间断级配橡胶沥青混合料抗车辙性能试验

范斌卫，高传明，陈振华

(1.西安公路研究院，陕西 西安 710065； 2.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710065；3.广东大潮高速公路有限公司， 广东 广州 514247)

间断级配橡胶沥青混合料抗车辙性能试验

范斌卫1，高传明2，陈振华3

(1.西安公路研究院，陕西 西安 710065； 2.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710065；3.广东大潮高速公路有限公司， 广东 广州 514247)

为了研究采用车辙试验检测橡胶沥青混合料高温稳定性的适用性，对橡胶沥青混合料、复合橡胶沥青混合料、沥青玛蹄脂碎石混合料三种间断级配混合料进行配合比设计，并进行车辙试验，得到不同温度和时间下试件的变形量及动稳定度。结果表明：橡胶沥青混合料的变形量最大，动稳定度最小；虽然橡胶沥青混合料压密稳定阶段较长，变形量较大，但是车辙试验可以评价橡胶沥青混合料的高温稳定性能。

橡胶沥青混合料；SMA混合料；高温稳定性能；车辙试验

0 引 言

近年来，国内外学者针对橡胶沥青的高温稳定性能进行了许多相关研究。王伟首次提出橡胶沥青混合料“养生时间”的概念，并建议用改进的车辙试验来评价橡胶沥青混合料的高温性能[1]。张伟采用汉堡车辙试验的车辙深度评价橡胶沥青混合料的高温性能[2]。何立平采用汉堡车辙试验评价其高温稳定性能，推荐以橡胶沥青混合料的变形速率作为其高温性能评价指标，以车辙试验的斜率和变形量作为参考指标[3]。关永胜等采用重复加载蠕变试验2 000次后的应变-次数曲线斜率评价间断级配橡胶沥青混合料的抗车辙性能[4]。Srood Omer采用了汉堡车辙和间接拉伸试验对比分析未改性HMA、改性SMA、废胶粉HMA和SMA混合料的抗车辙性能[5]。然而，目前关于橡胶沥青混合料的变形特性及车辙试验能否有效评价其抗车辙能力的研究甚少。故本文通过体积设计方法成型3种间断级配混合料，即橡胶沥青混合料(ARGM-13)、复合橡胶沥青混合料(CR/SBSGM-13)和沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA-13)，并在各自最佳油石比下成型车辙板，然后通过不同的温度和时间作用下的车辙试验来对比它们的变形特性，最后分析间断级配橡胶沥青混合料的高温抗车辙能力。

1 三种间断级配沥青混合料设计

1.1 原材料

基质沥青采用加德士90号A级沥青，性能指标见表1；SBS改性剂为北京燕山4303星型；橡胶粉用货车斜交轮胎为原材料，目数为30目。

沥青混合料使用的粗集料规格为9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm；细集料和填料采用以9.5～19 mm石灰岩碎石加工生产的0～2.36 mm机制砂和粒径小于0.6 mm的矿粉。集料的技术指标分别见表2～4，筛分结果见表5。

表1 加德士A-90沥青指标

表2 粗集料试验结果

表3 机制砂试验结果

表4 填料试验结果

1.2 矿料级配的确定

橡胶沥青混合料ARGM-13和复合橡胶沥青混合料CR/SBSGM-13采用同一间断骨架密实型结构，在SMA-13级配范围的基础上对0.15 mm和0.075 mm两个筛孔的通过率适当调小范围[6]。最终确定的矿料级配范围见表6。

表5 各种集料筛分结果

表6 ARGM-13和SMA-13矿料级配范围 %

参照表6中橡胶沥青混合料的级配要求，结合SMA设计方法进行矿料级配设计，以矿料级配设计范围内粗集料骨架分界筛孔4.75 mm的通过率处于级配范围中值的级配曲线确定级配。ARGM-13、CR/SBSGM-13合成级配见表7，SMA-13合成级配见表8。

表7 ARGM-13、CR/SBSGM-13合成级配

表8 SMA-13合成级配

1.3 ARGM-13沥青用量的确定

ARGM-13橡胶沥青混合料配合比试验分别采用5.4%、5.9%、6.4%、6.9%、7.4%五种油石比成型Marshall试件。Marshall试件成型的温度控制如下：先添加橡胶沥青，然后将加热至180 ℃～190 ℃的矿料倒入拌和锅后搅拌90 s，再添加矿粉搅拌90 s；混合料拌和温度为170 ℃～175 ℃，试件击实温度为160 ℃～165 ℃。

《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》推荐橡胶沥青混合料采用蜡封法测定毛体积相对密度，用真空法测定沥青混合料最大理论密度；然而采用表干法测量结果的吸水率小于2%，故本文采用表干法测定毛体积相对密度，采用理论计算法计算最大理论密度。橡胶沥青混合料马歇尔试验的技术指标见表9。

橡胶沥青混合料ARGM-13 Marshall试件的马歇尔试验物理力学指标如表10所示。

表9 橡胶沥青混合料马歇尔试验技术指标

表10 ARGM-13 Marshall试件物理力学指标

《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》建议采用设计空隙率确定最佳油石比，对于密级配混合料，用于中、下面层时空隙率(VV)宜为3%，用于表面层时VV宜为4%，细粒式混合料VV宜为5%。本文采用目标空隙率4%，确定最佳油石比为6.2%，该油石比下的矿料间隙率(VMA)为16.6%，沥青饱和度(VFA)为75.1%，MS(稳定度)为8.55 kN，均满足要求。油石比为6.2%时的ARGM-13粉胶比(FB)为1.35，沥青膜厚度为9.6 μm。

1.4 CR/SBSGM-13沥青用量的确定

CR/SBS复合橡胶沥青混合料在具体组成结构上与普通沥青混合料和 SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)均有较大差异，在现行的规范中没有针对复合橡胶沥青混合料的设计方法。本文中CR/SBS复合橡胶改性沥青混合料的设计参考橡胶沥青混合料的设计方法，以间断级配、骨架结构为原则，按照体积法进行设计[7-8]。试件成型方法及油石比的确定与上节类似。CR/SBSGM-13 Marshall试件物理力学指标见表11。

同理，在确定最佳油石比时，采用目标空隙率4%确定其最佳油石比为6.2%，该油石比下的VMA为17.8%，VFA为72.5%，MS为8.46 kN，均满足要求。油石比为6.2%时，CR/SBSGM-13粉胶比(FB)为1.33，沥青膜厚度为9.6 μm。

1.5 SMA-13沥青用量的确定

SMA-13 Marshall试件的物理力学指标如表12所示。

表11 CR/SBSGM-13 Marshall试件物理力学指标

表12 SMA-13 Marshall试件物理力学指标

在确定最佳油石比时，采用目标空隙率4%确定其最佳油石比为5.4%，该油石比下的VMA为16.7%，VFA为74.0%，MS为8.9 kN，均满足要求。SMA-13粉胶比为1.82，沥青膜厚度为8.0 μm。

2 三种间断级配混合料的车辙试验

2.1 60 ℃车辙试验结果分析

为了研究橡胶沥青混合料的抗车辙性能，采用ARGM、CR/SBSGM和SMA三种间断级配混合料，通过改变温度、时间来对比动稳定度与相对变形的变化。车辙试验时间取2 h，这样有助于提高区分沥青混合料抗车辙性能的准确度[9]。通过车辙试验比较分析3种混合料的变形量、相对变形、动稳定度与高温性能之间的关系。3种混合料60 ℃下的变形量、相对变形、动稳定度如表13和图1所示。

表13 ARGM、CR/SBSGM、SMA混合料的非标准60℃车辙试验结果

注：DS1是以第45 min和第60 min计算的动稳定度，DS2是以第105 min和第120 min计算的动稳定度；RD1是第1 min与第60 min变形量之比， RD2是第1 min与第120 min变形量之比。

图1 60℃车辙试验变形随时间的变化

由图1可看到，3种间断级配混合料的变形量及相对变形从大到小依次为：ARGM、CR/SBSGM、SMA。在120 min时，3种混合料的变形量分别为3.545 mm、2.902 mm和1.937 mm。这说明了橡胶沥青混合料由于胶粉的存在，其劲度模量比另2种混合料要小。

对于DS1和DS2，3种间断级配混合料的动稳定度从大到小依次为：ARGM、CR/SBSGM、SMA。由图1可看出：无论是45～60 min或105～120 min，SMA的变形速率最小，CR/SBSGM次之，ARGM最大。由于动稳定度归根结底取决于混合料的变形速率，故通过延长试验时间来评价橡胶沥青混合料的高温性能是不行的，即以105～120 min计算的动稳定度DS2意义不大，只能作为DS1的参考。

此外，除了橡胶沥青混合料的相对变形RD2大于5%，其余混合料的相对变形均小于5%，说明5%的指标对于控制橡胶沥青混合料的车辙变形具有一定的参考价值。重载交通对于橡胶沥青混合料上面层的高温性能要求为：动稳定度大于3 000 次·mm-1，相对变形小于5%。

2.2 70 ℃车辙试验结果分析

3种混合料70 ℃下试件的变形量、相对变形、动稳定度如表14和图2所示。

表14 ARGM、CR/SBSGM、SMA混合料的非标准70 ℃车辙试验结果

图2 非标准70℃车辙试验变形随时间的变化

由图2可看到，ARGM在120 min内变形仍未趋于平缓，因此在高温下其变形程度远大于另外2种混合料，说明橡胶沥青混合料在高温下压密稳定阶段较长。

3种间断级配混合料的变形量及相对变形从大到小依次为：ARGM、CR/SBSGM、SMA。3种混合料的变形量分别为5.132 mm、3.150 mm和2.806 mm，远大于60 ℃时的变形量。对于橡胶沥青混合料，其70 ℃下变形较大，相对变形均超过5%。由此可见，在3种混合料中，试验温度的升高对橡胶沥青混合料的变形量影响最为显著。

从本次车辙试验结果来看，无论是延长试验时间还是提高试验温度，橡胶沥青混合料的动稳定度均最小，变形量均最大，即高温性能最差，因此该试验结果与传统的车辙试验相符，证实了现行规范的车辙试验可有效评价橡胶沥青混合料的高温性能[10-13]。

无论是按DS1还是DS2来计算，3种间断级配混合料的动稳定度从大到小依次为： ARGM、CR/SBSGM、SMA。在70 ℃下，3种混合料DS1和DS2均有不同程度下降。图3为60 ℃和70 ℃时3种沥青混合料的动稳定度对比。

图3 不同沥青混合料动稳定度对比

由图3可看出，橡胶沥青混合料在高温下动稳定度下降的幅度为39.8%，SMA混合料下降的幅度为30.9%，复合橡胶沥青混合料下降的幅度为17.8%。橡胶沥青混合料动稳定度损失最大，SMA混合料次之，复合橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能最好。由此可见，复合橡胶沥青混合料抵抗高温变形的能力好于 SBS 改性沥青混合料，可用在一些极端炎热地区的沥青路面中[14-16]。复合橡胶沥青混合料60 ℃时1 h的变形量为2.506 mm，70 ℃时为2.705 mm，只增大了0.2 mm，相对于其他2种混合料，其在70 ℃高温下车辙变形量变化最小。原因可能是，复合橡胶沥青结合了SBS中聚苯乙烯(硬段)的高温抗变形能力与胶粉的弹性等特点，使其对高温的敏感性弱于其他2种混合料，故而其70 ℃抗高温能力比另2种混合料要好。

3 结 语

通过室内试验对橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能进行分析，得出如下主要结论。

(1)无论是60 ℃还是70 ℃的车辙试验，3种间断级配混合料的变形量及相对变形从大到小依次均为ARGM、CR/SBSGM、SMA，即橡胶沥青混合料的变形程度最大。从动稳定度这一指标看，橡胶沥青混合料的高温性能较其他2种混合料差，主要原因是橡胶沥青混合料沥青用量大，与矿粉结合成的沥青膜厚度大于其他改性沥青混合料，抵抗高温变形能力差，因而变形量较大。

(2)复合橡胶沥青混合料70 ℃时的高温变形量与60 ℃相比增加幅度在3种混合料中是最小的，复合橡胶沥青结合了SBS与胶粉的特点，对高温的敏感性弱于其他2种混合料。这说明在橡胶沥青中添加SBS复合改性可以提高混合料的抗车辙能力。

(3)延长试验时间和提高试验温度后的橡胶沥青混合料车辙试验结果与规范要求试验条件下的车辙试验结果一致，说明现行车辙试验可以有效评价橡胶沥青混合料的高温性能。

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TestonRutResistanceofGapGradedRubberizedAsphaltMixture

FAN Bin-wei1, GAO Chuan-ming2, CHEN Zhen-hua3

(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China; 2. Shaanxi Provincial Highway Construction Group Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China;3. Guangdong Dachao Expressway Co., Ltd., Guangzhou 514247, Guangdong, China)

In order to study the applicability of using the rutting test to detect the high temperature stability of rubberized asphalt mixture, the design of three kinds of gap graded mixes of rubberized asphalt mixture, composite rubberized asphalt mixture and stone matrix asphalt mixture was conducted, and the deformation and dynamic stability of the specimen under different temperatures and time were obtained from the rutting test. The results indicate that the rubberized asphalt mixture shows the biggest deformation and the lowest dynamic stability; despite the long stage of compaction stabilization and large deformation of rubberized asphalt mixture, the rutting test can still be applied to evaluate the high temperature stability of the mixture.

rubberized asphalt mixture; stone matrix asphalt mixture; high temperature stability; rutting test

U414.01

B

1000-033X(2017)11-0066-06

2017-03-31

陕西省交通厅科技计划项目(15-10k)

范斌卫(1975-)，男，陕西蒲城人，高级工程师，工程硕士，研究方向为路基、路面设计及材料。

[责任编辑:高甜]