穩定型橡膠改性瀝青混合料設計與工程應用

荊靖，董光彬，周濤，耿立濤

（1.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101；2.山東省高速路橋養護有限公司，山東濟南250032）

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展，國內廢舊車輛輪胎數量呈現快速增長的趨勢。據統計，我國每年的廢舊輪胎產量達1.3億條，占用土地資源、污染環境，且存在火災隱患［1］。將廢舊輪胎加工成橡膠粉、對其二次利用是國際上通用的處理方法，其中應用于公路行業是主要途徑之一［2－3］。除廢舊輪胎膠粉得以再生利用的優點之外，以橡膠粉制備橡膠瀝青可以提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，鋪筑的瀝青路面具有低噪音、長壽命、減薄路面厚度等優勢，并且橡膠粉可以替代常用的SBS等改性劑，經濟效益顯著［4－5］。

然而，目前道路工程中常用的橡膠瀝青存在下述主要缺點：（1）高溫制備、瀝青老化嚴重；（2）高溫粘度大、施工和易性差；（3）對反應時間敏感、存儲穩定性差；（4）現場生產工藝、設備周轉不便；以上缺點限制了其在實際工程中的推廣應用。

針對上述問題，山東建筑大學交通工程學院開展了橡膠瀝青專題研究，通過添加特殊助劑、采用特定生產工藝等方式，提高了橡膠瀝青的施工和易性和存儲穩定性、實現了橡膠瀝青的工廠化生產，將其命名為穩定型橡膠改性瀝青SRMA（stabilized rubber modified asphalt）［6－7］。

文章依托實際工程，針對穩定型橡膠改性瀝青開展了混合料設計、性能評價與工程應用等研究工作。在對穩定型橡膠改性瀝青技術性能試驗評價的基礎上，以其作為結合料設計了SMA-13型瀝青混合料，評價了穩定型橡膠改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性等路用性能，并以動態模量試驗分析了瀝青混合料的力學性能，設計成果應用于2013年京臺高速公路養護工程的表面層施工中。穩定型橡膠改性瀝青混合料具有良好的使用性能，經濟效益明顯。

1 穩定型橡膠改性瀝青的技術性能測試

本研究依托實際工程，對工廠化生產的成品穩定型橡膠改性瀝青分別進行了針入度分級體系和SHRP瀝青膠結料PG分級體系下的技術性能測試工作，試驗結果見表1。

由表1可以看出，穩定型橡膠改性瀝青具有較低的高溫粘度和離析指標，因而具有較好的施工和易性和存儲穩定性。從PG分級指標來看，穩定型橡膠改性瀝青達到了PG 76－28，優于常用的齊魯70＃瀝青（通常為PG 64－22）和SBS改性瀝青（通常為PG 70－28或PG 76－22），因此具有更廣的地區適用性。

表1 穩定型橡膠改性瀝青的技術性能

2 穩定型橡膠改性瀝青混合料SMA-13設計

本研究中SMA-13穩定型橡膠改性瀝青混合料設計所用原材料均來源于實際工程，粗、細集料均為優質玄武巖石料，粒徑分別為10～15、5～10和0～3 mm三檔，瀝青結合料選用前述工廠化生產的成品穩定型橡膠改性瀝青，填充料采用石灰巖磨細礦粉和木質素纖維。礦料篩分試驗和物理指標測試結果見表2、3，選定的設計級配曲線如圖1所示。

表2 礦料的篩分試驗結果

以馬歇爾方法進行SMA－13穩定型橡膠改性瀝青混合料設計。瀝青混合料拌和與馬歇爾試件成型時的控制指標如下：礦料加熱溫度為180～185℃，瀝青加熱溫度為165～170℃，在175～185℃條件下進行混合料拌和，然后在170～175℃進行馬歇爾試件成型，雙面各擊實75次。設計木質素纖維摻量為0.3%，經試驗確定最佳油石比為6.3%，有關設計參數的測試結果見表4，可見各項指標均滿足JTG F40—004《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求［8］。

表3 礦料的物理指標

圖1 SMA-13瀝青混合料設計級配曲線圖

表4 SMA-13瀝青混合料的設計參數

3 穩定型橡膠改性瀝青混合料SMA-13的路用性能與力學性能評價

對所設計的SMA-13穩定型橡膠改性瀝青混合料進行了高溫、低溫和水穩定性的性能評價。依據JTG F40—004《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求［8］，瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性分別采用60℃車轍試驗測定的動穩定度、－10℃小梁彎曲試驗測定的破壞應變和凍融劈裂試驗測定的凍融劈裂比進行評價，試件成型及性能測試依據JTG E20—011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行［9］。為進行對比，還以我省常用的SBS改性瀝青，制備了相同級配和油石比的試件，并進行了相應的路用性能對比試驗。

表5列出了兩種混合料各項路用性能指標的測試結果，可見兩種瀝青混合料的技術指標均滿足規范要求。由凍融劈裂比的測試結果比較可以看出，二者的水穩定性接近，而在高、低溫性能上，穩定型橡膠改性瀝青混合料具有優勢，動穩定度和破壞應變分別提高了18.5%和12.8%。

表5 兩種混合料路用性能指標測試結果

對SMA－13穩定型橡膠改性瀝青混合料進行了動態模量試驗，用以評價其力學性能。瀝青混合料以旋轉壓實儀成型并切割成100 mm（直徑）×150 mm（高）試件。動態模量試驗在瀝青混合料簡單性能試驗系統（SPT）上進行，試驗溫度序列取為5、20、30和45℃，每個溫度條件下，加載頻率分別為 10、5、、5.1和 0.5 Hz。為進行對比，還以我省常用的SBS改性瀝青，制備了相同級配和油石比的試件，并進行了動態模量對比試驗。基于測試結果，依據時間—溫度轉換原理建立了兩種瀝青混合料的動態模量主曲線［10－12］，如圖 2所示。

圖2 穩定型橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的動態模量主曲線

可以看出，高頻荷載（相當于低溫條件）作用下，穩定型橡膠改性瀝青混合料的動態模量低于SBS改性瀝青混合料，表明其具有更優的低溫性能；而低頻荷載（相當于高溫條件）作用下，穩定型橡膠改性瀝青混合料的動態模量可達SBS改性瀝青混合料的1.3倍，對抵抗高溫車轍更加有利。此外，力學性能分析結果與前述對穩定型橡膠改性瀝青及其混合料的技術性能分析結果一致。

4 工程應用

文章的研究成果在2013年7～8月京臺高速公路曲阜段養護維修工程中得到了應用，SMA－13穩定型橡膠改性瀝青混合料用于東幅樁號K528＋200～K522＋100施工段落的表面瀝青層施工，單層鋪筑厚度為4 cm，現場施工照片如圖3所示。施工完成運營至今，路況良好、未見任何病害，表明了穩定型橡膠改性瀝青及瀝青混合料良好的路用性能。此外，與常用的改性瀝青相比，使用穩定型橡膠改性瀝青鋪筑瀝青路面，材料成本節支達10%。

圖3 施工及現場照片圖

4 結論

文章依托實際工程，在穩定型橡膠改性瀝青技術性能評價的基礎上，設計了SMA-13型穩定型橡膠改性瀝青混合料，分析了瀝青混合料的路用性能和力學性能，設計成果成功應用于京臺高速公路曲阜段養護維修工程中。結果表明：

（1）穩定型橡膠改性瀝青的性能分級為PG 76－28，優于常用的SBS改性瀝青。

（2）與常用的SBS改性瀝青混合料相比，穩定型橡膠改性瀝青混合料的動穩定度和破壞應變分別提高了18.5%和12.8%，表明其在高、低溫性能方面均具有優勢。

（3）穩定型橡膠改性瀝青混合料具有良好的使用效果和經濟效益。

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