溫拌橡膠瀝青混合料性能研究與級配優化＊

王 翼 劉黎萍

（同濟大學交通運輸工程學院 上海 201804）

橡膠瀝青混合料由于其突出的環保優勢和足夠的高溫穩定性，已逐步在國內道路工程中得到應用［1］。其中級配選擇以美國亞利桑那州推薦的ARAC－13為代表［2］。與普通間斷級配混合料不同，熱拌ARAC－13橡膠瀝青混合料的主要特點有：①油石質量比高，通常為7%～9%；②粒徑小于0.075mm的礦粉填料含量小于3%、主要以膠結料填充空隙，形成間斷級配骨架密實結構；③空隙率大，設計空隙率為4.5%～6.5%，高于SMA等間斷級配混合料1%～2%。熱拌ARAC－13橡膠瀝青混合料具有較好的高溫穩定性與水穩定性。但是橡膠瀝青粘度高、油膜厚，導致混合料需要較高的生產及施工溫度［3］。這在一定程度上限制了橡膠瀝青混合料推廣應用的空間和時間范圍。因此，降低橡膠瀝青混合料的生產及施工溫度成為需要解決的問題。基于表面活性劑的溫拌技術可有效改善較低拌和與成型溫度下膠結料與集料的粘附性，從而提高混合料在較低溫度下的施工和易性與可壓實性［4］。

筆者綜合考慮橡膠瀝青混合料的材料特性，選擇集料及其級配作為研究對象。首先通過室內試驗對比分析采用不同粗集料熱、溫拌ARAC－13橡膠瀝青混合料的體積參數和性能指標；然后根據試驗結果和現象進行級配優化調整，使溫拌橡膠瀝青混合料獲得更好的高溫穩定性和水穩定性。對材料設計參數與性能指標進行相關性分析，確定溫拌橡膠瀝青混合料的設計參數建議值。

1 材料與試驗方案

1.1 橡膠瀝青與溫拌劑

本研究所采用的橡膠瀝青制備原料為A級殼牌70號道路石油瀝青與浙江產20目大貨車鋼絲胎常溫研磨回收膠粉，膠粉內摻18%，參考美國亞利桑那州橡膠瀝青標準進行膠粉目數控制，其中介于30目與16目之間的膠粉顆粒約占總量的71.7%。橡膠瀝青實驗室制備采用強力攪拌器，轉速根據橡膠瀝青反應過程中的粘度變化控制在200～400r／min，反應溫度維持在180℃，反應時間為60min。為保證橡膠瀝青混合料性能試驗結果的穩定性，本研究采用的橡膠瀝青均為現用現拌。實驗室制備的橡膠瀝青性能指標良好，符合我國《公路工程廢胎膠粉橡膠瀝青》各項設計要求，見表1。

表1 橡膠瀝青性能指標檢測結果

溫拌劑采用基于表面活性劑的DAT－H5 10%稀釋液，在混合料拌和之前與瀝青按照1∶9的質量比混合。DAT－H5能夠在瀝青混合料拌和過程中，在膠結料和集料之間形成潤滑層，是實現溫拌瀝青混合料工作性的關鍵成分。該型溫拌劑的物理作用機理對膠結料性質無顯著影響。

1.2 集料與級配

本研究采用的集料為高等級公路磨耗層常用的輝綠巖、玄武巖與石灰巖3種，4.75mm及以上粒徑粗集料為輝綠巖或玄武巖，細集料采用石灰巖，填料為礦粉。普通硅酸鹽水泥常作為橡膠瀝青混合料抗剝落劑。20目膠粉由于顆粒較粗、比表面積小，橡膠瀝青制備、儲存、施工過程中不易在高溫瀝青中過度溶脹降解，從而使橡膠瀝青具備一定的瀝青膠漿性質。因此需要級配提供足夠的VMA得以容納，而且對骨架結構的干擾作用較強。美國亞利桑那州規范推薦橡膠瀝青混合料使用的ARAC－13間斷級配具有高目標空隙率、高油石質量比和高VMA的特點。出于對高油量瀝青混合料高溫穩定性的考慮，本研究設計粗型ARAC－13級配見表2。

表2 ARAC－13設計級配

ARAC－13橡膠瀝青混合料均外摻集料質量1%的普通硅酸鹽水泥作為抗剝落劑。

1.3 試驗方案

本研究采用單一因素分析法，盡可能將除對比因素之外的影響條件作統一處理。以動穩定度與凍融劈裂強度比作為評價混合料高溫穩定性與水穩定性的指標，首先對比不同粗集料及拌和溫度對熱、溫拌ARAC－13橡膠瀝青混合料高溫穩定性和水穩定性的影響，根據試驗現象與結果分析ARAC－13級配應用于溫拌橡膠瀝青混合料的技術可行性；然后通過室內試驗從提高混合料高溫穩定性與水穩定性的角度，探討適用于溫拌橡膠瀝青混合料的級配優化方法。

2 試驗結果與分析

2.1 ARAC－13級配溫拌橡膠瀝青混合料性能

為便于同熱拌橡膠瀝青混合料作體積參數與性能作對比，溫拌橡膠瀝青混合料的油石質量比采用熱拌料的最佳油石質量比。熱拌ARAC－13橡膠瀝青混合料最佳油石質量比的確定采用馬歇爾設計法，瀝青溫度180℃，集料溫度185℃，拌和溫度180℃；考慮到施工過程中的短期老化，混合料成型之前在165℃溫度下貯存2h后成型，目標空隙率為4.5%～6.5%，最佳油石質量比確定見表3。

表3 熱拌ARAC－13最佳油石比

試驗過程當中發現165℃下馬歇爾試件雙面擊實75次完成后，若立即依照試驗規程要求橫向放置，混合料易發生坍落造成試件中部凸起或散料。成型試件需連同擊實底座冷卻15min后再橫向放置。自然冷卻脫模后觀察，輝綠巖試件均出現不同程度體積膨脹，玄武巖試件未發生顯著變化。為進一步觀察輝綠巖熱拌料的可壓實情況，研究人員按照最佳油石比及同樣的拌和成型溫度，采用SHRP旋轉壓實機旋壓75次成型，自然冷卻脫模后發現試件形態不平整、頂面隆起變形嚴重。

相同級配下反映使用不同類型粗集料制備的混合料可壓實性的試驗現象表明膠結料與集料之間粘附性具有明顯差別，這種差異可能與基質瀝青、膠粉和集料等材料的自身特性有關，孤立地檢測其中一項可能難以發現問題，因此將橡膠瀝青混合料組成成分之間的這種模糊影響關系稱為配伍性。水煮法、水浸法等評價瀝青與集料之間粘附性的試驗方法過于依賴操作人員的經驗判斷，難以建立統一的準確量化標準。選擇動穩定度與凍融劈裂強度比2個指標作為衡量參數，從高溫穩定性和水穩定性方面評價本研究所用粗集料與膠細料的配伍性，見表4。

表4 熱拌ARAC－13動穩定度和凍融劈裂強度比

由表3和4可見，輝綠巖試件的膨脹變形導致了高油量下的較大空隙率。體積參數與性能指標說明玄武巖與本研究所用膠結料的配伍性優于輝綠巖。

采用熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比制備相應的溫拌料，以10℃為梯度逐次降低拌和溫度與集料溫度，拌和完成后于壓實溫度下（低于拌和溫度10℃）保溫2h成型馬歇爾試件。隨拌和溫度和集料溫度的降低，空隙率逐漸增大，輝綠巖試件的膨脹現象也逐漸減弱。按目前的油石比質量比，根據ARAC－13的目標空隙率范圍，確定溫拌橡膠瀝青混合料最低拌和溫度確定為160℃，見表5。

表5 溫拌ARAC－13基本體積與性能參數

相同油石質量比的溫拌橡膠瀝青混合料與熱拌料相比，空隙率、VMA和VFA的增大說明：隨拌和溫度的降低，一方面混合料的可壓實性在逐漸惡化；另一方面，有效瀝青含量的增加反映了集料與膠結料粘附性的降低。由此帶來混合料高溫穩定性和水穩定性的衰減見表6。

表6 溫拌ARAC－13動穩定度和凍融劈裂強度比

表6所示各項性能指標已不滿足高等級公路對于磨耗層材料的設計要求，增加油石質量比勢必造成材料高溫性能的進一步降低。適用于熱拌橡膠瀝青的ARAC－13級配對于基于表面活性劑的溫拌橡膠瀝青混合料設計須做進一步改進。

2.2 溫拌橡膠瀝青混合料的級配優化

基于ARAC－13做級配優化的基本出發點和思路是：表面活性劑對于橡膠瀝青混合料當中膠結料與集料之間的“潤滑”作用有限；油膜厚、粘度較大的橡膠瀝青含量過高導致膠結料當中粗膠粉對級配的干涉作用增強、壓實功要求提高，進而造成溫拌橡膠瀝青混合料出現不同程度的壓實困難和性能不佳的問題；溫拌調整級配以“減油”、“增強”為目的，進一步加強混合料的骨架結構、適當降低油石質量比。合理選擇優化因素，對ARAC－13做出相應調整，對溫拌橡膠瀝青混合料的級配做優化研究。

經大量室內探索性試驗與現象觀察，確定基于ARAC－13級配的調整主要考慮以下幾個方面：①基本保持4.75mm以上粗集料含量不變，對粗集料局部級配做調整、提高大粒徑集料含量，嘗試降低混合料VMA。經驗表明，更明顯的骨架結構具備更好的高溫穩定性；②減少2.36mm及以下粒徑細集料含量，以礦粉作為填料將ARAC－13以橡膠瀝青填充空隙的密實方式改為以細集料和瀝青膠漿為主；③2.36mm為間斷級配骨架結構的關鍵性篩孔，其通過率變化對混合料各體積參數影響顯著，可作為級配主要控制指標以便于規律性總結。

首先將4.75～9.5mm檔含量降低，提高9.5 mm及以上大粒徑集料的含量；其次，選擇2.36 mm及以下篩孔進行調整，即在級配曲線上將ARAC－13的對應曲線以2.36mm篩孔作為控制點逐步向上移動并通過空隙率控制調整幅度。選取諸多試驗級配當中2.36～4.75mm檔含量最低、性能最優的作為級配I和該檔集料含量最高、各項性能指標下降至規范要求附近的作為級配II。確定級配I與級配II作為可接受設計級配范圍的上下限，見表7。

表7 溫拌橡膠瀝青混合料級配優化調整

橡膠瀝青制備方法與各項指標同上節所述；粗集料采用玄武巖，為反映級配對溫拌瀝青混合料高溫穩定性與水穩定性的影響，不再添加水泥作為抗剝落劑；拌和溫度為160℃，拌和完成后150℃養生2h成型。馬歇爾試驗結果見表8，動穩定度和凍融劈裂試驗結果見表9。

表8 溫拌橡膠瀝青混合料最佳油石比確定

表9 動穩定度和凍融劈裂強度比

由以上試驗結果可見，優化調整后的溫拌橡膠瀝青混合料級配能夠使材料具備明顯優于ARAC－13級配溫拌料、不弱于熱拌料的高溫穩定性和水穩定性，達到了降低油石比、提高材料強度的目的。說明根據集料、基質瀝青和膠粉的配伍性適當調整ARAC－13的級配，既可保證混合料的骨架特征，又發揮出了橡膠瀝青的材料特性。基于ARAC－13的溫拌橡膠瀝青混合料級配優化是可行的。

但是，類似于ARAC－13或SMA的間斷級配在設計之初往往僅考慮到應用于熱拌瀝青混合料，對于溫拌橡膠瀝青混合料尚缺乏有關級配設計的建議指標。油石質量比、VMA和空隙率作為直接反映級配設計和配合比設計的主要指標，分別與混合料的高溫穩定性和水穩定性具有良好的線性相關性。對于間斷級配的骨架密實結構，20目膠粉粒徑偏大，過高的油石比使膠結料對級配的干涉作用增強，加之橡膠瀝青在低溫下粘度較大，混合料難以壓實造成的空隙率、VMA過高必然導致動穩定度和凍融劈裂試驗結果不佳。

根據試驗結果，建議溫拌橡膠瀝青混合料的油石質量比、VMA和空隙率的上限值分別為7.5%、22%和4%，在此控制指標內設計材料級配可使混合料獲得較好的試驗性能。從經濟角度分析，7.5%的油石比當中基質瀝青和膠粉用量分別為6%和1.5%，與具有同樣骨架密實結構的SBS改性瀝青SMA相比，具有一定的經濟效益優勢。

3 結論

（1）粗集料類型對橡膠瀝青混合料的可壓實性影響顯著，橡膠瀝青混合料設計應當考慮集料與膠結料的配伍性。從性能與體積參數來看，采用玄武巖的橡膠瀝青混合料優于輝綠巖。

（2）熱、溫拌橡膠瀝青混合料不宜采用相同的級配設計思路。油石質量比、VMA對溫拌橡膠瀝青混合料的高溫穩定性影響顯著；混合料密實、空隙率較小對混合料的水穩定性有利。油石質量比過高易導致壓實困難，溫拌橡膠瀝青混合料級配設計可考慮采用比ARAC－13更明顯的骨架結構，并以橡膠瀝青與礦粉填料組成的瀝青膠漿填隙。

（3）通過級配優化調整，溫拌橡膠瀝青混合料可顯著提高高溫穩定性和水穩定性。

［1］王旭東，李美江，路凱冀.橡膠瀝青及混凝土應用成套技術［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］呂偉民，孫大權.瀝青混合料設計手冊［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］許愛華，郭朝陽，盧 偉.廢胎膠粉橡膠瀝青改性機理研究［J］.交通科技，2010（3）：87－89.

［4］秦永春，黃頌昌，徐 劍，等.基于表面活性劑的溫拌SMA混合料性能［J］.建筑材料學報，2010，13（1）：32－37.