骨架结构橡胶沥青混合料高温性能研究
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摘要:采用矿料主骨料空隙体积填充法设计骨架结构橡胶沥青混合料。通过马歇尔试验、车辙等高温性能试验，研究骨架结构的橡胶沥青混合料性能。研究发现橡胶沥青粘度大，粘结力强，具有良好的高温稳定性。
关键词:骨架结构；橡胶沥青混合料；高温稳定性
Abstract: Using coarse aggregate void filling method to design framework-structure rubber asphalt mixture. By high temperature performance tests, such as the Marshall test and rutting test, one can study performance of framework-structure rubber asphalt mixture. Study found that rubber asphalt performance high viscosity, strong felt force and high-temperature stability.
keyword：framework-structure，rubber asphalt mixture，high-temperature stability
中图分类号： TV431+.5文献标识码：A 文章编号：
0 引言
橡胶沥青是将回收的废旧轮胎经加工制成的橡胶屑(内掺至少占沥青混合物15％)掺加到基质沥青中充分反应并发生溶胀，经过一段时间的发育，橡胶颗粒部分裂解，胶粉的某些成份通过界面交换进入基质沥青，使得沥青与橡胶粉的界面逐渐模糊而形成一种高弹性的凝胶状物质。橡胶本身特有的弹性和吸音特性，可以降低路面行车噪音，增加行车舒适性。此外由于橡胶沥青混合料具有均衡的高低温性能和良好的抗疲劳性能，采用橡胶沥青混合料可延长沥青路面的使用寿命、减少或减缓反射裂缝的发生，还能改善沥青与矿料的粘结作用[1]。
国内外工程经验表明橡胶沥青采用骨架密实型结构，对于橡胶沥青混合料高温性能具有重要的意义。就目前而言，我国现行设计、施工技术规范中并没有关于橡胶沥青混合料材料设计的介绍。恰当的配合比设计对于橡胶沥青混合料骨架结构的形成有着重要影响，油石比过小则不能充分保证细料的包裹，影响到空隙率；然而过大的油石比会造成骨架结构变成悬浮结构，从而影响高温性能，易发生车辙、推移等病害[2,3]。本文以矿料主骨架体积填充法进行级配设计，保证橡胶沥青混合料骨架结构的形成，对其高温性能进行系统的研究。
1 原材料
1.1 橡胶沥青
参照国内外常规配制方法，以茂名AH-70为基质沥青内掺17%的废胎橡胶粉，利用专门的搅拌设备在190℃时进行充分的物理搅拌，由此制备而成，其基本性能指标如表1所示。
表1橡胶沥青基本性能
由上表可知，所制备的橡胶沥青软化点较高，具有较好的高温稳定性，其他性能指标均符合规范要求。
1.2 集料与填料
矿料为10～15mm玄武岩、5～10mm玄武岩、3～5mm玄武岩、0~3mm花岗岩四档规格料，填料为优质石灰岩矿粉，集料和填料筛分情况见表2，其基本性能见表3。
表2 集料筛分结果表
表3 规格料基本性能
由上表可知，集料与矿粉各项技术指标符合《沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）沥青面层集料与填料技术要求的规定。
2 矿料级配组成设计
矿料主骨料空隙体积填充法（CAVF法）可保证沥青混合料嵌挤骨架结构的形成[4]，其主要思路是根据经验或泰波公式设计主骨架，实测其空隙率，然后确定目标所需矿粉和沥青的用量，使细集料、矿粉、沥青体积以及沥青混合料的目标空隙率所占体积的总和等于主骨架空隙体积，以保证粗骨料的矿料堆积嵌挤骨架结构如公式1、2所示。
（1）
（2）
式中，qc、qf 、qp、qa为粗集料、细集料、矿粉、沥青用量的质量百分数；VCA、VV为捣实状态下粗集料骨架间隙率、沥青混合料设计目标空隙率；ρ、ρaf、ρp、ρa分别为自然堆积密度、细集料的表观密度、矿粉的密度、沥青密度。
目标设计空隙率取4%，矿粉用量为4%，采用CAVF法设计其级配，以5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%为油石比，双面各击实50次，成型马歇尔试件，按现行规范规定确定最佳沥青油石比为6.8%，合成级配曲线见图1所示。
图1 橡胶沥青混合料级配曲线
3 骨架结构橡胶沥青混合料（RAC-13）高温性能
3.1马歇尔试验
马歇尔稳定度(Marshall stability)试验因其方法简单方便，是工程界中较为广泛使用的用于评价沥青混合料高温稳定性能的方法之一。稳定度用于表征高温时的稳定性，而马歇尔模数反映的是高温下的抵抗变形能力。按现行规范规定，成型马歇尔试件，试验温度为60℃，试验结果如表4所示。
表4 马歇尔试验结果
由上表可知，RAC-13的相关体积指标矿料间隙率、沥青饱和度均符合符合《沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中SMA-13的技术指标要求，所设计的橡胶沥青混合料RAC-13已满足骨架结构的体积特征。稳定度大于普通沥青混合料AC-13C，马歇尔模数约为AC-13C的两倍，这说明骨架结构橡胶沥青混合料的高温下抵抗变形能力较好，强度较高。
3.2车辙试验
车辙试验试验条件较为接近实际情况，其原理是通过在高温环境下，试轮在标准试件上反复行走42±1次/min，以模拟路面在高温下条件下在实际车轮荷载作用下形成车辙。车辙用动稳定度和车辙深度来表征试验结果，是最能反映沥青混合料实际高温性能的试验。按现行规范[5]规定碾压成型300mm×300mm×50mm的板块状试件，试验温度为60℃，压强为0.7MPa，试验结果见表5，车辙板试件在不同时刻下的变形如图2所示。
表5车辙板试件动稳定度
从表5可知RAC-13具有很好的高温稳定性，动稳定度达到了6000多次/mm，符合我国现行规范规定：夏炎热区改性沥青混合料动稳定度不小于2800次/mm。与属骨架密实结构的SMA-13相比，其高温稳定性更好；由图2可以看到，不论是RAC-143还是SMA-13初始压密变形增加较快，随着作用次数的增加，变形逐渐减少并趋于稳定，且RAC-13的变形均小于SMA-13。以上数据结果也表明，橡胶沥青粘度大，粘结力强，在骨架结构的前提下有着很好的高温稳定性。
4 结论
马歇尔试验和车辙试验的结果说明，基于矿料主骨料空隙体积填充法设计的橡胶沥青混合料具有良好的高温稳定性能，不仅满足骨架结构SMA的技术要求，而且RAC-13的高温指标较SMA-13要优越。橡胶沥青粘度大，其施工温度也较高（通常达180℃），国内研究者提出添加温拌剂Sasobit，可降低高温粘度从而降低其施工温度，且提高其高温性能[6]。
综合考虑造价等因素，适当级配设计的RAC-13橡胶沥青混合料油石比可采用7.0左右为宜，其他中、粗粒式橡胶沥青混合料油石比可略低，矿料级配可根据矿料主骨料空隙体积填充法反算得出。基于矿料主骨料空隙体积填充法设计的骨架橡胶沥青混合料具有良好的高温性能，但其水稳定性、低温抗裂性、耐疲劳等性能则有待研究。
参考文献
[1] 黄卫东，王伟，黄岩，等.橡胶沥青混合料高温稳定性影响因素试验[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2010，38（07）：1023-1028.
[2] 李昆，黄卫东，王伟.基于高温性能的橡胶沥青混合料级配选择[J].公路工程，2009，34（05）：57-60.
[3 王旭东,李美江,路凯冀．橡胶沥青及混凝土应用成套技术 [M].北京：人民交通出版社，2008．
[4] 吴旷怀，张肖宁.沥青混合料设计的主骨料空隙体积填充法研究及应用[J].中南公路工程，2004，29（02）：58-61.
[5] JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
[6] 王伟明,吴旷怀,孟繁冰等.Sasobit对温拌橡胶沥青及沥青混合料高温性能影响[J].广州大学学报（自然科学版），2012，11(3):65-69.