高彈粗糙型橡膠顆粒瀝青混合料技術研究

邵小軍 張龍

摘要：為了解決冬季高速公路路面冰凌所產生的嚴重危害，文章研究了高彈粗糙型橡膠顆粒瀝青混合料（HRRAM）的級配組成及拌合、成型工藝，并通過車轍試驗、低溫彎曲應變試驗和凍融劈裂試驗等分析了卜FRAM的高低溫性能和水穩定性能等路用性能，還通過室內HRRAM冰凌模擬試驗來評價HRRAM的除冰效果。試驗結果顯示：PRRAM的動穩定度、低溫彎曲應變、殘留穩定度和凍融劈裂強度分別為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%。這些結果表明PRRAM具有良好的路用性能和除冰凌效果。

關鍵詞：冰凌;瀝青混合料;橡膠顆粒;路用性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.007

文章編號：1673-4874（2019）08-0022-06

0引言

在冬季，高原山區潮濕路面經常出現冰凌，路面的抗滑性能也會受到大幅度折損，對交通安全影響嚴重。為了改善在冬季冰凌路面行車的安全性，從國內外研究來看，橡膠顆粒瀝青混合料在路面工程上的應用得到了普遍肯定，該材料具備較好的路面除冰功效。由于現行瀝青配合比設計方法不能滿足該除冰技術的需要，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HPRAM的橡膠顆粒的特征參數、瀝青混合料結構形式、主要材料選擇、級配、拌合及成型方法以及配合比的確定進行了研究。

HRRAM的實質是在混合料中摻加若干種或者一種具有級配的橡膠顆粒，用于取代因對應粒徑和體積數量的集料而設計的瀝青混合材料。該材料由于高彈、高形變能力的橡膠顆粒的存在，使得HRRAM瀝青路面結構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生集中多向應力，使路表和冰凌在荷載接觸面上產生相對不規則位移;而對于無荷載處或者遠離荷載處，冰凌和路表是相對靜止的，使路表冰凌產生內應力，由于冰凌層很薄，其自身以及冰凌與路表之間的粘結強度無法抵抗這些應力，這樣就會使冰凌在有荷HFBAM路面上產生破碎剝離，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，其用來填充瀝青混合料中的空隙，并且其表面會與瀝青之間發生一定的擴散作用，有利于改善HRRAM材料內有效瀝青的性質，橡膠顆粒與有效瀝青一同貢獻于HRRAM混合料的路用性能，橡膠顆粒自身的彈韌性和穩定性對于混合料的整體性能乃至混合料的減震效果都發揮作用。因此本文先對橡膠顆粒的級配組成、形狀特性以及彈性性能進行探討。

為了確定不同粒徑分布的橡膠顆粒對瀝青混合料的影響，參考國外最早出現商品化的橡膠顆粒材料Plus Ride的規范級配要求，試驗選取表1所示的三種不同級配的橡膠顆粒，內摻質量統一為2.5%，混合料級配采用規范中SMAl 3的級配中值，并分別進行了混合料空隙率、飛散損失試驗，試驗結果見表2。

由表2可以看出，采用Rubber-3設計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設計的混合料空隙率及飛散損失都相對較大，由此可以說明橡膠顆粒的級配對混合料的性能有較大的影響。分析這種結果的原因在于橡膠顆粒之間的干涉作用，尤其當級配較細時，容易出現結團的現象，導致混合料的空隙率和飛散損失等出現較大的增加。根據試驗結果，建議橡膠顆粒通過篩孔尺寸4.75mm：2.36mm：1.18mm的級配范圍分別為95%～100%：10%～20%：0%～10%。

根據現有的國內外科研成果，I'-RRAM應優選形狀細長扁平含量<10%且邵氏硬度≥55度的橡膠顆粒，其原理就是因為不良顆粒性狀對HRRAM材料負面影響較大，本文不再贅述。

2HRRAM組成設計方法

為了使混合料獲得良好的路用性能，對HRRAM原材料的要求及選擇、級配組成設計方法、油石比的確定、室內拌合和成型工藝等進行了研究。

2.1材料要求和選用

作為膠結料的瀝青選用中海品牌的A級70號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生產的玄武巖碎石，規格為5～10nln、10～15m。采用重慶渝北玉峰山生產的0～5mm的細集料和填料。采用0～3m及3～5mm安照1：6質量比摻配而成的橡膠顆粒，其各項檢測參數見表3。

2.2HRRAM級配組成設計

2.2.1HRRAM結構類型

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都可能造成后期混合料的膨脹過大進而增加內部空隙率，降低HRRAM的路用性能。因此HRRAM應選擇在壓實工藝相同條件下，混合料內部的空隙率最小，即膨脹率最小的面層結構類型。為了明確HRRAM的結構類型，試驗選取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%，設計級配選取規范級配范圍中級，擊實過程均采用雙面擊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。試驗結果見表4。

試驗結果表明SMA-13的膨脹率最小，HRRAM優選面層結構類型SMA-13才能保證混合料具有良好的密實性，提高混合料的路用性能。分析其原因為間斷級配混合料由于“集料一橡膠顆粒”之間形成了密實的骨架結構，具有牢固的嵌擠力，能有效抵制橡膠顆粒膨脹釋放的應力，因此其試件的膨脹率較低。

2.2.2HRRAM基準級配

HRRAM采用SMA-13型級配結構，橡膠顆粒以內摻的方法等體積替代部分集料。由于HRRAM和替代前SMA-13的骨架在結構上是完全相同的，因此可以從不摻加橡膠顆粒的SMA-13瀝青混合料研究HRRAM的最佳基準級配。在優化礦料級配時，應以4.75mm為關鍵篩孔，控制其通過率分別為29.3%、27.4%及26.5%，初試級配的選取和組成見表5。

根據SMA-13經驗油石比，取油石比為6。0%，按照馬歇爾方法制作馬歇爾試件，測定VMA及VFA等指標，測試結果見表6。

由表6可以看出，級配A、級配B和級配C均滿足壓實狀態下瀝青混合料中的粗集料骨架間隙率VCAmix小于沒有其他細集料、結合料等存在時的搗實狀態下的粗集料松裝間隙率VCADRC的要求，且VMA均>17.0%。但由于級配A的空隙率相對較小以及其各項指標較接近設計值，因此將級配A作為HRRAM的基準級配。

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構不變，內摻2.5%的橡膠顆粒等體積替換等粒徑的普通集料。根據已經確定的HRRAM的基準級配經計算機處理可得換算后的HRRAM設計級配見表7。依據現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行馬歇爾試驗來確定摻量為2.5%橡膠顆粒的HRRAM最佳油石比。

（1）HRRAM室內拌合和成型工藝

HRRAM采用常規的一次性成型工藝壓實后的混合料的結構容易發生膨脹、松散、壓實度較低等現象，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而引起的二次膨脹所致，對HR-RAM進行二次成型工藝壓實發現其膨脹率跟橡膠瀝青混合料幾乎一致。因此在拌合中，應首先使橡膠顆粒和已經加熱至180℃～185℃的粗、細集料在170℃～175℃下開始拌合，時間在25～35s為宜，再加入溫度為165℃HRRAM瀝青于拌合鍋內拌合60～120s，最后加入石灰石粉再拌合均勻。混合料成型方法的其他條件與馬歇爾試件成型方法的無異，只是擊實遍數和次數有所區別，即試件先在145℃～155℃進行雙面各擊50次成型后在室溫條件下冷卻至90℃～100℃時，再第二次雙面各擊25次最終成型。

（2）馬歇爾試驗結果

采用上述拌合和成型工藝進行的馬歇爾試驗結果見表8。

從試驗結果可知，摻量為2.5%橡膠顆粒的HRRAM在不同的油石比的條件下，混合料的體積參數均滿足設計技術要求。

根據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%的最佳油石比應選取6.4%。

3HRRAM路用性能檢驗

3.1高溫穩定性能

HRRAM高溫穩定性能采用車轍試驗方法。根據馬歇爾試驗得到的最佳油石比為6.4%，采用HRRAM室內拌合和成型工藝，制備一組試件進行車轍試驗。試驗溫度取60℃。試驗的結果為：動穩定度3624次/mm，符合現行JTG F40-2004中對夏熱區動穩定度≥3000次/mm的技術要求。

3.2低溫抗裂性

HRRAM的低溫性能檢驗采用低溫彎曲應變試驗。試件的拌合和成型方法與車轍試驗沒有區別。試件尺寸采用了30mm×35m×250mm（可用車轍試件加工）的試件，試驗溫度采用-10℃，按照JTGE20-2011中T0715-2011的試驗方法進行。試驗結果表明：橡膠顆粒摻量為2.5%的HRRAM試件在最佳油石比為6。4%時低溫彎曲應變為3648，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》對西南冬溫區改性瀝青混合料彎曲應變≥2500次/mm的技術要求。

3.3水穩定性

本文采用殘留穩定度和凍融劈裂試驗檢驗HRRAM的水穩定性。試驗結果得到殘留穩定度為85%，凍融劈裂強度比為80%，滿足規范對于改性瀝青混合料殘留穩定度≥80%以及凍融劈裂強度比≥75%的要求。

4HRRAM除冰凌性能研究

對HRRAM路面的除冰凌機理進行了研究，提出適用于HRRAM除冰凌模擬的試驗方法。采用室內HRRAM除冰凌的模擬試驗分別對不同溫度和冰層厚度下HRRAM除冰凌效果進行研究，并提出了除冰凌效果的評價方法和評價指標，確定了HRRAM路面除冰凌性能的適用范圍。

HRRAM路面除冰機理的研究表明，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調，再加上路表產生形變以及橡膠顆粒產生形變后必然導致路表溫度上升，造成了路表和冰凌接觸面的粘結力下降，這樣也就使得冰凌與路表之間極易發生相對位移，從而體現HRRAM路面有效除冰的優越性。

目前在路面除冰性能的研究中，劉曉鴻利用MTS材料的試驗系統，對試件施加靜荷載進行除冰試驗。但該試驗采用的是靜載加荷，而事實上路表冰層承受的車輛荷載是動態的，冰凌層和路面也不僅僅受到法向作用力，在動載行進方向上也受到切向作用力，并且距離接觸面越近荷載越大，因此對劉曉鴻的試驗方法進行如下改進，如下頁圖1所示。將靜載方式改進為采用連續走動的恒壓力橡膠輪代替作為動載，以更接近實際荷載狀態。提出除冰效果評價試驗方法如下：

（1）制備300mm×300m×50mm的基準及HRRAM車轍試件。

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

（3）使環境溫度與冰凌試件溫度一致，然后將控制試驗機膠輪對帶冰凌的試件進行加載，加載強度為為0.7MPa。

（4）啟動試驗，保持橡膠輪在冰凌上往返20次。

（5）停止試驗，卸載壓力，觀察冰凌的試驗情況，整理結果計算得出冰凌破壞率，評價HRRAM的除冰效果。

為了評價室內冰凌模擬試驗中HRRAM的除冰效果，提出了觀察法和計算法這兩種適用于室內試驗研究的方法。觀察法是試驗停止后對HRRAM試件表層的冰凌性狀進行觀察，包括裂縫數量和裂縫寬度以及破碎程度等定性分析的方法。計算法是采用冰層的有效破損率入這個評價指標。所謂的冰層有效破損率入是指模擬試驗停止后對橡膠輪跡作用區的冰凌層產生裂紋數量、裂紋寬度以及長度進行疊加計算出所有裂縫長度，用其除以橡膠輪作用區冰層的面積。為了研究溫度對HRRAM除冰的影響，采用基準橡膠瀝青混合料試件和HRRAM試件分別在4mm、-2℃和4mm、-4℃條件下進行冰凌模擬試驗，試驗結果見，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，而基準橡膠瀝青混合料試件表層僅有少許裂紋出現，或者無任何變化。這說明HRRAM試件相對于基準瀝青混合料試件有明顯的破冰效果。對比冰層厚度4m、-2℃和4mm、-4℃條件下HRRAM試件表層冰凌的破壞情況，發現一4℃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HRRAM試件的破冰效果有較大的影響，當溫度>-4℃時，HRRAM試件的破冰效果較好。

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

從圖3可以看出，在試驗溫度均為一2℃的條件下，基準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較高。在相同的試驗條件下，HRRAM試件的冰層破損率遠遠大于基準瀝青混合料試件冰層破損率，由此可見HRRAM相比較于基準瀝青混合料試件具有較好的除冰效果。當冰層厚度>4mm時，HRRAM試件的冰層破損率<10%，破冰效果比較差，因此認為I-RRAM試件在除冰效果方面更適應于<4mm厚度的冰層。

5結語

（1）HRRAM對于橡膠顆粒的級配組成、形狀特性以及硬度都有嚴格的要求。在進行HRRAM設計時，應優選形狀細長扁平含量<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的級配范圍分別為95%～100%：10%～20%：O%～10%。

（2）HRRAM優選SMA-13面層結構有利于“集料一橡膠顆粒”之間形成密實的骨架結構，較好地抵制橡膠顆粒膨脹釋放的應力，保證HRRAM材料具有良好的密實性。

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

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

（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于HRRAM的除冰效果影響比較顯著。表現為隨著溫度的降低HRRAM的除冰效果逐漸降低;同樣隨著冰凌厚度的增加，HRRAM的除冰效果越來越差。綜合考慮認為HRRAM除冰效果更適應于<4mm度的冰層。