級配類型對橡膠改性瀝青混合料路用性能的影響分析

余麗平

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來，橡膠粉應用于瀝青路面作為交通運輸部重點推廣應用成果之一，也是世界各國處理廢舊輪胎的主要方法。將輪胎加工為橡膠粉應用于公路建設，不僅節約瀝青材料，也能降低污染，對保護環境具有重要意義。相對于傳統基質瀝青，橡膠粉改性瀝青對路面性能改善具有顯著作用，開展對橡膠粉改性瀝青的體系研究具有重要意義。董大偉等分析了利用橡膠粉制備高黏瀝青的主要比例，指出采用活化膠粉能夠顯著提高高黏瀝青的性能，且成本也顯著下降[1]。許新權等研究了粉膠比變化對橡膠瀝青膠漿的高低溫性能的影響，利用水泥、消石灰等材料作為添加劑分析對瀝青膠漿高溫穩定性和低溫性能的影響，指出二者均對高溫性能具有改善效果，對低溫性能具有劣化作用[2]；陳文生研究了橡膠粉、SBS改性劑復合改性瀝青的各項性能，提出了SBS和橡膠粉的最佳摻量[3]；黃慶慶等研究了粉膠比變化對瀝青混合料路用性能的影響，指出不同粉膠比對瀝青混合料路用性能貢獻不同，對于AC-16級配，粉膠比宜選擇1.0左右[4]；褚付克等研究了“Ⅰ法”“貝雷法”級配對橡膠瀝青混合料路用性能的影響，提出了集料關鍵篩孔通過率，為斷級配應用提供了指導[5]。

綜上所述，橡膠改性瀝青應用成果主要涉及橡膠瀝青的制備、施工技術等方面，對級配適應性研究較少，且橡膠瀝青路用性能的評價指標在國內沒有統一的標準。本文研究分析連續密級配、骨架嵌擠級配和間斷級配成型瀝青混合料路用性能，為橡膠瀝青推廣應用提供技術支持。

1 原材料及級配設計

1.1 原材料

集料選擇輝綠巖，礦粉為石灰巖磨制，由廣西百色市程景砂石加工有限公司提供。瀝青選擇殼牌70#基質瀝青，由(殼牌)天津石油化工有限公司提供。橡膠粉由武漢合得利橡膠粉有限公司提供，粒徑為40目。相關試驗結果見表1～3。

表1 集料檢測結果表

表2 70#基質瀝青檢測結果表

表3 橡膠粉檢測結果表

1.2 級配設計

研究選擇連續密級配AC-13C、間斷級配AR-AC13和S型級配進行對比分析。3種級配曲線見圖1；馬歇爾試驗基本參數見表4(膠粉摻量20%)。根據對試驗參數的分析可知，AC-13C的最佳油石比和S級配相接近，在5.0左右，而AR-AC13的最佳油石比為5.8%，且礦料間隙率、空隙率均最大，依次為AC-13C

圖1 三種不同合成級配曲線圖

表4 3種不同級配最佳油石比下馬歇爾參數表

2 高溫性能分析

研究采用60 ℃車轍試驗進行高溫性能驗證，并選擇膠粉摻量為15%的膠粉瀝青進行對比(低溫彎曲破壞試驗、水穩定性試驗也進行該摻量下的性能分析)，試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 3種級配瀝青混合料動穩定度試驗結果對比柱狀圖

圖3 3種級配瀝青混合料最大車轍深度試驗結果對比柱狀圖

由圖2～3可知：

(1)對橡膠瀝青混合料而言，級配變化對高溫性能影響顯著，骨架嵌擠型級配高溫性能最佳，AC-13C級配居中，AR-AC13級配最差。動穩定度值關系：S級配>AC-13C>AR-AC13，S級配屬于骨架嵌擠型，AR-AC13屬于間斷級配，動穩定度值大小與級配類型相關。間斷級配中礦料間隙率大，且0.075 mm以下的集料偏少，整個級配難以形成良好的骨架填充效果，導致高溫性能偏低。

(2)膠粉摻量增加也顯著提高了動穩定度值，3種瀝青混合料高溫性能均得到改善，其中S級配改善效果最佳，AR-AC13次之，AC-13C最差，動穩定度改善幅度分別為76.9%、46.1%和41.2%。膠粉摻量增加，有效提高了瀝青膠結料的體積比，瀝青的黏度更大，在骨架類型級配中填充效果更為顯著，彌補之前整個級配結構的不足，而密級配結構中空隙率低，對整個結構起粘結效果。

(3)根據最終車轍深度試驗結果，AR-AC13的車轍深度最大，在4 mm以上，S級配最小，在3mm左右，且隨膠粉用量的增加，車轍深度均有所下降，說明瀝青混合料的抗車轍能力有所提高，這與動穩定度變化規律相一致。

3 低溫抗裂性能分析

低溫彎曲破壞試驗主要用來評價瀝青混合料在低溫狀態下的抗變形能力。試件尺寸為(250×30×35) mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。根據試件變形的跨中撓度可推出最大彎拉破壞應變及勁度模量。試驗結果見圖4～5。

圖4 最大彎拉應變試驗結果柱狀圖

圖5 抗彎拉強度試驗結果柱狀圖

由圖4～5可以看出：

(1)級配類型對橡膠瀝青混合料低溫抗變形能力影響顯著。AC-13C的最大彎拉應變值最大，S級配次之，AR-AC13最小，但均能滿足規范要求，這與高溫性能變化規律不同，密級配瀝青混合料低溫抗變形能力優于骨架嵌擠S級配。膠粉摻量由15%～20%增加，3種級配的最大彎拉應變值均有所提高，說明膠粉含量的增加提高了瀝青混合料低溫抗裂性能，其中AR-AC13改善效果最好，S級配次之，AC-13C最差，分別提高了17.5%、15.6%和11.8%。

(2)3種級配的抗彎拉強度變化規律與最大彎拉應變相一致，即AC-13C的抗彎拉強度值最大，AR-AC13的最小，S級配居中。隨膠粉用量的增加，抗彎拉強度也有所提高，但改善幅度低于最大彎拉應變。

4 水穩定性能分析

選擇浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的抗水損害能力，按照(JTG E20-2011)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[6]中相關要求進行試驗。結果見圖6～9。

圖6 殘留穩定度試驗結果柱狀圖

圖7 48 h穩定度試驗結果柱狀圖

由圖6～7可知：

(1)3種不同級配的瀝青混合料水穩定性能存在較大差異，AC-13C、S級配的水穩定性能相接近，而AR-AC13的水穩定性能較差，殘留穩定度分別為84%、81%和72%。間斷級配AR-AC13的抗水損害能力較差，抵抗水剝離的能力小，這與橡膠瀝青膠漿裹覆集料效果有關，間斷級配中細集料偏少，瀝青膠結料對粗集料表面的粘附效果不足。

(2)膠粉含量增加到20%，殘留穩定度值均顯著提高，其中AC-13C和S級配殘留穩定度達到85%以上，AR-AC13殘留穩定度值為80%，分別提高了6.1%、8.2%和12.5%。膠粉含量增加，間斷級配AR-AC13的水穩定性能改善效果最佳。

(3)浸水48 h后的穩定度值變化與殘留穩定度值變化規律相一致，對于AR-AC13，穩定度值下降了39.8%(膠粉摻量為15%，與AC-13C相比)，隨膠粉摻量增加到20%，穩定度值為9.78 kN，下降了32.5%(與AC-13C相比)，說明膠粉含量增加對AR-AC13的48 h穩定度具有促進作用。

為進一步分析瀝青混合料水穩定性變化規律，開展了凍融劈裂試驗，結果見圖8～9。

圖8 凍融劈裂強度比試驗結果柱狀圖

圖9 凍融劈裂強度試驗結果柱狀圖

(4)級配變化對凍融劈裂強度比的影響與殘留穩定度相接近，AC-13C的劈裂強度比最大，S級配次之，AR-AC13最小，說明AR-AC13的抗凍融性能最差，這與間斷級配設計空隙率大有關，實測瀝青混合料的空隙率為6.6%，吸水飽和后受凍脹作用影響較大，導致穩定度值偏低。隨膠粉用量的增加，凍融劈裂強度比均有所改善，其中AR-AC13的改善幅度最大，AC-13C改善幅度最小，分別為14.6%、14.6%和6.2%，說明膠粉用量增加到20%后對AR-AC13、S級配瀝青混合料的抗凍融效果改善顯著，與浸水殘留穩定度變化規律相一致。

5 結語

(1)對于橡膠瀝青混合料，連續密級配AC-13C、骨架嵌擠S級配和間斷級配AR-AC13的馬歇爾參數存在顯著差異，隨粗集料含量增加，礦料間隙率、空隙率呈增加趨勢，瀝青飽和度、穩定度呈下降趨勢。

(2)級配類型對橡膠瀝青混合料路用性能影響顯著，S級配的抗車轍能力最佳，AR-AC13的抗車轍能力最差，AC-13C的低溫抗裂性能最佳，AR-AC13的最差。對于水穩定性能，AC-13C和S級配殘留穩定度相接近，AR-AC13殘留穩定度最小。

(3)從整體分析，膠粉用量增加到20%時，能夠顯著改善瀝青路用性能，而AR-AC13的各項路用性能均低于AC-13C，且隨著膠粉用量的增加，對低溫抗裂性能和水穩定性能改善效果最顯著，對高溫性能改善效果一般。