高速公路橡膠顆粒復合改性瀝青路面耐久性試驗研究

摘要：為了保障橡膠顆粒復合改性瀝青能夠在路面施工中得到合理應用，提出高速公路橡膠顆粒復合改性瀝青路面耐久性試驗研究。本文以某高速公路路面施工工程為基礎，從性能角度對橡膠顆粒復合改性瀝青原料進行準備后，分別制備了橡膠顆粒含量為0%，10%和20%的復合改性瀝青，開展100 m的路面耐久性試驗。測試結果表明，10%使用比例的橡膠顆粒復合改性瀝青的雙對數(shù)擬合曲線參數(shù)具有較大的K值和較小的n值，具有更好的抗疲勞性能。劈裂抗拉強度達到5 MPa，破壞勁度模量為2 500 MPa，破壞勁度模量達到了3 600 MPa。相對于摻入0%的試件，摻入10%的試件殘留穩(wěn)定度提升約12.14%。當混合比增加到20%時，殘留穩(wěn)定度又下降了6.06%，表明摻入10%時，水穩(wěn)定性能較優(yōu)。最終得出，10%比例的橡膠顆粒復合改性瀝青耐久性最好，能夠確保路面質(zhì)量和安全性。

關鍵詞：橡膠顆粒復合改性瀝青；路面耐久性；動態(tài)彎沉測試；低溫性能測試；摩擦系數(shù)測試；滲水性能測試

中圖分類號：TU57+1"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：2096-2118（2024）06-0041-06

Research on Durability Test of Rubber Particle Composite Modified

Asphalt Pavement on Highways

MEN Xuefeng

（Haiwei Engineering Construction Co.，Ltd. of China Communications First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101119，China）

Abstract：In order to ensure the reasonable application of rubber particle composite modified asphalt in pavement construction，a durability test study on highway rubber particle composite modified asphalt pavement is proposed.In this paper，based on a certain highway pavement construction project，the raw materials of rubber particle composite modified asphalt are prepared from a performance perspective，and composite modified asphalt with rubber particle content of 0%，10%，and 20% are prepared，and a 100 m pavement durability test is carried out.The test results show that the double logarithmic fitting curve parameters of rubber particle composite modified asphalt with a 10% usage ratio have larger K values and smaller n values，indicating better fatigue resistance.The splitting tensile strength reached 5 MPa，and the failure stiffness modulus was 2 500 MPa，and the breaking tensile strain is 3 600 MPa.The residual stability of the specimen with 10% addition is improved by about 12.14% compared to the specimen with 0% addition.When the mixing ratio increased to 20%，the residual stability decreased by 6.06%，indicating that the water stability performance was better when 10% was added.Ultimately，it is concluded that a 10% proportion of rubber particle composite modified asphalt has the best durability and can ensure road quality and safety.

Keywords：rubber particle composite modified asphalt；road durability；dynamic deflection test；low temperature performance testing；friction coefficient test；water permeability test

0 引言

高速公路建設對路面性能的要求很高，如果路面性能不足，可能會導致路面的損壞和破裂，影響車輛的行駛安全和道路的維護成本[1-3]。高速公路建設對路面性能的要求如下，首先，路面需要具備足夠的強度和耐久性，能夠抵抗自然因素（如陽光、風、雨、雪等）的侵蝕，以及車輛的反復碾壓。路面耐久性對道路安全也具有極為重要的影響[4]，一方面，可以減少路面的損壞和破裂，減少因路面損壞而引起的交通事故。另一方面，耐久性好的路面可以減少路面的維修次數(shù)和維修時間[5-7]，提高了道路的通行效率。同時，耐久性好的路面可以保持路面的平整度和抗滑性[8]，提高道路的安全性。其次，路面的表面需要保持一定的抗滑性，以確保車輛在雨天或霧天行駛安全[9-10]。最后，高速公路建設需要考慮路面的防噪音性能[11]，以減少車輛行駛時產(chǎn)生的噪音對周圍環(huán)境的影響?；诖耍疚奶岢龈咚俟废鹉z顆粒復合改性瀝青路面耐久性試驗研究，以實際的工程案例為基礎，開展試驗研究。

1 工程概況

首都環(huán)線高速試驗部分工程全長約565.5 km，是一條連接北京市和河北省北部地區(qū)的重要交通干線（見圖1）。該工程的設計旨在提高道路的通行能力和服務水平，以滿足日益增長的交通需求，促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。該高速公路采用雙向六車道標準，設計速度為120 km/h。道路路基寬34.5 m，路面采用瀝青混凝土材料。

對試驗路段所處位置地理環(huán)境特征進行分析，其地勢起伏較大，地形復雜。沿線經(jīng)過多個山區(qū)和河流，地質(zhì)條件較為復雜。此外，該地區(qū)氣候濕潤，雨季較長，降水量較大。這些地理環(huán)境特征給道路設計和施工帶來了一定的挑戰(zhàn)。在水文環(huán)境特征方面，試驗路段沿線河流密布，水文環(huán)境復雜。在設計中，充分考慮了河流的水流量、流速和河床地質(zhì)情況等因素，以確保道路的排水系統(tǒng)和橋梁的可靠性[12]。此外，該地區(qū)地下水位較高，給路基穩(wěn)定性帶來了一定的影響，因此在設計中采取了相應的措施。對試驗高速公路工程的運輸負荷情況進行分析，其是所在地區(qū)的重要交通樞紐，承載著大量的客運和貨運運輸。根據(jù)預測，未來幾年的交通量將持續(xù)增長，因此需要確保道路的承載能力和通行能力。綜合上述信息，該高速公路工程是一個復雜且重要的交通項目，在設計中，充分考慮了地理環(huán)境特征、水文環(huán)境特征和運輸負荷情況等因素，以確保道路的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。

2 橡膠顆粒復合改性瀝青配置

2.1 原材料準備

在對橡膠顆粒復合改性瀝青進行配置時，本文首先對原材料進行篩選準備。

1） 瀝青

選擇AH-90#基質(zhì)瀝青，需要了解基質(zhì)瀝青的相關標準。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，按照其方法對基質(zhì)瀝青進行相關指標試驗檢測，其結果見表1。

2） 橡膠顆粒

對橡膠顆粒的準備，首先確定所需的橡膠顆粒類型，如回收輪胎橡膠顆?；蚬柘鹉z顆粒。大量研究表明，斜交胎橡膠粉在制作橡膠改性瀝青時，其針入度、軟化點及黏度等相關指標性能更好[13]，因此本文所采用的橡膠粉來自斜交胎。目前廢舊輪胎膠粉制作與加工主要有常溫研磨生產(chǎn)及低溫冷凍生產(chǎn)兩種方法，本文采用的橡膠粉是用常溫粉碎方法制作的，此方法相對于低溫磨制法、濕法粉碎法和臭氧粉碎法更方便快捷。按照公稱最大粒徑劃分，根據(jù)細度，可以將橡膠粉分為微細、細和粗三種類型。粒徑按照橡膠粉目數(shù)大小進行劃分，目數(shù)越大粒徑越小，粒徑與目數(shù)詳細關系如：顆粒狀目數(shù)10～30，粒徑0.6 mm～2.0 mm；粗膠粉目數(shù)30～60，粒徑0.6 mm～0.25 mm；細膠粉目數(shù)60～120，粒徑0.25 mm～0.125 mm；精細膠粉目數(shù)gt;120，粒徑lt;0.125 mm。選用河北鎧森環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的橡膠粉，其技術指標見表2。

3） 集料

玄武巖具有結構致密、抗壓強度高等特點，可作為瀝青混合料面層的優(yōu)良材料。本文選擇潔凈、干燥、無風化、無雜質(zhì)的玄武巖，對應壓碎值為10.0 mm～15.0 mm（占比52.0%），5.0 mm～10.0 mm（占比32%），lt;5.0 mm（占比15.0%），表觀相對密度≥2.70 kg/m3，吸水率lt;2.0%，對瀝青的黏附性≥5.0%。

4） 稀釋劑

本文根據(jù)復合改性瀝青的黏度要求，選擇芳香烴稀釋劑。并確保稀釋劑的質(zhì)量和性能符合要求，確保稀釋劑儲存于密封容器中，避免揮發(fā)和污染。

2.2 橡膠顆粒復合改性瀝青制備

先將基質(zhì)瀝青放入150 °C烘箱里保溫4 h，使其達到攪拌所需的流動狀態(tài)；當瀝青達到攪拌溫度后，將預先計量好的玄武巖集料逐步加入橡膠改性瀝青中。在玄武巖集料與瀝青的混合過程中，使用攪拌裝置進行充分攪拌，以確保兩者均勻混合。隨后適量添加芳香烴稀釋劑進行稀釋，以調(diào)整瀝青的黏稠度，使其更易于應用和處理。添加過程中，應逐漸加入稀釋劑并使用攪拌裝置進行均勻混合，直到達到期望的黏稠度。橡膠粉溫度為常溫。將橡膠粉按照一定比例加入已經(jīng)混合好的玄武巖集料、瀝青和稀釋劑混合物中，通過高速攪拌使橡膠充分溶脹并混合均勻。膠漿攪拌裝置為裝有硅油的保溫鍋和高速剪切儀。設置攪拌溫度為150 °C，攪拌速度為5 000 r/min，攪拌時間為60 min，從而使橡膠粉在瀝青中能夠充分溶脹達到最佳的拌合效果。制備好的橡膠改性瀝青再次使用時，為了避免離析，應對瀝青再次進行攪拌。在多數(shù)情況下，濕拌工藝中橡膠粉的摻量建議為瀝青用量的10%～25%。本文制備的橡膠顆粒復合改性瀝青共分為三組，對應的配置比例見表3。

在上述基礎上，完成對橡膠顆粒復合改性瀝青的制備，為后續(xù)的耐久性試驗提供對比測試環(huán)境。

3 橡膠顆粒復合改性瀝青路面耐久性測試

1） 間接拉伸疲勞試驗

間接拉伸疲勞試驗是一種常用的試驗方法，用于評價材料在交變加載作用下的抗疲勞性能。通過間接拉伸疲勞試驗，可以模擬高速公路等道路上車輛頻繁通過對路面施加的循環(huán)加載，評估橡膠顆粒復合改性瀝青路面材料在交通載荷下的耐久性能，其試驗結果可以幫助評估不同橡膠顆粒復合改性瀝青混合料的抗疲勞性能，以獲得最佳的耐久性能材料。耐久性好的橡膠顆粒復合改性瀝青路面可以減少路面產(chǎn)生龜裂、坑洼等損壞，降低交通事故風險，提高道路的安全性。

2） 低溫性能測試

低溫性能測試可以評估橡膠顆粒復合改性瀝青路面材料在寒冷條件下的抗裂性能。在低溫環(huán)境下，路面易受到溫度變化和凍融循環(huán)的影響，容易出現(xiàn)龜裂、斷裂等問題。通過低溫性能測試可以判斷材料的抗裂特性，有助于預防和減少裂縫的形成?？箖鲂詮姷穆访娌牧夏軌蚋玫爻惺鼙鶅鋈诨^程中的應力，減少由此引起的損壞，提高路面的穩(wěn)定性和安全性，確保路面在惡劣的低溫環(huán)境下依然具備良好的耐久性和穩(wěn)定性。

3） 水穩(wěn)性能測試

通過這一測試，可以模擬路面在雨水浸潤、濕度變化等水環(huán)境下的情況，從而評估路面在濕潤條件下的穩(wěn)定性能，預測路面的耐水性能。通過水穩(wěn)性能試驗，可以評估橡膠顆粒復合改性瀝青路面抗水性能的優(yōu)劣，以提高路面的耐久性。水穩(wěn)性能好的路面通常具有更長的使用壽命，可減少路面在潮濕條件下出現(xiàn)裂縫、龜裂等問題的可能性。

3.1 間接拉伸疲勞試驗分析

采用間接拉伸疲勞試驗評價橡膠顆粒復合改性瀝青的抗疲勞性能。在表3制備方案下采用輪碾法成型試件，常溫放置24 h后切割尺寸為250 mm×40 mm×40 mm標準試件，試驗溫度為20 ℃，采用控制應力加載模式，4種應力水平分別為最大應力的0.2，0.3，0.4，0.5倍，疲勞試驗在MTS-810液壓伺服疲勞試驗機進行，中點加載的支點間距為200 mm，加載頻率為10 Hz，采用疲勞壽命與應力水平對疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合分析。試驗環(huán)境見圖2，試驗結果見表4和圖3。

橡膠顆粒復合改性瀝青的抗疲勞性能計算公式如下：

lgNf=K+nlg（σ/s）（1）

式（1）中：Nf為疲勞壽命，次；σ/s為應力水平，MPa；K，n為擬合參數(shù)。

由表4和圖3的疲勞試驗結果可知，相同應力水平下，3種瀝青材料疲勞壽命排序：組別2gt;組別3gt;組別1，將橡膠顆粒與瀝青復配后可顯著改善瀝青混合料的疲勞壽命。對比3種改性瀝青混合料疲勞壽命與施加應力的雙對數(shù)擬合曲線參數(shù)K，n，組別2材料具有較大的K值和較小的n值。K值越大，表明瀝青混合料的抗疲勞性越好，而n值表征瀝青混合料疲勞壽命對應力水平的敏感性，其值越小，疲勞壽命對應力水平的增加敏感性越弱，敏感性弱也意味著該材料在面對不同應變水平時的性能變化相對較小，更為可靠和穩(wěn)定。由此可知，添加10%的橡膠顆粒有更好的抗疲勞性能，不僅具有優(yōu)良的抗疲勞耐久性，而且疲勞壽命對應變水平的敏感性相對較弱。

3.2 低溫性能試驗分析

為降低道路在經(jīng)過長期低溫產(chǎn)生的破壞，在瀝青料中加入橡膠粉進行試驗。測試其低溫抗裂性能，目前評價瀝青混合料低溫性能試驗有低溫劈裂試驗、小梁低溫蠕變試驗、低溫彎拉試驗等。由于低溫劈裂試驗具有操作簡單、便捷測試數(shù)據(jù)較為準確等優(yōu)點，因此按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用YZM-K多功能低溫試驗機進行測試。試驗溫度為-10 °C，試件在機器中進行保溫≥6 h，試驗加載速率為1 mm/min。劈裂磨具上有寬12.7 mm的壓條，內(nèi)側曲率半徑50.8 mm。試驗過程和試驗結果見圖4～圖5。具體計算方法如下：

R=0.006 287

R/h

E=

X（0.030 7+0.093 6μ）/（1.35+5μ）

S=

P（0.27+0.1μ）/

hX

X=

Y（0.135+0.5μ）/（1.794-0.031 4μ）（2）

式（2）中：RT為劈裂抗拉強度，MPa；Εt為破壞拉伸應變，MPa；ST為破壞勁度模量，MPa。XT，YT為試件受到最大破壞荷載狀態(tài)時水平與垂直方向總變形，mm；h為試件高度，mm；μ為泊松比；PT為試驗荷載的最大力值，N。

由圖5試驗結果可得，在低溫劈裂抗拉強度RT對比中，具有高劈裂抗拉強度的瀝青混合料表示它在低溫環(huán)境下能夠更好地抵抗拉伸力的作用而不出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，顯示出較好的低溫抗裂性能。這意味著瀝青混合料在低溫下能夠保持良好的結構完整性和相對較高的載荷傳遞能力。橡膠粉摻量為10%時，其劈裂抗拉強度達到5 MPa，而0%時僅為2.5 MPa。在破壞勁度模量ST對比中，具有高破壞勁度模量的瀝青混合料對于低溫應力下的承載能力更強，能夠更好地抵抗外部應力的作用，減少材料產(chǎn)生裂紋或破壞的可能性。其中，橡膠粉摻量為10%時，破壞勁度模量為2 500 MPa，達到最大；破壞拉伸應變εT分析結果可以看出，橡膠粉摻量為10%時，低溫性能最優(yōu)，達到了3 600 MPa。綜合分析表明：橡膠改性瀝青混合料低溫性能在橡膠粉摻量為10%相對最好，表明適當摻入橡膠粉后試件抵抗低溫劈裂抗拉強度有所提高，但不宜摻入過多，否則會導致效果較差。

3.3 水穩(wěn)性能試驗分析

降雨季節(jié)時，雨水會進入瀝青路面逐漸滲透進道路內(nèi)部，從而使瀝青黏結性下降，導致石料松散并且路面經(jīng)過車輛動態(tài)荷載后會產(chǎn)生推擠變形、坑槽裂縫等現(xiàn)象的水損害。為了解決因水而導致瀝青路面的破壞，要提高其穩(wěn)定性。本文選用常規(guī)方法浸水馬歇爾試驗進行耐用性測試。每組試驗采用兩組試件，每組3個，第一組放入可調(diào)節(jié)溫度為60 °C恒溫水浴中保溫48 h后測定其浸水馬歇爾穩(wěn)定度值；第二組試件置于60 °C恒溫水浴中保溫30 min～40 min，用同樣方法測定穩(wěn)定度。共制作3種摻量的馬歇爾試件進行試驗。試驗環(huán)境見圖6，試驗結果見表5，計算公式如下：

MS0=MS2/MS1×100%（3）

式（3）中：MS0為殘留穩(wěn)定度，%；MS2為試件浸水48 h后極限荷載，kN；MS1為試件浸水30 min～40 min后極限荷載，kN。

通過表5浸水馬歇爾試驗結果可以看出，殘留穩(wěn)定度MS0從大到小依次為組別2gt;組別1gt;組別3，橡膠顆粒摻入10%相對于摻入0%的瀝青混合料試件殘留穩(wěn)定度MS0提升約12.14%。表明摻入橡膠后的瀝青混合料相對于基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能均有所提高，可以抵抗遇水損害現(xiàn)象，提高其水穩(wěn)定性能。但是當混合比增加到20%時，殘留穩(wěn)定度MS0又下降了6.06%，表明橡膠粉摻入過多會影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，降低其抵抗遇水損害的能力。改變了瀝青與基料之間的黏結性能，導致黏結力減弱。這將使得瀝青混合料內(nèi)部各組分無法有效結合，降低路面的整體性能和耐久性。

4 結語

本文深入探討了橡膠顆粒復合改性瀝青在高速公路路面施工中的應用效果，并為其在實際工程中的廣泛應用提供了堅實的科學依據(jù)和寶貴的參考。研究結果表明，當橡膠顆粒的摻入比例設定為10%時，瀝青路面的各項性能均得到了顯著的改善，這對于提升路面的整體耐久性和使用壽命具有重要意義，其為實際工程中的材料選擇和配合比設計提供了重要指導，從而推動我國高速公路建設事業(yè)的進一步發(fā)展。

參 考 文 獻

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編輯：楊 洋