废橡胶粉改性沥青混合料配合比设计

摘要：利用废旧轮胎制成胶粉并用于改性沥青修筑公路，取得了较好的社会效益和经济效益。但配合比设计的优劣是影响沥青混合料质量的重要因素，为此，本文对废橡胶粉改性沥青混合料配合比设计进行了相关研究，确定了设计级配方案最佳油石比，得出了胶粉掺量、胶粉细度对沥青性能影响较小的结论，对生产出高质量的胶粉改性沥青混合料有一定参考价值。

关键词：废橡胶粉；改性沥青；配合比设计；胶粉掺量；油石比影响

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

近年来，我国居民汽车的数量逐年增加，废旧轮胎的处理成为了一大难题。将废旧轮胎加工成为胶粉并用于改性沥青修筑道路路面，替代了价格昂贵的SBS作沥青改性剂是一种既经济实用又简单有效的方法，同时还可以改善沥青的高低温性能，减缓路面裂缝的出现，提高路面的抗老化能力和路面使用寿命。但是，目前国内在胶粉改性沥青混合料配合比设计方面缺乏相关规范，很难获得高质量的胶粉改性沥青混合料。为此，本文就对废旧轮胎胶粉改性沥青混合料配合比优化设计进行了相关研究。

1 废橡胶粉改性沥青混合料配合比设计方法

胶粉改性沥青中橡胶粉含量较高，一般在15%以上，胶粉细度从20目到80目不等，相对于常规的聚合物改性剂，橡胶粉颗粒较大，因此会影响沥青混合料中矿料的嵌挤状态，为适应胶粉改性沥青这一特性，混合料设计中通常减少细集料用量，增大矿料间隙率，为胶粉改性沥青提供充分的空间，避免胶粉对集料嵌挤形成干涉。本研究中混合料级配设计采用按体积比设计沥青混合料的CAVF法，正是出于以上考虑，保证混合料中粗集料的充分嵌挤。该设计方法基于两个基本假定：

（1）假定细集料的颗粒不对粗骨料的嵌挤结构形成干涉；

（2）细集料与沥青混合的胶浆也不对粗骨料的嵌挤结构形成干涉。

在上述基本假定成立的基础上，首先根据经验设计主骨架，实测其空隙率，然后根据主骨架空隙率以及沥青混合料设计目标空隙率确定细集料及矿粉和沥青的用量，使细集料体积、矿粉体积、沥青体积以及沥青混合料的目标空隙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。根据初步拟定的配合比设计，进行马歇尔试验，测定体积指标，以设计目标空隙率作为主要控制指标，确定最佳配合比。

2 废橡胶粉改性沥青混合料配合比设计

胶粉改性沥青混合料的级配设计中选用40目胶粉，掺量为20%（内掺，即胶粉：基质沥青=20∶80）。级配设计过程如下：

（1）对10～15mm、5～10mm两种粗集料分别按4∶6、5∶5、6∶4、7∶3测定主骨料紧装空隙率。测试结果见表1。

表1 粗集料紧装密度

由表1可以看出，当两种粗集料按6∶4掺配时，紧装密度最大，主骨料紧装空隙率最小，即主骨架获得最佳嵌挤效果，ρsc=1.70g/cm3，Vvc=40.99%。

（2）根据沥青混合料设计的主骨料空隙体积填充法的两个基本假设，细集料体积、矿粉体积、沥青体积以及沥青混合料的目标空隙体积的总和等于主骨架空隙体积。可以得到式（1）和式（2）两个关系式。根据以上所确定的各已知量，利用式（1）和式（2），联立求解即可求出粗集料用量qc和细集料用量qf：

qc+qf+qp=100 (1)

(2)

式中：

qc、qf、qp、qa分别为粗集料、细集料、矿粉以及沥青用量百分数；

ρsc为粗骨料紧装密度，

ρtf、ρp分别为细料、矿粉的表观密度，

ρa为沥青的密度；

Vvc、Vvs分别为主骨架紧装空隙率百分数及沥青混合料设计目标空隙率百分数。

初拟矿粉用量6%，目标空隙率4%，以7.0%油石比为中值，间隔0.5进行5组配合比设计，计算得设计结果，见表2。

表2 混合料配合比设计

设计级配符合《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》（交通部公路科学研究院）中ARC-16的级配范围（《指南》中对1.18、0.3、0.15三个筛孔未作要求），级配曲线见图1。

图1 设计级配曲线

（3）分别制作马歇尔试件，测定体积指标。试验结果见表3。

表3 混合料体积指标测试结果

试验结果表明：当油石比为7.0时，空隙率为4.3%，最接近设计目标空隙率4%，同时稳定度最大值也出现在油石比7.0%处。因此，选定7.0%为最佳油石比进行下一步试验研究。

3 胶粉掺量对最佳油石比影响研究

采用马歇尔试验测定不同胶粉掺量下的空隙率及马歇尔稳定度，胶粉掺量分别为0%、10%、15%、17.5%、20%。测试结果见表4及图2。

表4 胶粉掺量对空隙率及油石比影响

图2 不同胶粉掺量下油石比变化曲线

由表4和图2分析可知，随着胶粉掺量变化，设计目标空隙率对应的油石比并无明显变化趋势，且各掺量下油石比均在7.0%附近。考虑到试验中不可避免存在少量误差，可以认为胶粉掺量对沥青混合料最佳油石比几乎没有影响，最佳油石比均为7.0%。从稳定度试验结果（见图3）分析，也证明胶粉掺量对沥青混合料最佳油石比影响甚微，稳定度最大值均为油石比7.0%的沥青混合料。相对于胶粉掺量，胶粉细度对沥青性能影响较小，因此，可认为胶粉细度对油石比没有影响。

4 结语

总之，只有通过合理的配合比设计，才能生产出高质量的胶粉改性沥青混合料，才能够充分发挥胶粉改性沥青的优良路面性能。实践表明，采用主骨架空隙填充法进行胶粉改性沥青混合料级配设计，最佳油石比为7.0%，并且随着胶粉掺量变化，设计目标空隙率对应的油石比并无明显变化趋势，且各掺量下油石比均在7.0%附近。

参考文献

[1] 杨春峰 王晓初 李赢 王奕鹏，橡胶粉改性沥青混合料的应用实践[J].公路, 2010.10

[2] 刘盛春 阎立峰 姜鹏 王小强 张锋, 轮胎胶粉改性沥青混合料配合比设计与性能评价[J].中外公路,2009.03

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。