(重庆交通大学材料科学与工程学院 重庆 400041)

引言

胶粉沥青混合料具有优良的使用性能，但也有其局限性。根据现有的规范以及标准，试验可行性都是在无掺加的沥青混合料范围内，胶粉颗粒作为细集料加入级配，因为其本身所具有的高弹性，使得混合料难以压实，因而其体积和性能参数的测定均有局限性。现有文献和专著，还未就这个问题提出根本的解决办法。为了改善胶粉沥青混合料不易压实的特点，采用调整级配的方法，得出设计中较为良好的沥青混合料的级配，并检验其相关体积参数和性能指标。

一、成型条件影响

橡胶沥青起源于美国，路用橡胶沥青材料的发展始于20世纪30年代，在同中期就已经应用于沥青混合料中并评估了各种橡胶对石油沥青性能的影响。70年代，研究表明橡胶沥青混合料性质变化的因素有：橡胶类型、橡胶粒度、橡胶含量、沥青类型、反应时间以及温度等。随后十几年的时间美国建成了若干条橡胶沥青混合料公路，联邦公路局实施相关法案分为两个阶段，第一段是由佛罗里达州牵头总结经验[2]。第二段由俄勒冈牵头确定橡胶沥青混合料长期性能以及评价可再生性[3]。威斯康星州运输部的研究不仅描述了废胶粉沥青的性质，且其结果表明，废胶粉的加入影响了混合料的空隙率和摩阻力。这与材料的性质和密实程度有关[1]。

干法橡胶沥青混合料是指将废胶粉颗粒按照等体积法替换一部分细集料直接加入到集料中进行混合，再与沥青拌合得到的混合料。干法工艺中的橡胶颗粒作为集料加入，而不是作为沥青的改性剂。由于橡胶的密度远远小于集料的密度。因而混合料设计过程中应注意橡胶颗粒对沥青混合料的体积参数的影响[4]。

废胶粉沥青混合料虽然可以消耗大量的废胶粉，同时提高路面的路用性能、降低车辆行驶的噪音等性能，但由于沥青和集料的粘结力不足，使混合料难以压实，即空隙率过大，最终造成路面松散。空隙率，是指颗粒之间的空隙以及石料的开口孔隙占堆积体积的比例，在沥青混合料性能方面有很大影响；空隙率过大或过小，沥青混合料都会在一定程度上引起病害，对路用性能造成一定程度的损害[5]。已有的文献就废胶粉沥青混合料体积参数的影响因素有了一定的分析，就废胶粉沥青混合料试件制备的内因和外因，做了一定的分析。

(一)集料性能

薛小刚认为，影响空隙率的因素主要在矿粉[6]。矿粉在沥青混合料中起到非常重要的作用，可以影响混合料的强度、耐久性、变形能力、路用性能等多项指标。根据他们所做的试验结果分析，随着矿粉用量的加大，空隙率明显减小。但到了一定量之后，加大矿粉用量并不会改善相关体积参数，并且过多的矿粉需加入较多的沥青，还会影响混合料的粘附性。同时,矿粉作为沥青混合料中至关重要的原材料之一，如果使用量过多会导致沥青膜厚度难以满足要求，使得混合料变脆，容易开裂造成早期损坏[7]。亚利桑那州、加州、佛罗里达州、俄勒冈州等的Pelham试验路以及PlusRide工程的道路成果均表明，矿粉的选择对沥青混合料体积参数有较大影响。

文献表明，废胶粉沥青混合料的主要影响因素为基质沥青。沥青用量过低，又会导致沥青混合料因粘结材料不足而无法成型。通过他们的试验结果表明，较软的基质沥青与橡胶颗粒之间更容易相容，且沥青粘度也会因影响胶粉的溶胀时间而改变混合料的性能。除此之外，他们还发现，低温性能较差的基质沥青相比与低温性能较好的沥青来说，胶粉加入的改善程度较大。同时，来源不同的同等级沥青，也会因为沥青分子量的函数不同导致胶粉沥青混合料性质不同。

至于粗细集料，文献表明，保持4.75mm以上的集料总量一定，改变4.75～9.5mm和9.5～13.2mm的相对含量，发现随着9.5mm以上的集料增多，胶粉作为填充空隙的细集料所能发挥的作用越大，导致空隙率逐渐减小。因而提升了混合料的性能[8]。

(二)胶粉性能

在以往的工程实践中，废胶粉的掺加量大约占18%～22%，大量工程选择废胶粉的掺加量为20%对沥青混合料进行改性。高掺量下必然会影响混合料的可压实性，产生不易压实和粘结力差等问题。加入胶粉，会使得混合料的高温抗车辙、低温抗裂以及抗水损害能力均有所提高。很多文章证明，存在着胶粉越细。橡胶沥青性能越好的趋势[16]。但有些文献学术研究认为。目前在橡胶沥青混合料中不断的追求粒径小的精细胶粉并不合理[9]。Lalwani报道，粗糙性随着胶粉粒径的降低而增加。导致改性沥青性能降低[10]。

(三)拌和条件

李廉认为影响废胶粉改性沥青混合料体积参数的主要因素是改性温度[11]。通过试验以及总结前人经验，他们得出溶胀温度应控制在180～200℃之间为最佳。朱梦良等人也认为，温度是极其重要的可调节因素，当温度降至160℃以下，在这个阶段中拌和温度可以改善压实质量。空隙率呈现出“直线”的增大趋势[12]。Lalwani和Jimenz以及很多文献均表明，温度对改性沥青混合料至关重要。在高温情况下，橡胶会发生脱硫和降解现象，且高的拌合温度下没有不利的粘度。车辙试验表明其仍然具有较好的粘弹性[13][14]。

Billiter以及钟阳等人的研究表明，较高的剪切速率可以改善、优化粘合剂的中、低温流变性质。同时可以显著的增加橡胶与沥青之间的相互作用[15]。剪切速率越大，橡胶越容易分散，越有利于橡胶的溶胀，增加两者之间的相互作用，从而改善粘合剂的性质。

(四)击实次数

裴建中等人认为，认为影响废胶粉沥青混合料体积参数的主要因素是击实次数[17]。实验室制作马歇尔试件通常选用双面击实75次的试件，冻融劈裂试验试件通常选用双面击实50次的试件。通过大量试验数据可知，75次马歇尔击实马歇尔试件的空隙率比50次明显偏小，且双面击实75次的试件的空隙率比加入橡胶粉的小，说明橡胶粉的加入改变了混合料的空隙结构，部分橡胶粉填料填充了混合料的空隙，使空隙率减小[5]。同时击实次数也决定了成型试件的高度，如果击实次数不足以使得混合料达到密实状态，造成空隙率过大，同样会导致混合料出现病害。

(五)稳定剂的选择

稳定剂是指能增加溶液、固体、混合物等稳定性能的化学物质，能够减慢反应、保持化学平衡等作用。在废胶粉沥青混合料中加入稳定剂是为了改善基质沥青与橡胶粉之间的相容性，同时提高废胶粉颗粒与基质沥青的界面性能，并起到增塑作用。高芳烃油在没有破坏胶粉粒子的网状结构之外，在沥青和胶粉之间起到“桥梁”作用，使得废胶粉沥青混合料的性能得以优化[15]。

(六)级配影响

设计关键筛孔通过率不同的三组级配，了解级配对废胶粉沥青混合料的影响。对比发现其理论最大相对密度差异不大，但对比毛体积相对密度，较粗的密度较大，较细的较小，因为密度的影响，直接导致空隙率的不同。胶粉作为细集料的一部分被掺入到混合料之中，当集料级配较粗时，胶粉虽然强度较低，但可以作为细集料的一部分填充粗骨料产生的空隙，并且其自身所具有的吸附功能，可以吸附一定量的沥青，使得混合料“粘结”更加牢固。当集料级配较细时，本身较多的细集料在填充粗骨料已有空隙的同时还有部分剩余，这部分剩余的细集料会使得骨架结构被撑开。而且胶粉的回弹性能，会在混合料压实冷却的过程中发生回弹，进一步破坏混合料的结构，产生更多的空隙，反而使得密度下降，难以达到混合料自身强度状态。

二、相关参数影响

发现加入胶粉使得沥青混合料的体积参数进行优化，其毛体积相对密度、理论最大相对密度在一定程度上有所增大，其空隙率减小，相关体积参数的优化理论上会使得沥青混合料的性能进一步改善，说明加入胶粉会使得混合料更加密实，不易产生空隙。但胶粉因自身强度性质较差，且具有一定的弹性性能，掺入混合料后在一定程度上难以与替换的细集料承受等同的压力，因而可能会使得混合料整体强度下降。

(一)高度变化

不掺加胶粉的混合料击实后和脱模后的高度相同，而掺加胶粉的高度均发生变化。数据表明，胶粉在压实混合料体系中依然具有回弹的性质，使得混合料的高度发生变化。高度的增长，使得混合料内部结构出现空隙，密度减小。并且随着油石比的增大，高度差均变小。沥青用量增加，使得胶粉含量在整个体系中降低，宏观表现为高度差减小。级配较粗，混合料留有较大空隙，胶粉的高弹性质对混合料影响较小。

(二)空隙率

加入胶粉，使得混合料密实度不同程度减小。因为胶粉的密度不足细集料的一半，等体积掺量下整个结构密度降低，同时胶粉自身具有回弹性质，混合料前后高度发生变化，也是密度变化的重要影响因素。

(三)间隙率

不掺加胶粉的混合料空隙率比掺加胶粉的小，说明加入胶粉，增大了混合料各组分之间的空隙。胶粉具有弹性，混合料前后高度的变化一定会引起密度的变化，进一步影响混合料空隙率。当原本设计级配粗细搭配较为合理时，胶粉的加入会使得胶粉因为后期回弹性质将混合料内部结构 “撑开”，导致间隙率增大。因而在设计混合料时，因考虑胶粉的回弹性质，设计较粗的级配，让胶粉成为粗集料之间的填料更佳。

(四)饱和度

加入胶粉的沥青混合料饱和度大于不加胶粉的，说明加入胶粉，骨架以外的空隙部分体积变小，胶粉起到填充的作用。且在大量试验数据下发现，细集料比例越大，饱和度对油石比的变化愈发敏感，数据波动也较大。

(五)稳定度、流值

加入胶粉的混合料稳定度值远大于不加胶粉的混合料稳定度值，说明在受力模式下，即使胶粉作为填充材料，其自身的强度也会造成混合料产生强度损失；而对比不同级配下的混合料发现，较粗级配的毛体积相对密度大，空隙率，矿料间隙率等体积参数小，表现为稳定度值大；而较细级配和中间级配的密度和空隙率等均因胶粉回弹作用的影响，最终表现为抗压强度较低。再者，随着油石比的增大，混合料的稳定度都是先增大后减小，说明沥青用量较小时，混合料密实度较差，强度较低；在合适范围内加大沥青用量，会使得稳定度值增加，然而进一步加大沥青用量时，过多的沥青会导致易变形和泛油现象，反而使强度降低。

混合料的流值，对比胶粉加入与否，发现加入胶粉使得变形量增大，说明强度较差；与稳定度不同的是，流值随着油石比的增大也逐渐增大，没有出现倒缩的现象。

三、结论

废胶粉改性沥青混合料的体积参数受到很多因素的影响，集料的性质，胶粉的性能、剪切速率、搅拌温度、击实次数以及稳定剂的选择等。合适的沥青用量及矿粉，合格的集料质量以及适宜范围内的剪切速率和搅拌温度、根据试验设计的击实次数和稳定剂都是对废胶粉沥青混合料体积参数至关重要的影响参数。但现有混合料相关性能检测的规范和方法具有一定的局限性，使得检验胶粉沥青混合料的数据难以作为有力支撑，因而在做相关参数测试时，应注意选择合适的手段和方法，以保证数据的真实性和可用性。