不同等级路面的橡胶颗粒沥青混合料水稳定性试验

不同等级路面的橡胶颗粒沥青混合料水稳定性试验

杜留现1，党松洋2，徐红玉2，梁斌2，翟科玮3

(1.汝阳县农村公路管理所，河南 洛阳 471200；2.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023；3.洛阳市农村公路管理处，河南 洛阳 471002)

摘要：基于 AC-13连续型级配，将橡胶颗粒等质量替换部分集料内掺入混合料中，通过冻融劈裂试验，研究了橡胶颗粒沥青混合料在不同等级路面条件下的水稳定性。试验结果表明：选择合理的橡胶颗粒掺量可减缓冻融后的劈裂强度损失。与普通沥青混合料相比，橡胶颗粒沥青混合料的空隙率增大，劈裂抗拉强度有所降低，且橡胶颗粒的掺量与粒径对他们影响较大。对于一级公路路面，橡胶颗粒沥青混合料的水稳定性仍可满足工程技术要求；对于低等级公路路面，细集料的增加可以提高橡胶颗粒沥青混合料的水稳定性。

关键词：橡胶颗粒；冻融劈裂试验；水稳定性；沥青混合料

基金项目：河南省重点科技攻关基金项目(082102230026)

作者简介：杜留现(1977-)，男，河南汝阳人，工程师，主要从事路桥工程技术方面的研究.

收稿日期：2014-05-22

文章编号：1672-6871(2015)01-0067-05

中图分类号：TU528.42

文献标志码：A

0引言

中国目前已经成为世界三大废旧轮胎产生国之一，汽车废旧橡胶轮胎的处理是目前亟需解决的问题[1-6]。废旧橡胶轮胎经过相应的技术处理，将其粉碎成颗粒添加到路面材料中进行铺筑路面，是一种有效的回收利用废旧轮胎的方式，也是近年来的热点研究领域。

沥青路面水损害是在中国公路工程特别是高速公路中一种常见的危害，也是造成沥青路面在运营初期出现损坏、缩短了路面有效使用寿命的主要原因之一。沥青路面的水损害是沥青路面在有积水条件下、在冻融循环及车辆荷载的作用下，导致路面出现沥青膜剥落、松散、掉粒等破坏。目前，对于橡胶颗粒沥青混合料水稳定的研究结果较为集中，研究的对象大多是特定胶粒掺量情况下的沥青混合料抵抗水损害的能力，且针对的路面形式单一[7-9]。本文橡胶颗粒沥青混合料采用AC-13连续型级配，以冻融劈裂试验作为评价方法，对不同橡胶颗粒掺量在不同等级路面条件下的水稳定性进行了室内试验研究。

1橡胶颗粒沥青混合料原材料技术性能与试验级配

1.1　沥青混合料原材料技术指标

集料是沥青混合料的主要组成部分，主要包括粗集料、细集料及填充料。本文中的集料为石灰岩碎石，填充料为石灰石粉，试验表明集料各项指标均符合相关技术规范的要求[10-11]。

本试验中所选用的沥青为克拉玛依A级70#道路基质石油沥青，主要技术指标见表1。

橡胶颗粒的制备工艺是用常温破碎机粉碎的方式制成。制备的胶粒按照粒径的不同分为1～2 mm及2～4 mm两种。对于粒径为1～2 mm的橡胶颗粒，其表观相对密度为1.28 g/cm3，邵氏硬度为62度，细长扁平颗粒含量(质量分数)为5%；对于粒径为2～4 mm的橡胶颗粒，其表观相对密度为1.27 g/cm3，邵氏硬度为64度，细长扁平颗粒含量(质量分数)为4%。下文所涉及到的掺量及含量均为质量分数。

1.2　混合料试验级配

本文是基于AC-13连续密级配沥青混合料，以内掺的形式将橡胶颗粒等质量替换3～5 mm矿料，控制不同集料通过标准方孔筛的百分率达到合成所需要的级配，混合料合成级配如表2所示。

表2　合成级配

2橡胶颗粒沥青混合料水稳定性试验方法

目前，对沥青混合料水稳定性的试验方法多种多样，主要包括水煮法、Lottman法、浸水压缩法、浸水马歇尔试验法及冻融劈裂试验法等[12]。本文采用的是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[11]中冻融劈裂试验的方法，对橡胶颗粒沥青混合料抗水损害能力进行评价。采用AC-13作为基础级配，将粒径为1～2 mm及2～4 mm橡胶颗粒分别按照等质量替换的方式加入到沥青混合料中去，并控制胶粒的掺量，最终确定掺量为1%、2%、3%。

按照试验规程制作马歇尔试件，数量不少于8个，并对其进行随机分组及编号。将编号为第1组的试件置于室内平台上保存备用；将编号为第2组的试件在98.5 kPa左右的真空条件下浸泡15 min，保证沥青混合料内部空隙充满水分，随后打开压力阀门，并将试件在水中养护至少0.5 h。然后，将各个试件分别放入密封性良好的塑料袋中，在塑料袋中注入10 mL水，密封塑料袋，并将试件放入恒温冰箱，冷冻温度为-18 ℃，冷冻时间为16 h。冷冻完毕后将试件取出，立即放入60 ℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保温时间为24 h。

在完成以上工作后，将第1组与第2组全部试件浸入温度为25 ℃的恒温水槽中，时间不得少于2 h，试件之间的距离最少控制在10 mm为宜。取出试件后立即用劈裂试验机进行劈裂试验，加载速率应为50 mm/min，同时记录试件破坏时的最大荷载。

劈裂抗拉强度按式(1)及式(2)计算:

RT1=0.006 287PT1/h1；

(1)

RT2=0.006 287PT2/h2，

(2)

式中：RT1为未进行冻融循环的第1组试件的劈裂抗拉强度，MPa；RT2为冻融循环后第2组试件的劈裂抗拉强度，MPa；PT1为未进行冻融循环的第1组试件的试验荷载的最大值，N；PT2为冻融循环后第2组试件的试验荷载的最大值，N；h1为第1组试件的高度，mm；h2为第2组试件的高度，mm。

冻融劈裂强度比按式(3)计算:

TSR=(RT2/RT1)×100%，

(3)

式中，TSR为冻融劈裂强度比，%。

3一级路面冻融劈裂试验及结果分析

不同等级的路面适用的范围不同，公路的交通量、设计车速、路面的宽度等都具有较大的差异。对于一级公路，路面对沥青混合料的强度具有较高的要求，马歇尔强度大且流值要低，因此，在试件制备时采用双面击实75次的成型方式。集料类型及比例如表3所示。

表3　一级路面试验级配

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12]中的冻融劈裂试验方法,分别就粒径为1～2 mm与2～4 mm的橡胶颗粒进行掺量为1%～3%的试验，试验结果如表4和表5所示。

表4　1～2 mm橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验结果

表5　2～4 mm橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表4和表5可知：随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶颗粒沥青混合料试件的回弹率、空隙率均出现升高，冻融前后的劈裂强度出现下降,劈裂强度比在一定程度呈现下降的趋势。且粒径为2～4 mm的橡胶颗粒沥青混合料试件在同等掺量情况下回弹率、空隙率高于1～2 mm的试件，劈裂强度低于1～2 mm的试件。其中，在2%掺量情况下具有较高的冻融劈裂强度比。

试验结果分析：橡胶颗粒的物理与化学性质与石子是截然不同的，胶粒的掺加改变了沥青混合料原来的结构。沥青混合料试件在击实成型时，不同级配的集料之间受到嵌挤作用，橡胶颗粒在此时受到挤压。击实完毕冷却过程中，由于沥青的黏结力尚未达到最大值，橡胶颗粒出现回弹作用，进而在一定程度上改变了压实初始状态，撑开了原有的骨架结构，造成空隙率增大，骨架结构损耗较大，导致试件的强度降低。再者由于橡胶颗粒与沥青的黏附性相比于集料和沥青较差。两者共同影响使得橡胶颗粒沥青混合料的水稳定性下降。随着橡胶掺量的增加，沥青混合料中橡胶颗粒的回弹作用随之增强，进而空隙率随之增加，试件劈裂强度及劈裂强度比随之降低；2～4 mm的橡胶颗粒较之1～2 mm的橡胶颗粒，因其直径的增大，与石料的接触面积更大，且大粒径的橡胶颗粒自身在试件压实时受到的压缩作用也更大，因此在同等条件下，其反弹的能力比小粒径的胶粒更强。因此2～4 mm的橡胶颗粒沥青混合料试件相较于1～2 mm的试件，其回弹率与空隙率也更大，试件劈裂强度及劈裂强度比低于1～2 mm的试件。

橡胶颗粒沥青混合料中，由于橡胶颗粒具有很高的弹性，混合料微观空隙受到水的冻胀作用变大时，橡胶颗粒的弹性回缩会一定程度上降低冻胀影响。但是胶粒掺量越大，沥青混合料初始缺陷越大，因此选择合理的掺量可以在两者之间取得较好的平衡。本试验中，掺量为2%的橡胶颗粒沥青混合料具有较大的冻融劈裂强度比。对于1～2 mm的橡胶颗粒沥青混合料，其冻融劈裂强度比均大于80%，可以应用于不同湿度区域的公路沥青路面施工技术规范要求；2～4 mm的橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂强度比均大于70%，可满足干旱、半干旱以上地区的施工技术规范要求。

4低等级路面冻融劈裂试验及结果分析

对于低等级路面，技术指标要求相对较低，因此，对混合料级配设计要求也不高。低等级公路的沥青混合料，按照试验规程的规定，其成型工艺是马歇尔击实仪双面击实50次成型。相比于一级路面，击实次数的减少导致橡胶颗粒沥青混合料试件密实度的降低，橡胶颗粒沥青混合料回弹作用较强烈。与一级公路路面相同的设计级配以双面击实50次的成型方进行制作后的试件，油石比采用5.3%的情况下，经过试验，其马歇尔力学指标不能满足要求，且冻融劈裂强度比也较低，油石比过大，造成了沥青混合料成型松散。经过调试，采用的油石比为5.1%。另外，为了得到路用性能较好的橡胶颗粒沥青混合料，对设计级配也进行了调整，采用5类不同集料比例的沥青混合料进行试验研究，如表6所示。

表6　各级集料比例

表6中，从A到E，5类不同级配情况，橡胶颗粒沥青混合料中的粗集料比例降低，细集料比例增加。

由第3小节可知：1～2 mm粒径的橡胶颗粒沥青混合料性能优于2～4 mm的胶粒，因此按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12]中的试验方法，就粒径为1～2 mm的橡胶颗粒制作掺量为2%的试件，其回弹率与空隙率如表7所示。

表7　2%掺量下不同级配混合料的回弹率与空隙率　%

由表7可知：对于5类组合类型，随着橡胶颗粒沥青混合料中粗集料比例的降低，细集料比例的增加，橡胶颗粒沥青混合料试件的空隙率与回弹率随之呈下降趋势。细集料较多的橡胶颗粒沥青混合料中，沥青混合料试件的密实度在细集料的填充作用下变高，橡胶颗粒与细集料接触较多，橡胶颗粒反弹变形在细集料的缓冲作用下，对沥青混合料原有骨架造成的损伤较小，降低了橡胶颗粒沥青混合料骨架结构的损耗，空隙率与回弹率较小。

鉴于A与B、D与E回弹情况与空隙率较为接近，为了节省试验成本，选取B、C、E这3种级配进行不同掺量橡胶颗粒沥青混合料试验，试验加载方式与一级路面试验类似，试验结果如表8所示。

表8　B、C、E三类级配橡胶颗粒沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表8可知：随着橡胶颗粒沥青混合料中粗集料比例的降低、细集料比例的增加，其冻融劈裂强度比增大；且随着橡胶颗粒掺量的增加，沥青混合料的冻融劈裂强度比逐步降低。

本试验与一级公路路面试验类似，都是随着橡胶颗粒掺量的增加，由于橡胶颗粒的回弹作用造成了沥青混合料空隙率增大，破坏了原有内部结构，削弱了沥青混合料试件的强度。细集料比例的增加，提高了试件的密实度，降低了空隙率，弱化了橡胶颗粒反弹作用对混合料内部结构的破坏程度，因此，提高了沥青混合料的水稳定性。在B类级配情况下，3%掺量的沥青混合料，其冻融劈裂强度比低于70%，不满足技术要求，其他各组均高于70%，可以满足一定区域的使用要求。

5结论

选择合理的橡胶颗粒掺量可减缓冻融后的劈裂强度损失。在一级公路的沥青混合料中加入橡胶颗粒后，沥青混合料冻融前后的劈裂强度均降低。随着橡胶颗粒掺量的增加，劈裂强度比在一定程度上下降，且2～4 mm的橡胶颗粒对沥青混合料劈裂强度的影响大于1～2 mm的橡胶颗粒。对于1～2 mm的橡胶颗粒沥青混合料，其冻融劈裂强度比均大于80%，可以达到不同湿度区域的公路沥青路面施工技术规范要求。在低等级公路的沥青混合料中，橡胶颗粒掺量的增加，与一级公路路面试验类似，沥青混合料冻融前后的劈裂强度均降低。细集料比例的增加，提高了试件的密实度，空隙率减小，降低了橡胶颗粒反弹对混合料内部结构的破坏程度，一定程度上提高了沥青混合料的水稳定性。

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