溫條件下路面受荷載影響的開裂現(xiàn)象，結(jié)合加載過程、小梁試件的撓度變形持續(xù)增加的規(guī)律，詳細(xì)分析橡膠瀝青材料對其混合料抗裂性能的促進(jìn)效果。

6.2 檢測

6.2.1 檢測構(gòu)造深度

本工程工作人員主要選用鋪砂法檢測橡膠瀝青路面構(gòu)造深度，在周期性觀測過程中，本工程橡膠瀝青路面構(gòu)造深度檢測值全面符合國家和行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)間斷級配和連續(xù)級配橡膠瀝青路面的表面紋理構(gòu)造相比效果更佳，主要由于間斷級配礦料生成優(yōu)良的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。兩種路面在行車荷載的影響下，石料表面存在一定的瀝青膜脫落情況，但是連續(xù)級配橡膠瀝青路面更加嚴(yán)重，充分表明其瀝青和礦料之間黏結(jié)性較差，造成該種路面構(gòu)造深度呈現(xiàn)出小幅度增加現(xiàn)象。

6.2.2 噪聲檢測

本工程工作人員開展輪胎路面噪聲檢測試驗(yàn)過程中采用隨車聲強(qiáng)法，綜合評價(jià)不同路面類型的降噪性能，可以發(fā)現(xiàn)：

1）車速持續(xù)增加的情況下，相同路面的輪胎立面噪聲的A計(jì)權(quán)聲強(qiáng)度持續(xù)增加，當(dāng)車速每增加20 km/h時(shí)，噪聲值平均增加3 dB。

2）保持車速相同時(shí)，間斷級配橡膠瀝青路面噪聲值最低。

3）多種路面類型的噪聲檢測過程中，連續(xù)級配路面的噪聲水平相對較明顯，間斷級配路面噪聲水平和AC路面相比較弱，詳細(xì)分析其噪聲頻程頻譜曲線發(fā)現(xiàn)其能夠減弱處于人耳敏感區(qū)域噪聲尖峰，主要因?yàn)殚g斷級配橡膠瀝青路面表面紋理相對較豐富，能夠吸收輪胎和路面之間形成的泵吸噪聲。

7 結(jié)語

橡膠瀝青混凝土路面配合比設(shè)計(jì)方面需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善，需要相關(guān)人員詳細(xì)分析橡膠瀝青混合料的特征，深入研究其配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用等體積替換法重新設(shè)計(jì)其配合比，之后應(yīng)用馬歇爾試驗(yàn)獲得混合料最佳瀝青量，全面提高其路用性能。