级配对橡胶沥青混合料高温性能影响研究

时间：2024-07-06

谭继宗，刘靖，徐升，李平

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530001； 2.广西交科集团有限公司； 3.长沙理工大学交通运输工程学院)

1 前言

《交通强国建设纲要》对中国交通事业的发展提出了更高的要求，其中“绿色发展节约集约、低碳环保”便是发展目标之一。废旧轮胎是不熔或难熔的高分子材料固体垃圾，处置不当会危害人类健康、引发火灾、污染环境，带来严重的“黑色污染”，如何有效回收和利用废旧轮胎一直是个难题。为解决这一问题，道路科研工作者研发橡胶改性沥青技术，将废旧轮胎重新加工成为筑路材料橡胶粉，与基质沥青在高温条件下剪切混溶形成新型沥青胶结料，对比应用广泛的SBS改性沥青技术，可节省15%～20%的基质沥青，符合当前“绿色环保”的发展理念。

虽然橡胶沥青混合料在中国公路建设中取得了一定应用，但目前仍存在一定问题与不足。橡胶沥青具备“溶胀”特性，传统的AC连续型级配间隙率较小，难以满足橡胶沥青这一特性，有些地方标准、指南等仅基于经验法确定了橡胶沥青混合料的级配范围，并未给出明确的级配设计方法，而路用性能与级配之间存在明显相关性，因此，研究橡胶沥青混合料级配设计方法有利于提升工程设计中级配选取的有效性，提升沥青路面路用性能，提高工程质量。

国内外级配对橡胶改性沥青混合料高温性能研究取得了较多成果。Rongji Cao开发了一种新型的间断级配橡胶沥青混合料ARAC-13S，与SMA-13和AC-13C路用性能进行对比，发现ARAC-13S在高温下具有与SMA-13相似的抗车辙变形能力，ARAC-13S在热裂解方面的性能优于常规沥青混合料。Zhaohui Min在贝雷法的基础上，通过改变环氧沥青混合料的粗骨料比(CA)和细骨料粗粒率比(FAc)，得到了不同的混合料骨架结构并进行试验研究，提出环氧沥青混合料推荐CA值为0.4，FAc值为0.35的致密级配结构，用于跑道覆盖或路面养护；Cui Wentian为提高超薄耐磨层沥青混合料的抗车辙性能，采用CAVF法设计出UTWC-10沥青混合料，高温车辙试验数据表明：UTWC-10沥青混合料的车辙动稳定度(DS)指标远远高于传统的磨层沥青混合料，具有更好的高温稳定性；蒋勇基于PCG3旋转压实设备，研究法国标准中GB4沥青混合料级配对压实特性的影响，发现5 mm(4.75 mm)和20 mm通过率对GB4沥青混合料的压实特性影响明显；马峰以动稳定度为评价指标，对比分析了连续型、半间断型和间断型橡胶沥青混合料的路用性能，发现级配对橡胶沥青混合料高温性能影响显著，其中半间断型级配的动稳定度是间断型SMA-13的1.5倍，表明采用半间断型级配有助于提高橡胶沥青混合料的高温稳定性；游金梅等对比分析4种级配(AR-AC-13、AC-13、AR-SMA-13、SMA-13)下纤维橡胶沥青混合料的高温稳定性，结果表明：间断型橡胶沥青混合料高温稳定性优于连续型橡胶沥青混合料；张可强等选取AR-AC-13和AR-SMA-13级配分别进行车辙试验、水稳定等试验对比分析其路用性能，结果表明：AR-AC-13低温抗裂性能和抗疲劳特性更优，而AR-SMA13高温稳定性能较好，两者水稳性能无明显差距；程培峰等针对不同矿料级配对温拌橡胶沥青混合料路用性能的影响，选取SMA型5种代表性级配和AC级配进行室内混合料路用性能试验并对比试验数据，结果表明：SMA混合料相比于AC混合料具有更优高低温性能和水稳定性能，且温拌橡胶沥青混合料适用于间断级配；武建民等建立级配评价指标分形维数与AC-16橡胶沥青混合料高温性能关系发现，随着分形维数的增大混合料动稳定度减小，高温稳定性逐渐降低，进一步根据橡胶沥青混合料路用性能要求推荐级配整体分形维数值D宜小于2.53，而粗集料分形维数Dc宜小于2.66；苗超杰提出利用Matlab进行混合料级配设计，依据矿料级配设计原理和CA值、FAC值、FAf值的合理范围优化级配，实践证明应用效果较好。

现有对橡胶沥青混合料的高温性能侧重点在于对比连续型与间断型级配的路用性能，未针对级配范围内不同级配的路用性能进行对比分析，同时近年来涌现的贝雷法和CAVF法等方法的对比也较少。在此背景下，该文分析同一级配范围内，不同级配设计方法下的橡胶沥青混合料高温性能，结合级配特性进行研究，有助于工程实际中的级配优选。

2 橡胶沥青混合料配合比设计

2.1 橡胶改性沥青制备

选用某高速公路工程实际配方，包括壳牌70#基质沥青，30～80目橡胶粉，YH-791H线型SBS改性剂，白色助剂T1与黑色助剂T2。剪切机为AE300L-P型试验室剪切乳化机，制备工序及制备时间如表1所示。

表1 橡胶改性沥青制备工艺参数

橡胶沥青性能测试结果见表2。

表2 橡胶沥青性能测试结果

2.2 级配设计

采用20型橡胶沥青混合料ARAC-20，基于贝雷法、CAVF法、经验法得到合成级配如表3所示。贝雷法主要设计思想是将集料形成的骨架结构作为混合料承力主体，提升沥青路面的高温抗车辙性能，同时调整粗细集料所占比例，获取适当的矿料间隙率VMA，提升所设计混合料的耐久性能。CAVF法设计过程为按照经验选取合适的粗集料比例后根据泰波理论进行细集料部分设计，根据粗细集料、矿粉以及沥青相关技术参数，计算粗细集料总体比例，最终确定合成级配。按照该方法所设计矿料级配可以使集料骨架相互嵌挤，主骨架间隙由沥青胶浆充分填充，不会出现胶浆干涉作用，可提高沥青混合料性能。经验法是根据工程经验和JTG F40-2004《沥青路面施工技术规范》确定的。

表3 沥青混合料合成级配

2.3 级配评价

(1) 贝雷法评价参数

贝雷法引入CA比、FAc比、FAf比3个参数评价所设计的级配，其中CA比反映矿料中粗集料填充特性，FAc、FAf分别反映细集料中粗集料和合成集料中最细一级的嵌挤填充情况。由于试验设计的级配中细集料部分较为接近，FAf、FAc差距不大，因此选取CA值作为评价指标，采用式(1)进行计算，结果如表4所示。

表4 不同级配贝雷法CA值计算结果

(1)

式中：CA为粗集料比；PD/2为粒径为D/2的通过率[D为公称最大粒径(%)，下文中D为分形维数]；PPCS为第一控制筛孔通过率(%)。

(2) 级配分形评价参数

分形理论能较好地适应沥青混合料的非匀质性、非线性、非规则性及模糊性等特征，引入分形维数D(粒径为0.075～19 mm)、粗集料分形维数DC(粒径为4.75～19 mm)、细集料分形维数Df(粒径为0.075～4.75 mm)3个参数用以评价所确定的合成级配。由于试验设计的级配中细集料部分较为接近，Df差距不大，因此选取分形维数D、粗集料分形维数DC作为评价指标，采用级配分形评价参数D、DC对上述级配进行线性回归分析。

对于常用级配，集料质量分数P(r)可用式(2)计算：

P(r)=(r/rmax)3-D

(2)

式中：P(r)为集料质量分数；rmax为最大颗粒粒径；D为集料颗粒粒径分形维数。

对式(2)两边取对数，可得式(3)：

lgP(r)=C+(3-D)lg(r/rmax)

(3)

绘制lgP(r)-lg(r/rmax)坐标图(图1)，线性回归分析后即可通过式(4)计算得出级配的整体分形维数D。

图1 lgP(r)-lg(r/rmax)拟合图

D=3-k

(4)

式中：k为lgP(r)-lg(r/rmax)拟合图中的直线斜率。

当lgP(r)-lg(r/rmax)图中曲线只取4.75 mm以上部分时，可计算得出粗集料级配分形维数DC。

D和DC计算结果如表5所示，其中R2为选用级配与级配分形理论模型拟合度，其值越大表明级配的分形特征越明显。

表5 不同级配分形维数计算结果

由表5可得：① 9种级配均表现出良好的分形特征，其中以基于CAVF法设计的级配略优。9种级配中整体分形维数D的R2最小值为0.968 7，表明实际级配与级配分形理论相关性显著。9种级配中R2最大值0.991 2为CAVF法设计的级配，且CAVF法设计级配的R2均值大于贝雷法和经验法设计级配的R2均值，由此可知CAVF法设计的级配分形特征较好；② 基于CAVF法所设计的级配D值与DC值均大于基于贝雷法所设计的级配，表明CAVF法设计的级配集料体系内的不规则程度更大。

3 橡胶沥青混合料高温性能试验

3.1 车辙试验

车辙试验采用LHC-2型沥青混合料恒温室车辙试验机，在60 ℃试验环境下对前述9组ARAC-20级配进行测定，以动稳定度DS为评价指标。每个合成级配成型3个车辙板试件，试验结果取其平均值，9组级配车辙试验结果如表6所示。

表6 不同级配沥青混合料车辙试验结果

由表6可得：

(1) 沥青混合料高温抗车辙性能受级配影响显著。不同级配橡胶沥青混合料动稳定度差异较大，最大差值可达3 058次/mm。表明在规范级配范围内对级配进行优化的必要性。

(2) 车辙试验中，贝雷法与CAVF法两种级配设计方法均体现出较好的适用性但有较大波动，二者无明显差异。经验法由于数据量不足，不纳入对比，贝雷法与CAVF法两种设计方法下动稳定度均值分别为7 986与7 979次/mm，均满足路用性能要求，但数据波动较大，因此两种级配设计方法未表现出明显差异。

(3) 涉及的级配评价指标中，CA值(表4)与沥青混合料抗车辙性能具备良好的线性相关关系。根据表4～6绘制图2。

图2 动稳定度与分形维数值、CA值相关性

由图2可得：D、DC与混合料动稳定度间关联性较弱，R2仅为0.142 5、0.012 9。但沥青混合料动稳定度随着CA值增大而增大，CA值与沥青混合料动稳定度之间相关性较好，R2达到0.803 3，表明在一定范围内改善矿料中粗集料含量有助于提高混合料抗车辙性能。

3.2 单轴贯入试验

单轴贯入试验采用WDW型电子万能试验机，贯入试验压头为28.5 mm，加载速度为1 mm/min。从试验便利性角度出发，直接采用马歇尔击实成型的试件进行贯入试验。

为正确评价及反映沥青混合料高温抗剪性能，选取贯入模量(Ef)作为抗剪强度评价指标，计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：F为试件破坏时最大荷载(kN)；A为压头横截面面积(mm2)；εf为应变；σf为应力(MPa)；Δs为破坏荷载峰值所对应位移(mm)；H为试件高度(mm)；Ef为贯入模量(MPa)。

基于贯入试验方法及参数，对前述9种级配橡胶沥青混合料在最佳油石比下进行贯入试验，每个级配成型3个马歇尔试件，试验结果取其平均值，试验结果如表7所示。根据表6、7绘制动稳定度与单轴贯入模量关系曲线如图3所示。

表7 各组级配橡胶沥青混合料单轴贯入试验结果

图3 动稳定度与单轴贯入模量相关性

由表7、图3可得：

(1) 单轴贯入模量与混合料动稳定度之间具有一定的相关性，R2为0.605 2。表明单轴贯入模量可较为有效地评价橡胶沥青混合料高温抗车辙性能，可从另一角度为橡胶沥青混合料高温抗车辙性能提供评价指标。车辙试验和单轴贯入试验在一定范围内可相互通用，但车辙试验在油石比变化较大导致的空隙率变化较大时，就丧失了评价混合料高温稳定性的能力，而单轴贯入试验恰好弥补了这一缺点。且贯入试验更多反映沥青结合料的黏结作用，而车辙试验则更倾向于对级配的状态进行评价，因而两者也存在一定的不同。

(2) 级配对橡胶沥青混合料单轴贯入试验结果影响显著。不同级配的橡胶沥青混合料贯入模量值呈现较大差异，差值可达164.8 MPa。表明选取合适的级配设计方法可有效提高橡胶沥青混合料抗剪性能。

(3) 基于沥青混合料贯入试验结果，针对橡胶沥青混合料高温抗剪性能，两种级配设计方法不存在明显的优劣。采用CAVF法设计的级配贯入模量均值较采用BL法设计级配高出27 MPa，但贯入模量最低值也是CAVF法所设计的级配，CAVF法设计级配的贯入模量值并不稳定；BL法设计的级配单轴贯入模量均值较低但是其值分布较稳定，因此两种方法不存在对高温抗剪性能影响的优劣。

(4) 级配评价指标中，CA值与单轴贯入模量相关性较好。基于高温抗剪性能考虑，推荐采用CA值进行级配评价。根据表4、5、7绘制图4。

由图4可知：分形维数D、粗集料分形维数值DC与单轴贯入模量相关度较弱，而CA值与单轴贯入模量相关系数为0.622 6，相关性较好，表明在一定范围内改善CA值可有效提升沥青混合料高温抗剪性能。当CA比小于0.9时，单轴贯入模量随着CA比的增加而增大，这是由于当CA比较小时，粗集料中较大粒径含量较高，虽然细集料填充了一部分粗集料留下的空隙，但二者的嵌挤作用不够显著，随着CA比的增大，混合料逐渐密实，当CA比超过1时，粗集料中较细部分的含量增加，干涉颗粒易于破坏粗集料内部的平衡结构，从而导致混合料难于压实，容易产生推移。

图4 单轴贯入试验指标与CA值、分形维数相关性