[分享]橡胶沥青排水性混合料设计与性能

橡胶沥青排水路面兼具良好的路用性能和节能环保特性，此类路面在中国尚处于发展阶段，其配合比设计方法和技术要求需要进一步完善。针对橡胶沥青排水路面材料配合比设计和路用性能的难点，开展橡胶沥青排水路面材料设计及室内试验验证研究。试验结果表明：设计得到的5.8％油石比的排水橡胶沥青混合料具有良好的水稳定性、高温稳定性、排水性。该路面材料具有良好的路用性能，可应用于中等以下交通的城市道路，降低道路交通噪声，提高居民的生活质量。

随着中国经济的高速发展，城市道路交通噪音已成为城市噪声污染的主要来源之一，极大地影响了人们的学习、工作效率与睡眠质量，人们希望城市路面更加的安全、安静、舒适环保。已有的研究指出，道路交通噪音主要源于轮胎和路面的相互作用，因此开展低噪音路面材料的研究符合当前中国城市建设的新要求。OGFC（开级配排水抗滑磨耗层）是一种具有良好排水效果的路面材料，同时其大空隙率的特点可以有效降低车辆行驶时的噪音。将橡胶沥青应用于OGFC混合料不仅可以利用橡胶沥青良好的黏弹特性以进一步提高降噪的效果，同时又有助于消纳废旧汽车轮胎实现环境保护的目标。

该文将橡胶沥青应用于OGFC沥青混合料，采用室内马歇尔方法成型试件进行配合比设计，并开展浸水马歇尔、渗水等一系列室内试验验证其路用性能。

橡胶沥青指的是采用一定的生产工艺将橡胶粉掺入到沥青当中，形成一种以橡胶粉为改性剂的改性沥青。橡胶沥青具有良好的集料颗粒裹覆能力，并且由于橡胶自身特有的弹性，可增加沥青混合料表面的阻尼性能，达到减小车辆行驶过程中轮胎与路面泵气噪音和阻尼噪声的双重效果。

该文制备橡胶改性沥青的原料为：普通70＃沥青及40目橡胶粉。制备工艺为湿法工艺，使橡胶粉与基质沥青发生反应，直接改善沥青性能。加工工艺：①将基质沥青放入160℃烘箱中，烘至流体状态；②按质量称取外掺15％的40目橡胶粉；③将基质沥青放入搅拌器内，边搅拌边倒入橡胶粉；④将搅拌好的沥青放入185℃的烘箱，发生溶胀反应。表1为基质沥青与橡胶沥青、高黏沥青技术指标。

研究所用的矿料为花岗岩，其技术指标符合JTG  F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

已有的研究成果表明，宜选用较为粗的级配来设计OGFC混合料，这是基于骨架结构稳定的思想对级配进行优化。使用CAVF法进行级配设计，并结合广东地区的优化级配范围，选取3个级配进行试验，优化级配范围及试验级配见表2。相比于现行的OGFC规范级配范围，该级配范围降低了4.75ｍｍ的通过率，保证了沥青混合料的空隙率，减小了细集料对骨架的干涉，更容易形成骨架，提高抗车辙能力。因为施工现场的热料仓内10～15ｍｍ这一档石料中，筛孔13.2ｍｍ的通过率一般都在85％以上，所以不建议按照中值80％来试选级配。

通过成型马歇尔试件得出级配1空隙率约为18％，级配2为20％，级配3为23％，都满足空隙率大于18％的要求。OGFC路面通常选用性能较好的改性沥青，由于该研究采用的是普通70＃沥青为基质沥青进行改性，考虑到路面动稳定度、抗水损害及抗剥落性能，在满足OGFC设计要求的前提下宜选用较小的空隙率，所以选取级配1为优选级配。为提高花岗岩与橡胶沥青的黏附性，掺入0.4％的卡洛胺来提高黏附性。

(1)估算沥青用量

依据经验公式，估算橡胶沥青OGFC混合料的沥青用量，如式（1）、（2）所示。

式中：Ａ为集料总的表面积；Ｐｂ为沥青用量；ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075ｍｍ筛孔的通过质量百分率；ｈ一般取14μｍ。并结合析漏、飞散等试验来选定最佳油石比。

(2)最大沥青用量的确定

依据析漏损失与油石比的相关关系确定最大沥青用量。析漏试验结果如图1所示。

由图1可知：随着油石比的逐渐增加，析漏损失也不断增加，当沥青用量大于6.5％时，析漏损失上升的趋势逐渐平缓；曲线在6.1％左右出现了拐点，将其定为最大沥青用量。

３)最小沥青用量的确定

依据飞散损失和油石比的相关关系确定最小沥青用量。飞散试验结果如图２所示。

从图2可知：随着油石比的增加，飞散损失逐渐下降，当油石比大于6.1％时，飞散损失曲线有逐渐平稳的趋势，并且在油石比为5.7％出现了拐点，将其定为最小沥青用量。

4)确定最佳油石比

为确定最佳油石比，成型油石比分别为4.5％、5.0％、5.5％、6.0％的马歇尔试件，并进行马歇尔稳定度试验。马歇尔稳定度试验结果如图3所示，稳定度在油石比为5.5％～6.0％时达到峰值。由于OGFC沥青膜较厚，当沥青用量较少时，集料之间的黏结力不强，所以稳定度不高。

根据沥青用量与混合料密度、空隙率、沥青饱和度等指标的相关关系综合确定最佳油石比为5.8％，并开展配合比验证试验。

以最佳油石比5.8％成型马歇尔试件。该试件表面有较好的凹凸构造，能增大路面抗滑能力。由于OGFC路面多用性能较好的改性沥青，该文选用高黏沥青作对比试验，试验数据见表3。

由表3可知：在油石比为5.8％时，该混合料的稳定度平均值为4.22ｋＮ，满足规范的要求（大于3.5ｋＮ），且空隙率大于18％，完全可以承载中等及以下交通。高黏沥青混合料稳定度高于橡胶沥青混合料。

水损害是排水沥青路面损坏的重要原因之一，由于大空隙沥青路面在使用过程中与水的接触面积较大，空隙中的水在行车轮胎的挤压下产生动水压力，水更容易侵入路面内部，减弱沥青的黏附性，从而发生掉粒松散等病害。该试验是评定混合料抗水损害的能力，试验结果见表4。浸水马歇尔试验稳定度平均为3.58ｋＮ，为标准马歇尔稳定度（4.22ｋＮ）的85％。

由表4可知：最佳油石比沥青混合料的残留稳定度符合规范要求，说明橡胶沥青混合料具有良好的水稳定性，能够在较大降雨量的环境下保证其耐久性。相较于高黏沥青混合料的残留稳定度，可以看出橡胶沥青混合料有接近高黏沥青的抗水损害能力。

从开级配路面的抗滑和降噪的使用性能出发，在满足混合料具有较大空隙率的前提下，要考虑到它的耐久性。所以在20℃条件下进行了OGFC－13沥青混合料肯塔堡飞散试验，模拟混合料在承受动态荷载条件下的质量损失，用以评定其抗剥落性能。油石比为5.8％，试验结果见表5。

橡胶沥青混合料平均飞散损失率为13％，满足改性沥青OGFC－13混合料检验指标中飞散损失率不大于20％的要求，主要原因是集料表面裹附了足够厚的沥青，使得集料之间有足够的黏结力，所以混合料在荷载的作用下有足够的抗剥落性能。

析漏试验用以评定混合料的稳定性，检查混合料中是否有多余的自由沥青，当析漏出的沥青量较多时，应减少沥青用量，避免混合料在运输过程中发生胶浆离析。析漏试验结果见表6，满足改性沥青OGFC－13混合料析漏试验指标中结合料损失率不大于0.3％的要求。

由表6可知：当橡胶沥青混合料在185℃的高温条件下进行析漏试验，析漏损失为0.07％，远小于规范要求。这说明最佳油石比混合料的细集料与沥青形成的胶浆紧紧地裹附在粗集料的表面，没有多余的自由沥青在高温条件下发生离析，只有接触烧杯的少量残留物黏附在烧杯壁上。

采用车辙试验评定沥青混合料的高温稳定性，在60℃条件下进行了OGFC－13沥青混合料车辙试验，动稳定度的平均值为1546次／ｍｍ，满足规范中对于一般交通OGFC路面动稳定度大于1500次／ｍｍ的要求。采用高黏沥青的OGFC混合料，其动稳定度为4359次／ｍｍ，远大于橡胶沥青混合料，但摊铺温度高，施工难度大，消耗能源多，对于一般交通路面来说造价高。

当基质沥青掺入橡胶粉改性后可以提高沥青的弹性恢复能力，增大混合料的抗裂性能，且橡胶沥青将会有较低的脆化点温度，这使得橡胶沥青混合料在低温时仍然具有一定的变形能力，具有较高的应变值。劈裂试验主要检测其低温抗裂性能，试验结果见表７。

渗水量是排水路面的一个重要指标，对于确保雨天的行车安全具有重要意义，为了模拟在持续降雨过程中的路面排水情况，渗水试验采用常水头，得出每分钟的渗水量。由于路面面层的厚度较薄，此次试验做出了不同厚度情况下每平方厘米一分钟的渗水量，试验结果见表8。

由表8可知：路面面层厚度对渗水量有明显的影响，面层越薄渗水性能越好，当厚度大于8ｃｍ时渗水量下降的趋势会逐渐平稳。综上所述，可以发现该配合比的沥青混合料在大雨天能够排出大量的路表积水，明显改善行车条件，提高行车安全。

研究设计了橡胶沥青OGFC混合料，并开展室内试验对其路用性能进行验证，得到以下结论：

（１）对比分析室内试验检测普通70＃基质沥青与橡胶沥青得出的性能指标，可以看出橡胶粉对基质沥青的性能有明显的改善作用。

（２）针对橡胶沥青OGFC混合料配合比设计进行研究，确定了更容易形成骨架设计级配。并结合析漏试验与飞散试验的验证，确定试验级配的最佳沥青用量为5.8％。

（３）橡胶沥青OGFC混合料具有较好的水稳定性和良好的排水性，其他各项路用性能指标均符合规范要求，可用于南方多雨的中等及以下交通路面。