邵小军 张龙

摘要：为了解决冬季高速公路路面冰凌所产生的严重危害，文章研究了高弹粗糙型橡膠颗粒沥青混合料（HRRAM）的级配组成及拌合、成型工艺，并通过车辙试验、低温弯曲应变试验和冻融劈裂试验等分析了卜FRAM的高低温性能和水稳定性能等路用性能，还通过室内HRRAM冰凌模拟试验来评价HRRAM的除冰效果。试验结果显示：PRRAM的动稳定度、低温弯曲应变、残留稳定度和冻融劈裂强度分别为3624次/mm、3648uε、85%和80%;在冰层厚度4am，-2℃下卜1F{RAM试件表层冰凌有效破损率为38，6%。这些结果表明PRRAM具有良好的路用性能和除冰凌效果。

关键词：冰凌;沥青混合料;橡胶颗粒;路用性能

中图分类号：U414 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.007

文章编号：1673-4874（2019）08-0022-06

0引言

在冬季，高原山区潮湿路面经常出现冰凌，路面的抗滑性能也会受到大幅度折损，对交通安全影响严重。为了改善在冬季冰凌路面行车的安全性，从国内外研究来看，橡胶颗粒沥青混合料在路面工程上的应用得到了普遍肯定，该材料具备较好的路面除冰功效。由于现行沥青配合比设计方法不能满足该除冰技术的需要，为了改善橡胶颗粒沥青混合料的路用性能以及使其除冰凌效果更加显著，本文对HPRAM的橡胶颗粒的特征参数、沥青混合料结构形式、主要材料选择、级配、拌合及成型方法以及配合比的确定进行了研究。

HRRAM的实质是在混合料中掺加若干种或者一种具有级配的橡胶颗粒，用于取代因对应粒径和体积数量的集料而设计的沥青混合材料。该材料由于高弹、高形变能力的橡胶颗粒的存在，使得HRRAM沥青路面结构整体的弹性变形能力显著增加，在车辆作用下，HRRAM路面表层的橡胶颗粒周围将产生集中多向应力，使路表和冰凌在荷载接触面上产生相对不规则位移;而对于无荷载处或者远离荷载处，冰凌和路表是相对静止的，使路表冰凌产生内应力，由于冰凌层很薄，其自身以及冰凌与路表之间的粘结强度无法抵抗这些应力，这样就会使冰凌在有荷HFBAM路面上产生破碎剥离，从而使得HRRAM路面具有良好的除冰性能。

1HRRAM用橡胶颗粒要求

HRRAM中的橡胶颗粒是以集料的形式存在的，其用来填充沥青混合料中的空隙，并且其表面会与沥青之间发生一定的扩散作用，有利于改善HRRAM材料内有效沥青的性质，橡胶颗粒与有效沥青一同贡献于HRRAM混合料的路用性能，橡胶颗粒自身的弹韧性和稳定性对于混合料的整体性能乃至混合料的减震效果都发挥作用。因此本文先对橡胶颗粒的级配组成、形状特性以及弹性性能进行探讨。

为了确定不同粒径分布的橡胶颗粒对沥青混合料的影响，参考国外最早出现商品化的橡胶颗粒材料Plus Ride的规范级配要求，试验选取表1所示的三种不同级配的橡胶颗粒，内掺质量统一为2.5%，混合料级配采用规范中SMAl 3的级配中值，并分别进行了混合料空隙率、飞散损失试验，试验结果见表2。

由表2可以看出，采用Rubber-3设计的混合料具有较小的空隙率及飞散损失率，而采用Rubber-1和Rubber-2设计的混合料空隙率及飞散损失都相对较大，由此可以说明橡胶颗粒的级配对混合料的性能有较大的影响。分析这种结果的原因在于橡胶颗粒之间的干涉作用，尤其当级配较细时，容易出现结团的现象，导致混合料的空隙率和飞散损失等出现较大的增加。根据试验结果，建议橡胶颗粒通过筛孔尺寸4.75mm：2.36mm：1.18mm的级配范围分别为95%～100%：10%～20%：0%～10%。

根据现有的国内外科研成果，I'-RRAM应优选形状细长扁平含量<10%且邵氏硬度≥55度的橡胶颗粒，其原理就是因为不良颗粒性状对HRRAM材料负面影响较大，本文不再赘述。

2HRRAM组成设计方法

为了使混合料获得良好的路用性能，对HRRAM原材料的要求及选择、级配组成设计方法、油石比的确定、室内拌合和成型工艺等进行了研究。

2.1材料要求和选用

作为胶结料的沥青选用中海品牌的A级70号道路石油沥青并掺加20%橡胶粉制备的改性橡胶沥青。采用江苏句容茅迪集团生产的玄武岩碎石，规格为5～10nln、10～15m。采用重庆渝北玉峰山生产的0～5mm的细集料和填料。采用0～3m及3～5mm安照1：6质量比掺配而成的橡胶颗粒，其各项检测参数见表3。

2.2HRRAM级配组成设计

2.2.1HRRAM结构类型

由于HRRAM中的橡胶颗粒具有良好的弹性变形能力，加之混合料类型选择不当都可能造成后期混合料的膨胀过大进而增加内部空隙率，降低HRRAM的路用性能。因此HRRAM应选择在压实工艺相同条件下，混合料内部的空隙率最小，即膨胀率最小的面层结构类型。为了明确HRRAM的结构类型，试验选取AC-10、AC-13、SMA-10、SMA-13四种常用混合料类型，橡胶颗粒的掺量控制在2.5%，设计级配选取规范级配范围中级，击实过程均采用双面击75次，比较在最佳油石比下混合料试件的膨胀率。膨胀率是指混合料脱模后增加高度与混合料成型后高度的比值。试验结果见表4。

试验结果表明SMA-13的膨胀率最小，HRRAM优选面层结构类型SMA-13才能保证混合料具有良好的密实性，提高混合料的路用性能。分析其原因为间断级配混合料由于“集料一橡胶颗粒”之间形成了密实的骨架结构，具有牢固的嵌挤力，能有效抵制橡胶颗粒膨胀释放的应力，因此其试件的膨胀率较低。

2.2.2HRRAM基准级配

HRRAM采用SMA-13型级配结构，橡胶颗粒以内掺的方法等体积替代部分集料。由于HRRAM和替代前SMA-13的骨架在结构上是完全相同的，因此可以从不掺加橡胶颗粒的SMA-13沥青混合料研究HRRAM的最佳基准级配。在优化矿料级配时，应以4.75mm为关键筛孔，控制其通过率分别为29.3%、27.4%及26.5%，初试级配的选取和组成见表5。

根据SMA-13经验油石比，取油石比为6。0%，按照马歇尔方法制作马歇尔试件，測定VMA及VFA等指标，测试结果见表6。

由表6可以看出，级配A、级配B和级配C均满足压实状态下沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCAmix小于没有其他细集料、结合料等存在时的捣实状态下的粗集料松装间隙率VCADRC的要求，且VMA均>17.0%。但由于级配A的空隙率相对较小以及其各项指标较接近设计值，因此将级配A作为HRRAM的基准级配。

2.2.3HRRAM最佳油石比确定

橡胶颗粒作为骨料加入到混合料中，为了保证混合料的骨架结构不变，内掺2.5%的橡胶颗粒等体积替换等粒径的普通集料。根据已经确定的HRRAM的基准级配经计算机处理可得换算后的HRRAM设计级配见表7。依据现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行马歇尔试验来确定掺量为2.5%橡胶颗粒的HRRAM最佳油石比。

（1）HRRAM室内拌合和成型工艺

HRRAM采用常规的一次性成型工艺压实后的混合料的结构容易发生膨胀、松散、压实度较低等现象，原因在于温度尚未降低至室温的沥青混合料中的橡胶颗粒由于弹性恢复而引起的二次膨胀所致，对HR-RAM进行二次成型工艺压实发现其膨胀率跟橡胶沥青混合料几乎一致。因此在拌合中，应首先使橡胶颗粒和已经加热至180℃～185℃的粗、细集料在170℃～175℃下开始拌合，时间在25～35s为宜，再加入温度为165℃HRRAM沥青于拌合锅内拌合60～120s，最后加入石灰石粉再拌合均匀。混合料成型方法的其他条件与马歇尔试件成型方法的无异，只是击实遍数和次数有所区别，即试件先在145℃～155℃进行双面各击50次成型后在室温条件下冷却至90℃～100℃时，再第二次双面各击25次最终成型。

（2）马歇尔试验结果

采用上述拌合和成型工艺进行的马歇尔试验结果见表8。

从试验结果可知，掺量为2.5%橡胶颗粒的HRRAM在不同的油石比的条件下，混合料的体积参数均满足设计技术要求。

根据SMA沥青混合料油石比的选取原则，空隙率控制在3.5%，则橡胶颗粒掺量为2.5%的最佳油石比应选取6.4%。

3HRRAM路用性能检验

3.1高温稳定性能

HRRAM高温稳定性能采用车辙试验方法。根据马歇尔试验得到的最佳油石比为6.4%，采用HRRAM室内拌合和成型工艺，制备一组试件进行车辙试验。试验温度取60℃。试验的结果为：动稳定度3624次/mm，符合现行JTG F40-2004中对夏热区动稳定度≥3000次/mm的技术要求。

3.2低温抗裂性

HRRAM的低温性能检验采用低温弯曲应变试验。试件的拌合和成型方法与车辙试验没有区别。试件尺寸采用了30mm×35m×250mm（可用车辙试件加工）的试件，试验温度采用-10℃，按照JTGE20-2011中T0715-2011的试验方法进行。试验结果表明：橡胶颗粒掺量为2.5%的HRRAM试件在最佳油石比为6。4%时低温弯曲应变为3648，满足《公路沥青路面施工技术规范》对西南冬温区改性沥青混合料弯曲应变≥2500次/mm的技术要求。

3.3水稳定性

本文采用残留稳定度和冻融劈裂试验检验HRRAM的水稳定性。试验结果得到残留稳定度为85%，冻融劈裂强度比为80%，满足规范对于改性沥青混合料残留稳定度≥80%以及冻融劈裂强度比≥75%的要求。

4HRRAM除冰凌性能研究

对HRRAM路面的除冰凌机理进行了研究，提出适用于HRRAM除冰凌模拟的试验方法。采用室内HRRAM除冰凌的模拟试验分别对不同温度和冰层厚度下HRRAM除冰凌效果进行研究，并提出了除冰凌效果的评价方法和评价指标，确定了HRRAM路面除冰凌性能的适用范围。

HRRAM路面除冰机理的研究表明，HRRAM路面在足够的荷载外力作用下，具有良好的弹韧性和应变性能，由于橡胶颗粒与集料模量差的存在，在外力的作用下，路表冰凌与路面变形难以协调，再加上路表产生形变以及橡胶颗粒产生形变后必然导致路表温度上升，造成了路表和冰凌接触面的粘结力下降，这样也就使得冰凌与路表之间极易发生相对位移，从而体现HRRAM路面有效除冰的优越性。

目前在路面除冰性能的研究中，刘晓鸿利用MTS材料的试验系统，对试件施加静荷载进行除冰试验。但该试验采用的是静载加荷，而事实上路表冰层承受的车辆荷载是动态的，冰凌层和路面也不仅仅受到法向作用力，在动载行进方向上也受到切向作用力，并且距离接触面越近荷载越大，因此对刘晓鸿的试验方法进行如下改进，如下页图1所示。将静载方式改进为采用连续走动的恒压力橡胶轮代替作为动载，以更接近实际荷载状态。提出除冰效果评价试验方法如下：

（1）制备300mm×300m×50mm的基准及HRRAM车辙试件。

（2）同条件下将基准试件和HI：RAM试件形成一定厚度冰凌层，并低温（-2℃或-4℃）恒温4h。

（3）使环境温度与冰凌试件温度一致，然后将控制试验机胶轮对带冰凌的试件进行加载，加载强度为为0.7MPa。

（4）启动试验，保持橡胶轮在冰凌上往返20次。

（5）停止试验，卸载压力，观察冰凌的试验情况，整理结果计算得出冰凌破坏率，评价HRRAM的除冰效果。

为了评价室内冰凌模拟试验中HRRAM的除冰效果，提出了观察法和计算法这两种适用于室内试验研究的方法。观察法是试验停止后对HRRAM试件表层的冰凌性状进行观察，包括裂缝数量和裂缝宽度以及破碎程度等定性分析的方法。计算法是采用冰层的有效破损率入这个评价指标。所谓的冰层有效破损率入是指模拟试验停止后对橡胶轮迹作用区的冰凌层产生裂纹数量、裂纹宽度以及长度进行叠加计算出所有裂缝长度，用其除以橡胶轮作用区冰层的面积。为了研究温度对HRRAM除冰的影响，采用基准橡胶沥青混合料试件和HRRAM试件分别在4mm、-2℃和4mm、-4℃条件下进行冰凌模拟试验，试验结果见，图2和表9。

从表9可以看出，在试件厚度和温度都相同的条件下，HRRAM试件的冰层有效破损率明显大于基准沥青混合料试件;从图2中可见HRRAM试件表层的冰凌有裂纹、破损及冰凌破碎的迹象，而基准橡胶沥青混合料试件表层仅有少许裂纹出现，或者无任何变化。这说明HRRAM试件相对于基准沥青混合料试件有明显的破冰效果。对比冰层厚度4m、-2℃和4mm、-4℃条件下HRRAM试件表层冰凌的破坏情况，发现一4℃条件下HRRAM试件冰层的有效破损率低于-2℃条件下HRRAM试件冰层的有效破损率。这說明HRRAM试件随着温度的降低其除冰效果逐渐降低，表明温度对HRRAM试件的破冰效果有较大的影响，当温度>-4℃时，HRRAM试件的破冰效果较好。

为了研究冰层厚度对HRRAM试件破冰的影响，采用基准橡胶沥青混合料和HRRAM试件分别在2mm、4mm、7mm的冰凌厚度下进行冰凌模拟试验，试验温度为-2℃，试验结果见图3。

从图3可以看出，在试验温度均为一2℃的条件下，基准沥青混合料试件的冰凌层破损率虽然随着冰凌层厚度的降低而有所增加，但是其增加的幅度不大;而HRRAM试件的冰凌层破损率随着冰凌厚度的降低而增加的幅度相对较高。在相同的试验条件下，HRRAM试件的冰层破损率远远大于基准沥青混合料试件冰层破损率，由此可见HRRAM相比较于基准沥青混合料试件具有较好的除冰效果。当冰层厚度>4mm时，HRRAM试件的冰层破损率<10%，破冰效果比较差，因此认为I-RRAM试件在除冰效果方面更适应于<4mm厚度的冰层。

5结语

（1）HRRAM对于橡胶颗粒的级配组成、形状特性以及硬度都有严格的要求。在进行HRRAM设计时，应优选形状细长扁平含量<10%且邵氏硬度≥55度的橡胶颗粒，推荐其通过筛孔尺寸4.75mm：2.36mm：1.18mm的级配范围分别为95%～100%：10%～20%：O%～10%。

（2）HRRAM优选SMA-13面层结构有利于“集料一橡胶颗粒”之间形成密实的骨架结构，较好地抵制橡胶颗粒膨胀释放的应力，保证HRRAM材料具有良好的密实性。

（3）与橡胶沥青混合料相比，HRRAM采用常规的一次性成型工艺压实后容易发生膨胀、松散以及压实度低的现象。为了避免这些问题，采用试件先在145℃～155℃进行双面各击50次成型后室温条件下冷却至90℃～100℃时，再第二次双面各击25次最终成型。

（4）提出适用于HRRAM除冰凌模拟试验方法。该方法将静载加荷方式进行改进，采用可以连续左右走动的橡胶轮代替，既保证冰凌层受到竖向的荷载作用，同时又模拟了车轮对冰凌的剪切作用，更贴近于实际情况。

（5）与橡胶沥青混合料相比，在相同的温度和冰凌厚度情况下，HRRAM的除冰凌效果更好。但是冰凌的温度和厚度情况对于HRRAM的除冰效果影响比较显著。表现为随着温度的降低HRRAM的除冰效果逐渐降低;同样随着冰凌厚度的增加，HRRAM的除冰效果越来越差。综合考虑认为HRRAM除冰效果更适应于<4mm度的冰层。