橡胶沥青技术在天津的应用研究11.17终稿

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究

天津高速公路集团有限公司 江苏省交通科学研究院股份有限公司 天津国腾公路咨询监理有限公司

二○一一年八月

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 摘要

中文题名 英文题名 交通编号 单位编号 分 类 号 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 Research of Application of Asphalt Rubber in Tianjing Highway Pavements 项目来源 合 同 号 项目起止年限 2010.1-2011.10 天津高速公路集团有限公司 完成单位 江苏省交通科学研究院股份有限公司 技术合作单位 项目负责人 天津国腾公路咨询监理有限公司 项目 主要研究人员 前面部分为第一完成单位研究人员 孙雪伟、陈李峰、曾庆伟、李爱芳、蔡聪明、刘运华、卞加前、朱益斌 报告撰写人 前面部分为第一完成单位研究人员 孙雪伟、陈李峰、李爱芳 橡胶沥青、胶粉改性沥青、橡胶粉、湿法、橡胶沥青Sup13、橡胶沥青Sup20、橡胶沥青加工、配合比设计方法、施工工艺、技术经济分析、典型结构、应用研究 关 键 词 Rubber asphalt, rubber powder, wet method, Rubber asphalt Sup13, rubber asphalt processing, mix design methods, construction technology, Technical and economic analysis,Typical Structure, application research 0

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 摘要

中文摘要： 由于具有理想的路用性能和显著的环保意义，橡胶沥青在部分国家得到了相当规模的应用。国内虽然也积极的开展了不少研究，然而由于关键技术不成熟等原因，目前橡胶沥青尚未实现较好的推广。 课题旨在通过橡胶沥青的研究，为其工程推广应用提供技术支撑，将公路建设与环境保护相结合，提高路面性能的同时实现废旧轮胎的循环利用。课题通过对比试验评价分析了橡胶沥青的技术性能，提出了橡胶沥青的技术标准和原材料要求；在充分调研国外成果的基础上，通过大量室内试验和工程实践，结合天津地区的材料特点、气候交通条件、高速公路建设经验成果、施工习惯等，对橡胶沥青混合料的试件成型方法、级配、设计指标、性能要求等进行了调整、优化，最终形成了相对稳定的、具有天津特色的设计方法，重点提出了橡胶沥青Superpave混合料类型及完整的设计技术体系，在国内尚属首次应用；对橡胶沥青混合料的施工技术进行了研究，提出了相应的施工技术指南；对橡胶沥青路面进行了路面力学分析，最后课题对橡胶沥青混合料做了技术经济分析，提出了天津地区橡胶沥青典型路面结构，该路面结构在国内尚属首次应用。 通过以上研究，形成了橡胶沥青从生产制备到工程实施的完整技术体系，为其推广应用创造了可靠的技术条件。课题成果若能在天津地区推广，将会实现良好的社会效益和经济效益。 Abstract: With an ideal road performance and significant environmental significance, rubber asphalt has been considerable in some countries the size of the application. Although China is also actively carrying out a lot of research, however, premature because key technical and other reasons, the current rubber asphalt has not yet achieved a better promotion. Rubber asphalt project aims to research, promote the use of their works to provide technical support to the combination of road construction and environmental

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 摘要

protection, improve road performance while achieving the recycling of waste tires. Evaluation of the project by comparing the test the technical performance of rubber asphalt, rubber asphalt proposed technical standards and material requirements; research abroad in the full basis of the results, by a large number of indoor experiments and engineering practice, combined with the material characteristics of Tianjin area, climate, traffic condition, results of highway construction experience and construction habits, and level off with rubber on asphalt mixture specimen molding methods, grading, design specifications, performance requirements have been adjusted, optimized, and ultimately formed a relatively stable, with the Tianjin design features, highlighted the Superpave type of rubber asphalt mixture design and complete technical system; on the rubber asphalt mixture has been studied Construction Technology, proposed the construction of the corresponding technical guidelines; the last issue of the broken-level asphalt rubber Mixtures made a technical and economic analysis. Through the above study, the formation of the rubber asphalt preparation of production to the full implementation of the project technology system, to create a reliable application of its technical condition. If on outcomes of the promotion in the Tianjin area, will achieve good social and economic benefits.

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 目录

目 录

第一章 绪论 .............................................................................................................................................. 3 1.1概述 ................................................................................................................................................. 3 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................................ 6 1.3 研究的目的和意义 ........................................................................................................................ 9 1.4 研究的主要内容及关键技术 ...................................................................................................... 10 1.5 技术路线 ...................................................................................................................................... 11 1.6 研究工作概况 .............................................................................................................................. 11 第二章 橡胶沥青加工工艺研究 ............................................................................................................ 13 2.1 橡胶粉与橡胶沥青 ....................................................................................................................... 13 2.2 橡胶沥青性能影响因素分析 ...................................................................................................... 18 2.3 橡胶沥青高温性能试验 .............................................................................................................. 27 2.4 橡胶沥青低温性能试验 .............................................................................................................. 33 2.5橡胶沥青设计方法 ....................................................................................................................... 37 2.6本章小结 ....................................................................................................................................... 40 第三章 橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究 .............................................................................. 41 3.1橡胶沥青混合料设计方法研究 ................................................................................................... 41 3.2 橡胶沥青混合料性能对比研究 .................................................................................................. 46 3.3 本章小结 ...................................................................................................................................... 62 第四章 橡胶沥青路面铺筑 .................................................................................................................. 64 4.1概述 ............................................................................................................................................... 64 4.4 施工工艺介绍 .............................................................................................................................. 71 4.5 试验路检测结果 .......................................................................................................................... 73 4.6橡胶沥青混合料施工工艺研究 ................................................................................................... 76 4.7橡胶沥青储存技术研究 ............................................................................................................... 83 4.8试验路观测 ................................................................................................................................... 86 4.9本章小结 ....................................................................................................................................... 90 第五章 橡胶沥青路面力学分析 .......................................................................................................... 92 5.1 概述 .............................................................................................................................................. 92 5.2橡胶沥青路面力学分析模型选择及参数设定 ........................................................................... 92 5.3路面结构受力分析 ....................................................................................................................... 96 5.4本章小结 ..................................................................................................................................... 104 第六章 橡胶沥青路面应用前景分析 .................................................................................................. 106 6.1经济性分析 .................................................................................................................................. 106 6.3 本章小结 .................................................................................................................................... 114 第七章 主要研究结论 .......................................................................................................................... 115

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 概述

7.2主要技术创新点 .............................................................................................................................. 116 7.3下一步研究建议 .............................................................................................................................. 116 参考文献： ............................................................................................................................................ 118

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

第一章 绪论

近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最具活力的时期，天津市公路建设事业也以前所未有的速度向前发展。随着使用年限的增加，一些早期修建的公路路面相续进入了维修期。特别是近年来，随着国民经济的迅速发展，交通荷载的日益重型化，交通量大幅增加的很快，超载现象日益严重，加速了公路路面的损坏，部分公路出现了不同类型的路面病害，旧路维修改造将是未来交通建设的重要工作内容之一。因此，根据规划，在未来的十年内，天津市公路建设也将迎来新建和改建同步发展的黄金时代。

1.1概述

高等级公路建设的发展，对路面的使用品质和功能提出了更高的要求。实践表明，旧路面改造中所面临的技术问题比新建公路沥青路面要复杂的多。例如旧路面加铺中需要注意加铺层的抗反射裂缝能力、高温性能及与旧路面良好的粘结效果等。不少工程由于这些问题处理不当，导致维修后迅速破坏，造成维修费用的巨大浪费，甚至陷入年年修、反复修的困境。

（1）龟裂

（2）横向裂缝

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

（3）纵向裂缝

图1.1-1 旧路病害情况

对于以上技术问题，除了改进沥青路面的结构设计外，采用性能良好的路用材料也是一个重要的方面。近年来，橡胶沥青由于其优良路用性能和对环境保护的特殊意义，日益受到国内工程界的重视。橡胶沥青一词来自英文Asphalt Rubber，在国际上特别是20世纪90年代以来，该技术日趋成熟，得到了广泛应用。由于其在环境保护——解决废轮胎固体污染方面的特殊作用，而在沥青改性的各种方法中独树一帜，占据着特殊重要的位置。

随着交通运输业的发展，人们生活水平的提高，汽车保有量逐年迅速增长，我国已经开始面临国外发达国家早期遇到的大量废旧轮胎处理的问题。据统计，我国是世界上第三大轮胎生产国，仅次于美国和日本，2002年的废轮胎达到8000万条，并以每年12%的速度增长，到2005年达到1.2亿条，到2010年将达到2亿条，而目前每年的废轮胎处理量只有14%左右，这样大规模的废旧轮胎将会带来巨大的社会环保问题。废弃轮胎的大量堆积会恶化环境、破坏植物生长，而且经过日晒雨淋，极易滋生蚊虫，传播疾病，影响人类健康、危及地球生态环境，此外还容易引发火灾。处理好废旧轮胎，充分利用再生资源，减少环境污染，已成为亟待解决的问题。由于橡胶沥青中掺入的橡胶粉含量较大，一般要在15%以上，所以将废轮胎制成胶粉加入沥青中，制成橡胶沥青应用在公路工程中，在全面提高路面质量的同时又是一个解决废橡胶轮胎固体污染的理想途径。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

图1.1-2 废旧轮胎造成环境污染

在普通沥青中加入橡胶进行改性后，其针入度减小，粘度增大，软化点提高，具有较高的抗车辙能力和抗推移拥包的能力。同时，在沥青中加入胶粉提高了沥青的柔韧性，改善了沥青的低温性能和抗疲劳性能。由于加入橡胶粉后沥青的粘附性增加，石料表面粘附的橡胶沥青膜厚度增加，因而提高了沥青路面抗水损害性能和耐久性，延长了公路的使用寿命。橡胶沥青能够增加车辆轮胎与路面的附着性，增大摩擦系数，一定程度上提高行车安全性。

近年来，橡胶沥青得到了广大道路工作者的足够重视。橡胶沥青不但在环境保护方面独树一帜，且具有优良的稳定性、耐久性以及抗滑降噪能力，做为改性沥青的一种，橡胶沥青技术在国外已有30年的发展历史，特别是20世纪90年代以来，该技术日趋成熟，应用日益广泛，表现出广阔的应用前景。

目前橡胶沥青在公路上的用途主要有两个方面：一是用来拌制沥青混合料，铺筑沥青路面的上面层或超薄罩面，一般可采用断级配沥青混合料或具有降噪排水作用的开级配沥青混合料；二是用作封层，即应力吸收层（SAMI），以抑制半刚性基层裂缝或水泥混凝土板块接缝向上反射。

我国对橡胶沥青应用于中面层及抗滑磨耗层的应用研究较少，还没有形成成熟的经验以供参考，天津市在橡胶沥青应用方面也仅进行了十多公里的试验路的铺筑，没有形成一套较为成熟的理论与实践体系，仍处于摸索阶段。近几年来，不少省份也开展了相关研究，也得到了一些理论与实践体系，但在理论体系方面

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

仍各抒己见，没有形成较为统一或适用性较广的理论与实践体系。

通过本项目的研究，研究橡胶沥青的成套关键技术，提出实用的技术体系，为这一技术在天津市高速公路工程中的应用提供技术支撑，以更好的服务工程实践。在提高路面性能的同时，解决废轮胎的环境污染问题，实现废轮胎的循环利用，具有显著的环保意义和路用价值。 1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

橡胶沥青的利用在国外有很多年的历史。橡胶沥青在公路工程建设中的应用，于20世纪60年代开始在美国进行铺路试验，进入70年代以后至上世纪末，美国、瑞典、加拿大、比利时、法国、南非、奥地利、澳大利亚、印度等国家都进行了广泛的应用研究和铺路试验，在应用橡胶沥青和提高沥青混合料的性能上取得了相当的进展。研究均表明：橡胶沥青混合料具有优良的高温、低温性能和抗疲劳性能，其降噪功能也是明显的。南非和美国一项共同合作项目研究结论还称，如果以橡胶沥青代替传统的沥青，路面结构层厚度至少可以减少一半，仍可以获得相同的抗疲劳性能。南非试验证明，在高速公路上橡胶沥青的噪音比普通路面平均率低5db～8db，当车速为100km/h时，与最好的水泥混凝土路面相比，约下降3db～10db。

鉴于环保方面的考虑，美国还曾通过立法来推进该项技术的发展：美国国会在1991年通过的陆上综合运输经济法中的1038条款，明确规定自1994年起凡由联邦政府经费补助建设的沥青公路必须以5%的经费用于废橡胶沥青，并每年增加5%的比例，一直到1997年达到20%止采用橡胶沥青。据调查统计，到1998年，美国铺成的橡胶沥青公路已达1.1万公里。亚利桑那州的运输部还曾铺筑过大量的应力吸收薄膜夹层（SAMI）试验路，多数试验路是铺筑在旧沥青混凝土路上的。

2009年11月，由江苏省交通科学研究院承办的国际橡胶沥青大会在南京召

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

开，参会代表达到500余人，人数是上届国际橡胶沥青大会参会代表的一倍，这也充分证明橡胶沥青技术得以迅速得到了推广应用。 1.2.2国内研究现状

我国对橡胶沥青应用于公路的研究始于20世纪80年代。二十多年前，我国科技工作者受美国的启示，也开展了橡胶沥青路面的应用研究，并在四川、江西等省进行了铺路试验，可当时我国满大街跑的都是两个轱辘的自行车，没有足够的废旧轮胎，也就没有形成真正的橡胶粉加工产业，这种研究因缺乏一些重要性和紧迫性而没有得到社会的足够重视和支持，使得当时胶粉生产技术及其配套的相关技术不成熟，没有达到实用化阶段。但当时铺筑的这些试验路经过十多年高负荷运行的考验后，其在减少光线的反射和路面裂缝及提高路面的热稳定性能等均有良好的效果。

进入21世纪以来，我国对橡胶沥青的研究力度日益加大。有三个原因：一是废旧橡胶轮胎越来越威胁到国民的生存环境，2005年我国废旧橡胶轮胎的年总数量已经达到1.2亿只，寻找利用大量废旧橡胶轮胎的办法迫在眉睫；第二是国家政策的鼓励，党的十六大确立变革“大量生产、大量消费、大量废弃”的传统增长模式，建立可持续发展的循环经济发展模式。循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化”为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征的经济增长模式 。2005年7月6日，国务院发布“关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知”，明确“以再生金属、废旧轮胎、废旧家电及电子产品回收利用为重点，推进再生资源回收利用”。国家发改委制定的《资源综合利用条例》、《废旧轮胎回收利用管理条例》、《包装物回收利用管理办法》等循环经济专项法规。以橡胶粉制造和应用为方向的新材料产业，得到了国家在财税、投资、信贷、价格、收费等方面越来越多的政策支持。

因此，国家“八五”规划中明确提出要重点发展胶粉的生产和应用，一些地区如广东、山东、辽宁、北京、杭州等省市又开展了橡胶沥青的应用研究，并取得了不少实践成果。2001年交通部公路科研所首次在钢桥桥面铺装中用干法工

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

艺加入了30%相对于沥青的橡胶粉。该桥面经受了四个夏季的重交通考验，基本保持完好，各项性能指标保持优良。2001年～2003年交通部公路科学研究所与同济大学、山东省交通科学研究所等单位合作承担了西部交通建设科技项目《废旧橡胶粉用于筑路的技术研究》，该课题全面地开展了橡胶沥青混合料的室内试验研究，初步提出了橡胶沥青的技术标准、橡胶沥青混合料设计方法及技术标准。结合室内试验研究结果，在华南地区、西南地区、轻冰冻地区三个气候片区修筑了总长近30公里的试验路和实体工程。

2004年6月“废轮胎胶粉改性沥青自动化生产线”在天津高新技术产业园区研发成功，该项目的试验路工程已经铺筑完毕，初步检测，各项指标都取得了比较满意的结果。专家介绍，4厘米胶粉改性沥青混凝土表层加上1.5厘米胶粉改性沥青应力吸收层，可取代9厘米普通沥青砼路面，在提高路面性能前提下，可节约材料40％，造价大幅度降低。此外，我国已研制成功防堵塞的胶粉喷洒机，为胶粉改性沥青用于修筑公路提供了施工配套的硬件。

天津市于2008年在天津集疏港公路工程京津塘二线收费站至京山铁路西侧坡道开口段铺筑了约15公里试验路，中上面层均采用橡胶沥青混合料。

江苏省在橡胶沥青研究、应用方面目前在国内处于领先地位，江苏省交通科学研究院进行了多个科研项目的研究，2005年至今已经在泰州328省道、张家港中华路、连盐、盐通及宁常高速公路、四川蜀南竹海景观路、广东清远107国道、江西九景高速技术改造等工程上得到应用，已经累计达到300余公里。

浙江省在2007年开始了橡胶沥青的应用研究，并于2007年、2009年铺筑了试验路，从目前的跟踪观察情况看路况良好。

我国台湾地区也对橡胶沥青进行了专门研究。台湾于2000年起在实验室内利用本地材料进行配合比实验和设计，后在相关公路部门的协助下在主干道上铺筑了2公里橡胶沥青实验路面，约使用了2000条轮胎。试验路运营4年后整体效果非常之好，没有一般承受重载交通量路面所具有的变形和龟裂破坏。

综合对国内外调研，橡胶沥青由于其优良的抗疲劳性能、高温性能和抗水损

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

害能力，目前在国外已经得到了相当程度的认可和应用，是水泥路罩面工程、路面养护改造工程、新建高速公路的理想选择。在国内其他省份得到了推广应用，但在天津地区的应用仍处于探索阶段，且没有形成一套可行的技术体系。 1.3 研究的目的和意义

天津市高速公路沥青路面使用的改性沥青多为SBS改性沥青和胶粉改性沥青，橡胶沥青的应用较少，使得在进行沥青材料选择时优化空间不够。而就公路工程而言，材料的使用数量是巨大的，狭小的选择空间既不利于高质量产品的选择更不利于节约造价。因此，开展橡胶沥青的应用研究，一方面可以拓展我们材料选择的空间，提高路面质量，延长路面使用寿命，是道路工程发展的需要；另一方面是环境保护、回收利用废轮胎的需要，是对我国环境保护事业的贡献，是一件利国利民的好事。

橡胶沥青混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力，其抗老化性能和抗疲劳性能更优于其它改性沥青混合料。本课题的研究目的：

1、参考国外橡胶沥青成功应用经验，结合天津市具体的气候特点和交通特点，以津港高速公路为依托工程，开展中面层和上面层中的应用研究，并与SBS改性沥青、橡胶粉改性沥青进行室内试验及试验路的性能比较。

2、解决橡胶沥青技术在应用中的工程实际问题，包括橡胶沥青的储存、橡胶沥青混合料的施工工艺等。

3、提出橡胶沥青混合料的设计方法、设计标准及施工技术，形成完整的施工技术指南。开展技术培训提高工程技术人员、管理人员应用橡胶沥青的技术水平，为橡胶沥青在天津市的大规模推广应用扫除技术障碍。

4、通过采用橡胶沥青技术解决一直困扰着道路工作者的半刚性基层的反射裂缝问题、抗车辙、低温开裂的综合性能问题。

以此为契机，将环保问题与路面技术相结合，开拓我国废旧轮胎利用的新空间，变废为宝，全面提高天津市沥青路面质量，为我国道路工程和环境保护作贡

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

献。

1.4 研究的主要内容及关键技术

1.4.1主要研究内容

结合津港高速公路工程实际情况，本课题主要研究内容如下： （1）相关研究调研 （2）橡胶沥青加工工艺研究 ①橡胶粉加工工艺 ②橡胶沥青生产工艺

③橡胶沥青制备与混溶体系分析 ④橡胶沥青性能影响因素分析 ⑤高温、低温、疲劳等性能评价 ⑥橡胶沥青设计方法

（3）橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究 ①混合料设计方法研究 ②混合料性能对比研究

（4）橡胶沥青混合料施工工艺研究 ①原材料选择研究

②橡胶沥青混合料施工工艺研究 （5）橡胶沥青路面力学分析

结合橡胶沥青施工段的实施，对比分析橡胶沥青路段与其他路段的力学性能。

（6）橡胶沥青路面应用前景分析

结合橡胶沥青施工段的实施，对橡胶沥青路面、改性沥青路面、胶粉改性沥青路面费用成本进行分析，并与传统的路面结构进行技术经济比较。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

1.4.2关键技术

结合津港高速公路工程实际情况，本课题研究主要解决以下关键技术： （1）运用针入度、粘度、SHRP三种分级体系及沥青胶浆理论，对比橡胶沥青与SBS改性沥青、胶粉改性沥青的高低温、疲劳性能。

（2）橡胶沥青混合料设计、性能评价及施工技术。

（3）采用力学分析方法，理论确定合适的橡胶沥青层在抗高低温、抗疲劳及抗裂性能的有效厚度，分析其在有效减薄厚度、防反射裂缝的特点。 1.5 技术路线

本项目研究的技术路线为：文献资料的检索、调研→橡胶沥青加工机理及性能研究→橡胶沥青混合料的相关技术研究→试验路铺筑及检测→橡胶沥青结构层力学分析→资料汇总分析→提交研究报告。 1.6 研究工作概况

橡胶沥青路面作为经济、环保的新型路面结构，在抗裂、抗高温、降噪方面具有显著的功效。该项目在技术上的可行性为国、内外各工程实践所证明，在天津地区进行技术引进和技术探索，符合交通部关于橡胶沥青作为“实施材料节约和循环利用专项行动计划”重点科技推广项目之一。

本项目总的研究期限：二十个月 第一阶段：2010.1~2010.3

该阶段主要完成文献资料的调研，并提出初步橡胶沥青的技术标准，完成部分室内试验工作。

第二阶段：2010.3~2011.3

该阶段主要完成以下研究工作：橡胶沥青结构层力学分析与室内试验研究、橡胶沥青混合料室内性能评价、试验路铺筑及检测工作、施工工艺及质量控制研究，并对试验检测数据进行汇总分析。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第一章 绪论

第三阶段：2011.3~2011.10 编写报告，课题鉴定。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第二章 橡胶沥青加工工艺研究

第二章 橡胶沥青加工工艺研究

沥青和橡胶粉是两种组成较为复杂的材料，两种材料在高温剪切下的反应机理更为复杂。深入了解橡胶沥青的基本性能是应用橡胶沥青的前提。本章采用室内试验分析了橡胶粉类型、细度、基质沥青类型、混溶工艺等对橡胶沥青性能的影响；采用重复蠕变试验和弯曲粱蠕变试验分析橡胶沥青和橡胶沥青胶浆的高温、低温性能。

2.1 橡胶粉与橡胶沥青

目前存在多种橡胶沥青生产工艺和改性思路，不同工艺的性能差异较大，本节首先对不同的橡胶沥青类型进行调研分析，以确定研究方向。 2.1.1 橡胶粉加工工艺

废轮胎橡胶粉改性沥青，按照其来源不同，可分为货车轮胎和小轿车轮胎两大类。轮胎中除了橡胶外还有钢丝、纤维等，只有轮胎重量的50％～60％可加工成橡胶粉。轮胎橡胶的原料成分有：天然橡胶(NR)、顺丁橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)或热塑性丁苯橡胶(SBS)、炭黑或白炭黑、硫化剂、环烷油和防老剂等原料。对于不同轮胎种类及轮胎的不同部位（胎背、胎面等），这些成分的含量是不同的。通常货车轮胎的天然橡胶含量比小车轮胎多。

随着轮胎粉碎工艺的发展，出现了多种橡胶粉加工方法。由于工艺不同，生产费用、胶粉性能等也存在一定的差异。目前国内外制造胶粉主要有4种方法，即常温粉碎、冷冻粉碎、湿法粉碎和臭氧粉碎。

常温机械法粉碎是最原始也是最常用、最普及的一种方法，所采用的设备是滚筒式粉碎机。与其它方法相比，具有投资省、工艺流程短、能耗低的优点，机械粉碎法有着不可替代的作用，美国每年胶粉总量的63％是靠常温粉碎生产的。

冷冻粉碎于70年代初在国外迅速发展起来，其技术上借鉴于航空、制冷工业，并由此派生出许多不同种类的粉碎装置，先后提出了液氮喷淋、液态浸渍的低温锤击、低温研磨等工艺。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第二章 橡胶沥青加工工艺研究

湿法粉碎，是将废橡胶先浸渍于碱溶液中，使废胶表面龟裂变硬后进行高冲击能量粉碎，然后将胶粉放置于酸溶液中进行中和、滤水、干燥而得到粒径分布较宽乃至微细的胶粉。在美国，此法占其胶粉总量的l3％。

臭氧粉碎法，是将废胎整体置于一个充有超高浓度臭氧的密封装置内约一小时，然后启动密封装置的电动装置，使轮胎骨架材料与硫化橡胶分离，并进行粉碎。

我国目前主要采用常温粉碎技术，部分厂家采用冷冻法生产。由于工艺不同二者的表观性能差异很大，一般常温法生产的胶粉表面粗糙、纹理丰富、粒子具有粗糙的孔表面，而冷冻法胶粉形状均一，表面光滑，因此，常温法生产的橡胶粉具有更大的表面积。研究表明[1]，用于生产橡胶沥青时，常温法生产的胶粉更容易与沥青发生物理、化学反应，从而得到相对较优的性能，而冷冻法生产的胶粉反应作用相对较弱，得到的橡胶沥青性能不如前者。美国采用橡胶沥青的一些州明确规定必须使用常温法生产的胶粉。

考虑到常温法生产技术在我国应用较多，胶粉来源相对充分，同时国内外的研究、应用表明常温法生产的橡胶粉用于制备橡胶沥青具有更为优秀的路用性能，本课题主要针对常温法生产的橡胶粉进行研究。 2.1.2 橡胶沥青生产工艺

橡胶沥青的生产工艺总体可分为“干法”和“湿法”两种，工艺不同，路用性能存在较大的差异。

(1)干法

“干法”为将胶粉直接添加到正在搅拌的拌和楼中，生产胶粉改性沥青混合料，拌和工艺与常规混合料基本相同，无需专用的设备，或对生产厂加以大的改造，但是拌和温度比普通的拌和温度要高一些。但由于拌和时间较短，橡胶与沥青之间的只能产生较少的反应，这种较少的反应不能使旧轮胎中所含的橡胶烃、紫外线抑制剂、抗氧化剂等改性成分释放出来，胶粉也难以发生充分的熔胀作用，因此，所生产的混合料性能不及“湿法”橡胶沥青。目前“干法”生产的沥青混合料

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第二章 橡胶沥青加工工艺研究

一般摊铺在路面的中下面层或更低的层位，而较少摊铺在表面层。

交通部重庆公路研究所曾与重庆市合作铺筑了试验路。上海交通轮胎翻修厂将废胶粉经活化处理制成活化胶粉，掺人沥青中，但价格偏高未在工程上应用。在瑞典，这种工艺方式处理的沥青一橡胶称之为“PlusRide”。美国、加拿大和澳大利亚等国为处理废轮胎而用6mm粒径的胶粒(用量为10～20％)与砂子、石料和沥青混合搅拌制成混合料摊铺在公路的底层及中层，这样一方面消耗大量的废轮胎，另一方面还可增加路面弹性，起到一定的减震作用。90年代，美国阿拉斯加州向FHWA(联邦高速公路管理机构)申请将“PlusRide”从实验状态推向实用状态 但由于缺乏足够的数据支持．该申请被拒绝。加利福尼亚州上世纪90年代以前，“干法”和“湿法”都有应用，90年代以后，绝大多数工程都采用“湿法”橡胶沥青。整体而言，干法工艺在美国没有被广泛采用。

(2)湿法

“湿法”工艺应用最为广泛[2]。目前国外应用的橡胶沥青中大部分是采用“湿法”生产，国内近年来也主要针对这种工艺进行研究。“湿法”现将橡胶粉添加到较高温度（176℃～226℃）的基质沥青中，经过高速剪切后，泵送到反应罐中保持一定的温度（150℃～218℃），经过一定时间的反应制成（一般为45～60min）。图2.1-1为一种“湿法”橡胶沥青生产设备。典型的加工流程如图2.1-2所示。

图2.1-1 “湿法”橡胶沥青生产设备

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第二章 橡胶沥青加工工艺研究

橡胶粉 高速剪切 基质沥青 反应储存罐 泵送至拌和楼 图2.1-2 “湿法”橡胶沥青典型生产流程

按照橡胶沥青工艺和性能不同“湿法”又可分为“高粘橡胶沥青(Wet Process-High Viscosity）”和“可存储橡胶沥青(Wet Process-No Agitation)”两种。

“高粘橡胶沥青（Wet Process-High Viscosity）”需要采用较高的橡胶粉用量，一般在15％以上，且采用粒径较大的胶粉（如20目和30目胶粉），其粘度较高，177℃粘度通常要求在1.5Pa·s以上，因此具有优良的路用性能，是国外应力吸收层、沥青混合料中应用最多的橡胶沥青类型。但是由于胶粉粒径较大，存储过程中容易离析，通常需要现场加工使用。

“可存储橡胶沥青（Wet Process-No Agitation）”采用80目左右的橡胶粉，由于橡胶粉很细，能较好的熔融、分散于/沥青中，可存储一段时间不会发生离析。可像常用的SBS改性沥青一样厂拌生产，远距离运输施工。这种橡胶沥青胶粉掺量不高，通常为10％以下，所以粘度较低，177℃粘度一般很难达到1.5Pa·s，混合料中的沥青用量不如前者高。由于橡胶粉很细，单价较高。

根据对美国、南非等国家橡胶沥青应用情况的调研，由于“高粘橡胶沥青(Wet Process-High Viscosity）”具有良好的路用性能，且可以消耗更多的废轮胎橡胶粉，所以应用较为广泛，因此，本课题主要对这种类型橡胶沥青进行研究。 2.1.3橡胶沥青室内制备及混溶体系分析

本课题试验所采用的沥青为70#道路石油沥青。其性能指标检测结果见表2.1-1。根据橡胶粉化学分析，货车轮胎胶粉改性效果优于小车轮胎的原因是货车轮胎含有更多的天然橡胶，且合成胶胶种为对沥青更有改性效果的丁苯胶（SBR），天然胶含量对橡胶沥青的改性效果有很大影响。故本次试验所采用的橡胶粉是货车车胎20目胶粉。

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表2.1-1 70#道路石油沥青性能指标

70#道路石油沥青 针入度25℃，0.1mm 66 延度15℃，cm >150 软化点，℃ 49.8 SHRP分级 PG 64-22 试验中橡胶沥青制备采用油浴加热，油浴采用电子温控仪自动控温，温度为175±5℃，采用叶片式搅拌设备，搅拌速度为1000转/min左右，搅拌时间如未特殊说明为60min。橡胶沥青拌和设备如图2.1-3。

图2.1-3 橡胶沥青制备

添入橡胶粉后，沥青由原来的近似匀质体变成了橡胶粉、沥青等共同组成的多相体，粗细不同的胶粉之间互相靠近，形成有利于改善橡胶沥青性能的网格结构体系。胶粉在橡胶沥青生产过程中产生互换和传质过程。一方面胶粉吸收沥青中的轻质组分发生熔胀；另一方面部分橡胶粉发生降解、脱硫反应，溶于沥青，改变了沥青的组分构成。胶粉中主要成分橡胶烃为“聚异戊二烯（天然胶NR）＋聚丁二烯橡胶（顺丁胶）”或“聚异戊二烯（天然胶NR）+丁苯胶（SBR）”，这些都造成沥青改性。

橡胶沥青的改性效果来自两个方面：溶胀后的胶粉构成的网络框架体系作用和胶粉降解后对沥青组分的改善作用。橡胶沥青中胶粉吸收沥青中的轻质成分而熔胀，且表面吸附沥青形成界面层，如图2.1-4所示，溶胀后的胶粉构成网络构架体系与吸附沥青一起对沥青的微观流动形成阻尼作用，从而显著提高了橡胶沥青的粘度；部分胶粉在高温剪切过程中发生降解、脱硫反应，由硫化橡胶（立体

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交联网状结构）降解为含有一定不饱和双键线型结构聚合物，并进一步发生分解，降解产物溶于沥青，改变了沥青的组分比例，使胶质等成分增加，提高了沥青的低温性能和粘性；同时，橡胶烃自身所含有的聚丁二烯橡胶（顺丁胶BR）和丁苯胶（SBR）对沥青有改性作用，其中SBR为常用改性剂；

自由沥青 橡胶粉 吸附沥青 图2.1-4 橡胶沥青结构体系示意图

2.2 橡胶沥青性能影响因素分析

采用不同胶粉种类、胶粉细度、拌和温度、基质沥青类型等制备橡胶沥青，实验项目包括针入度、软化点、弹性恢复以及SHRP实验等，分别测试橡胶沥青的高温性能、低温性能、抗老化性能等，研究各因素对橡胶沥青性能的影响。

以下为性能试验中所用原材料的性能试验结果。 1、橡胶粉

橡胶粉由南京东浩橡胶粉公司提供，细度为20目，检测密度为1.15g/cm3，满足1.10~1.20g/cm3要求，其含水率为0.6%，现场筛分结果如表2.4-1所示，满足技术要求。

表2.2-1 橡胶粉筛分结果

筛孔尺寸，mm 2.0 1.18 0.6 0.3 0.075 现场通过率（%） 100 100 91.3 52.1 1.1 技术要求（%） 100 65 ~ 100 20 ~ 100 0 ~ 45 0 ~ 5 18

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2、基质沥青

基质沥青采用中海油（泰州）70号道路石油沥青，技术指标如表2.4-2所示。

表2.2-2 基质沥青检测结果

项目 针入度（25℃，100g，5s）（0.1mm） 延度（5cm/min，15℃）（cm） 软化点（环球法）（℃） 闪点（开口）（℃） 含蜡量（蒸馏法）（%） 密度（15℃）（g/cm3） 溶解度（三氯乙烯）（%） 测试结果 67 >150 49.3 290 1.85 1.011 99.90 薄膜加热试验163℃ 5h 质量损失（%） 针入度比（%） 延度15℃（cm） 质量损失（%） 针入度比（%） 延度15℃（cm） 质量损失（%） 针入度比（%） 延度15℃（cm） 技术要求 60~80 ≥ 100 ≥ 46 ≥ 230 ≤ 2 实测记录 ≥ 99.5 2.2.1 橡胶粉种类及细度对橡胶沥青性能的影响

为分析胶粉种类及细度对橡胶沥青改性效果的影响，分别采用两种不同种类、三种不同细度的胶粉对70号道路石油沥青进行改性，橡胶粉掺量为20％，橡胶沥青的性能列于表2.2-3及图2.2-1～图2.2-2。

表2.2-3 不同胶粉类型橡胶沥青性能指标

Superpave实验项目 货车轮胎胶粉 20目 针入度25℃，0.1mm 软化点，℃ 弹性恢复25℃，％ 原样 G*/sinδ，DSR kPa RTFOT G*/sinδ，kPa

小车轮胎胶粉 胶结料规范要求 / / / ≥1.0 40目 60目 20目 40目 60目 30.7 75.7 89 32.2 72.7 88 44.0 67.6 82 47.3 66.2 83 62.9 63.1 72 28.6 72.6 89 76℃ 82℃ 76℃ 82℃ 10.564 8.283 7.331 5.441 3.771 3.328 7.601 5.556 4.845 3.642 2.521 2.126 11.661 9.995 8.298 5.700 4.336 4.347 8.246 6.786 5.430 3.676 2.842 2.620 ≥2.2 19

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RTFOT +PAV G*sinδ，kPa -18℃ BBR -24℃ 31℃ S，MPa m S，MPa m 291 92 228 258 97 214 305 73 174 337 132 303 307 139 298 297 141 ≤5000 0.327 0.334 0.310 0.316 0.348 0.346 344 0.227 0.269 0.265 0.269 0.280 0.269 S≤300 m≥0.3 78767472706866646260货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目 G*/sinδ，kPa1614121086420货车轮胎20目小车轮胎20目货车轮胎40目小车轮胎40目货车轮胎60目小车轮胎60目软化点，℃原样76℃原样82℃RTFOT76℃RTFOT82℃图2.2-1 橡胶沥青软化点对比 图2.2-2 橡胶沥青车辙因子对比

450400G*sinδ，kPa货车轮胎20目小车轮胎20目货车轮胎40目小车轮胎40目货车轮胎60目 小车轮胎60目400350300S，MPa 350300250200150250200150100500货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目-18℃-24℃图2.2-3 橡胶沥青抗疲劳性能对比 图2.2-4 橡胶沥青蠕变劲度对比

货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目货车轮胎20目小车轮胎20目100弹性恢复,%7060针入度,0.1mm货车轮胎40目小车轮胎40目货车轮胎60目小车轮胎60目50403020100806040200 图2.2-5 橡胶沥青针入度对比 图2.2-6 橡胶沥青弹性恢复对比 由表中可以看出，加入橡胶粉以后，无论是货车轮胎胶粉还是小车轮胎胶粉，

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都对沥青起到了良好的改性效果，沥青的针入度下降，软化点提高，胶粉改性后沥青高低温指标满足PG82-28的性能要求，表明沥青的高低温性能都得到了改善。从老化后疲劳开裂因子G*·sinδ来看，31℃时G*·sinδ值在300kPa左右，远小于上限要求5000kPa，表明橡胶沥青具有较好的抗老化性能和抗疲劳性能。

对比不同胶粉种类橡胶沥青的软化点（图2.2-1）、抗车辙因子（图2.2-2）及针入度（图2.2-5）可见，货车轮胎胶粉橡胶沥青的常温和高温性能要优于小车轮胎胶粉橡胶沥青；前者老化后抗疲劳指数G*·sinδ也较低（图2.2-3），说明其抗老化性能及抗疲劳性能也要优于后者；从低温时蠕变劲度S来看，货车轮胎胶粉橡胶沥青也占明显的优势；从弹性恢复来看，货车轮胎同样要比小车轮胎的弹性恢复性能要好。因此，从橡胶粉的来源考虑，货车轮胎胶粉的改性效果明显优于小车轮胎胶粉，2.2节已对其中原因进行了分析。

对比不同细度胶粉改性沥青的各项指标可以看出，20目胶粉改性沥青的高温性能优于40和60目胶粉改性沥青，三者低温以及抗疲劳性能则比较接近。根据上节分析，橡胶沥青的改性性能主要来自胶粉与沥青形成网格结构体系和二者传质作用的化学改性。由于20目胶粉粒径较大，熔胀后与沥青形成的网格状态更显著，从而对橡胶沥青的相对流动构成更大的粘滞阻力，表现为沥青的粘度增加，高温性能提高。

综合而言，货车轮胎胶粉橡胶沥青性能要优于小车轮胎胶粉橡胶沥青，其中20目的货车轮胎胶粉橡胶沥青性能相对最好，以下实验采用20目货车轮胎胶粉。 2.2.2 橡胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响

橡胶粉掺量是影响橡胶沥青技术性能的主要参数之一，分别进行了不同掺量橡胶沥青性能实验，采用20目货车轮胎胶粉，70号道路石油沥青，实验结果见表2.2-4。

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表2.2-4 不同橡胶粉掺量橡胶沥青性能指标

Superpave胶粉掺量（%） 针入度25℃（0.1mm） 软化点（℃） 弹性恢复25℃（％） 原样G*/sinδ（kPa） DSR RTFOT G*/sinδ（kPa） PAV G*sinδ（kPa） -18℃ BBR -24℃ 76℃ 82℃ 76℃ 82℃ 31℃ S（MPa） m S（MPa） m 12 41.9 60.7 81 2.658 1.505 4.583 2.862 427 216 0.300 369 0.249 16 38.0 65.6 86 4.949 3.226 7.508 5.341 339 144 0.312 329 0.252 20 28.6 72.6 89 10.564 7.601 11.661 8.246 291 92 0.327 228 0.227 24 27.8 89.5 92 18.235 13.715 24.689 18.126 337 50 0.332 175 0.268 S≤300 m≥0.1 胶结料规范要求 / / / ≥1.0 ≥2.2 ≤5000 随着橡胶粉掺量增加，橡胶沥青的高温性能、低温性能、抗老化性能等都有明显增加，胶粉掺量从12％提高到24％，软化点提高了28.8℃，弹性恢复提高了11％，车辙因子提高了6～8倍，-18℃劲度模量减少了75％，说明增加橡胶粉掺量对于提高橡胶沥青的性能是有利的。胶粉用量增加则橡胶沥青混溶体系的网格结构更显著，因而粘度增加，高温性能提高。在高温、高速剪切过程中，胶粉用量高时，其与沥青的传质过程更为明显，因而化学改性幅度更大，低温性能和抗疲劳性能随之提高。

但同时应注意橡胶沥青的施工性能，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青在施工温度下的粘度会随之升高，过高的粘度会给沥青的泵送以及混合料的拌和、摊铺等带来困难。美国亚利桑那州规定橡胶沥青在177℃的粘度应在1.5～4.0Pa·s之间，以满足施工的要求。进行了几种掺量橡胶沥青的177℃粘度实验，结果如表2.2-5及图2.2-7。

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表2.2-5 不同橡胶粉掺量、不同搅拌时间下橡胶沥青的粘度

拌和时间(min) 不同掺量橡胶沥青粘度

粘度，Pa·s15 0.8 1.25 1.85 3.20 30 1.20 1.30 2.35 4.60 45 1.25 1.60 2.85 8.20 60 1.30 1.90 3.15 8.10 75 1.40 2.35 3.35 2.85 90min 1.50 2.75 3.35 2.90 12% 16% 18% （Pa*s） 20% 9.08.07.06.05.04.03.02.01.00.00153045607512％橡胶粉16％橡胶粉18％橡胶粉20％橡胶粉90105反应时间，min图2.2-7 不同拌和时间橡胶沥青的177℃粘度

橡胶沥青生产过程中的反应时间一般为60分钟左右，因此橡胶沥青在60分

钟前后的粘度对施工控制尤为重要。由图2.3.2可见，掺量为16％、18％时，橡胶沥青拌和60分钟时的177℃粘度在1.5～4.0Pa·s之间，且粘度曲线比较平缓，有利于橡胶沥青的施工控制。橡胶粉掺量为20％时，橡胶沥青拌和60分钟左右的177℃粘度远大于4.0Pa·s，此时沥青及混合料的施工将会比较困难。因此，对于研究所用的原材料和工艺条件，橡胶沥青的胶粉掺量以16～18％左右比较合适。

2.2.3 拌和温度对橡胶沥青性能的影响

拌和温度是橡胶沥青的重要施工控制条件，拌和温度直接影响橡胶粉与沥青熔融的速度和程度，从而对橡胶沥青的技术性能有明显影响。不同拌和温度制备的橡胶沥青各性能指标的测试结果如表2.2-6所示。

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表2.2-6 不同拌和温度时橡胶沥青的性能实验结果

Superpave拌和温度（℃） 针入度25℃（0.1mm） 软化点（℃） 弹性恢复25℃（％） 原样G*/sinδ（kPa） DSR RTFOT G*/sinδ（kPa） PAV G*sinδ（kPa） -18℃ BBR -24℃ 82℃ 31℃ S（MPa） m S（MPa） m 9.155 249 64.7 0.32 162.0 0.258 8.246 291 92.0 0.33 228.0 0.227 7.397 295 74.0 0.32 219.0 0.259 S≤300 m≥0.1 ≤5000 76℃ 82℃ 76℃ 165 34.7 76.0 82 11.798 9.367 12.819 175 28.6 72.6 89 10.564 7.601 11.661 185 33.5 76.6 89 9.755 7.183 10.470 ≥2.2 ≥1.0 胶结料规范要求 / / / 根据-18℃、-24℃蠕变劲度S和m值实验结果，175℃温度下拌和的橡胶沥青低温性能较差，由于实验数据较少，尚不能得出拌和温度对橡胶沥青低温性能的影响规律。不同拌和温度下橡胶沥青的针入度、软化点指标规律性不强，而其车辙因子G*/sinδ和抗疲劳因子G*sinδ表现出较为明显的规律性，随着拌和温度的升高，橡胶沥青的抗车辙因子逐渐降低，抗疲劳因子逐渐升高，表明过高的拌和温度对于橡胶沥青的高温性能和抗疲劳性能不利。 2.2.4 基质沥青类型对橡胶沥青性能的影响

不同标号基质沥青由于组分有所不同，采用橡胶粉改性的效果也会有所差异。分别进行了采用不同标号基质沥青的橡胶沥青性能实验，采用20目货车轮胎胶粉，拌和温度为175℃，结果如表2.2-7所示。

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表2.2-7 采用不同标号基质沥青的橡胶沥青性能实验结果

基质沥青标号 针入度（25℃） （0.1mm） 软化点（℃） 弹性恢复25℃（％） 76℃ 原样 G*/sinδ（kPa） 82℃ 76℃ RTFOT DSR G*/sinδ（kPa） 82℃ PAV 31℃ G*sinδ（kPa） S（MPa） -18℃ m BBR S（MPa） -24℃ m 70号 28.6 72.6 89 10.564 7.601 11.661 8.246 291 92 0.327 228 0.227 90号 44.7 69.9 91 7.093 5.262 7.397 5.035 192 89 0.380 196 0.315 Superpave胶结料规范要求 / / / ≥1.0 ≥2.2 ≤5000 S≤300 m≥0.1 由于90号沥青中轻组分的含量较高，经橡胶粉改性后的低温性能略高于70号沥青，但两者比较接近，且都满足PG低温等级-34的要求。但从高温性能指标来看，90号沥青的改性效果不如70号沥青。因此，在橡胶沥青的工程应用中，应根据不同的气候条件和路面受力特点，有针对性的选择基质沥青。 2.2.5 胶体磨对橡胶沥青性能的影响

橡胶沥青经过熔胀反应后再采用胶体磨处理，胶体磨可将熔胀后的胶粉进一步细化，提高胶体结构的均匀性，并增进反应速度。课题组采用40目胶粉改性沥青、以及过两种不同间隙的胶体磨处理后，进行性能指标检测。见表2.2－8。

表2.2-8 胶体磨对橡胶沥青性能的影响

试验 参数 技术要求 / 1.5~4.0 ≤300 ≥0.3 / ≥1.0 40目磨140目 （0.3mm间隙） 2.8 2.1 230 0.284 1.3798 75.8 1.4233 / 0.65 247 0.29 0.9652 82.2 0.9742 40目磨2（0.18mm间隙） 10.6 0.55 242 0.295 1.1971 81.6 1.2101 存储稳定性 177℃粘度 原样BBR(-18℃) 原样DSR（82℃） 软化点差℃ Pa.s S，MPa M G*，Kpa Δ G*/Sinδ，Kpa 25

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针入度 软化点 延度 ℃ Cm / / / 40.4 62.5 7.4 36.3 60.9 7.9 36.2 53.8 7.8 从表2.2－8可分析得出如下结论：

1、经过胶体磨处理后，橡胶沥青存储稳定性显著下降；

2、经过胶体磨处理后，橡胶沥青177℃粘度降低，胶体磨间隙越小，粘度越小；

3、从BBR试验来看，经过胶体磨处理后，橡胶沥青BBR－m值略有提高，且胶体磨间隙越小，提高越多，说明胶体磨处理对橡胶沥青低温性能有一定改善；

4、从DSR试验来看，经过胶体磨后，橡胶沥青G*/SINδ值有所下降，对高温性能有一定负面影响；

5、从三大指标来看，针入度和软化点降低，延度稍有增加，无明显规律。 综合来看，胶体磨处理后粘度降低，利于施工，并在一定程度上改善橡胶沥青低温性能，但对其存储稳定性、高温性能有负面影响。 2.2.6 活化剂对橡胶沥青性能的影响

表2.2-9 活化剂对橡胶沥青性能的影响

试验 存储稳定性 177℃粘度 原样 BBR(-18℃) 原样 DSR（82℃） 针入度 软化点 延度 参数 软化点差℃ Pa.s S，MPa m G*，Kpa δ G*/Sinδ，Kpa ℃ cm 技术要求 / 1.5~4.0 ≤300 ≥0.3 / / ≥1.0 / / / 40目 2.8 2.1 230 0.284 1.3798 75.8 1.4233 40.4 62.5 7.4 40目活 / 1.4 200 0.339 0.6168 74.4 0.6404 48.9 57.2 8.3 从表2.2－9可分析得出如下结论： 1、掺加活化剂后，粘度降低；

2、掺加活化剂后，BBR－m值有所提高，橡胶沥青高温性能有所改善；

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3、掺加活化剂后，橡胶沥青G*/SINδ值明显下降，对高温性能负面影响； 4、从三大指标来看，针入度升高，软化点降低，延度稍有增加。沥青柔韧性增加。

综合来看，活化剂掺加后橡胶沥青粘度降低，利于施工，并在一定程度上改善橡胶沥青低温性能，但对其高温性能有负面影响。 2.3 橡胶沥青高温性能试验

高温性能是沥青胶结料的主要性能之一。不同的沥青标准中都提出了高温性能的试验指标，典型的有环球法软化点、60℃粘度、DSR试验G*/sinδ等。对于改性沥青，由于改性剂的加入，使得沥青的性能变得更为复杂。一些通常用来评价常规沥青高温性能的指标对改性沥青则存在不同的敏感度。环球软化点和60℃粘度是常用的评价沥青抵抗永久变形能力的指标，但是对聚合物改性沥青而言，King等人的研究[10]表明，环球软化点和60℃粘度与LCPC的车辙试验的相关系数分别只有0.78和0.62。美国SHRP的PG分级的高温指标G*/sinδ倍受道路界关注，澳大利亚的研究则认为：G*／sinδ可以将常规沥青和改性沥青区别开来，并基本能反映常规沥青的高温性能，但是不能区分改性沥青高温性能的优劣。

在SHRP之后美国又进行了NCHRP 9—10项目“SUPERPAVE改性沥青试验规程”的研究，建议采用由重复蠕变试验结果得到的蠕变劲度的粘性部分一Ev来评价改性沥青的高温性能。根据同济大学陈佩茹等人的研究，对于3种改性沥青而言，几种沥青高温性能评价指标中，只有Ev的排序结果与车辙试验动稳定度的排序结果相同，在一定程度上表明重复蠕变试验能较好评价改性沥青的高温性能[11]。

2.3.1 重复蠕变试验

重复加载试验采用加载1s，回复9s的重复加载方式对沥青试验100个循环。其加载模式如图2.3-1所示。

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胶结料

振荡板

图2.3-1 重复蠕变试验加载模式

0.400.350.30应变，με0.250.200.150.100.050.000204060加载时间，s80100120图2.3-2 重复蠕变试验变形曲线

NCHRP 9-10推荐在夏季路面设计温度下进行试验，研究中试验温度采用60℃。

2.3.2试验分析指标

1）Burgers模型粘性部分

通过Burgers四单元流变模型对第50次和51次的试验结果进行拟和，由拟和参数计算得到蠕变柔量的粘性成分Jv。为了与SHRP中模量的概念相对应，选取蠕变劲度的粘性成分Gv=1/Jv作为高温评价指标代替DSR试验的G*/sinδ。Gv越大则沥青的高温性能越好。

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根据重复蠕变试验加载过程中的“柔量——时间曲线”可拟和得到Burgers模型的四参数，其本构方程如式2.3-1，柔量表达式如式2.3-2，Burgers模型及其变形加载卸载过程中的变形曲线如图2.3-3。Burgers模型的粘性部分Jv反映了试件在应力长时间作用下应变持续增加的速度，根据美国NCHRP9-10的研究，Jv与沥青混合料的高温性能有较好的相关性，可作为评价沥青高温性能的指标。研究中采用数据处理软件DPS进行Burgers模型的拟和，取得了理想的分析结果，DSR试验中试件柔度的实测值与拟和值如图3.3-4所示。

应

应 变变

加载时间

加载时间

图2.3-3 Burgers模型及其变形曲线

（式2.3-1）

tG1/1 t ）  1 / G 1 / G 1  ( 1  e )  1 / J e de (  J v ( t) （式2.3-2） J（ 0 t＝ Jt)0 式中，τ0——荷载；

t ——加载时间，s； γ(t) ——剪切应变； G0,G1 ——弹性模量； η0，η1——粘性系数。

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1.40E-041.20E-041.00E-04柔度测试值柔度拟和值柔度，（1/Pa）8.00E-056.00E-054.00E-052.00E-050.00E+0000.20.40.6时间,s0.811.2图2.3-4 重复蠕变试验Burgers模型拟和结果

2）累积变形增长率——k值

作为典型的粘弹性体，沥青试件重复蠕变试验中，每次“加载——卸载”循环后，都有一定的残余变形，残余变形逐步累积，研究表明，累积变形增长速度与沥青的高温性能有一定的相关性，图2.3-5为重复蠕变试验中累积变形曲线。累积变形增长率k值越大则试样的残留变形累积越快，发生车辙的可能性就越大。

1.80E+021.60E+021.40E+02累计应变，με1.20E+021.00E+028.00E+016.00E+014.00E+012.00E+010.00E+000200400600加载时间，s80010001200图2.3-5 重复蠕变试验累积变形发展曲线

3）累积变形

累积变形反映了沥青试件100次重复蠕变加载循环后总残留应变的大小，累积变形越小则沥青高温性能越好。

4）变形回复能力指标——γP /γL

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每次“加载——卸载”过程中，卸载结束时的残留变形与加载结束时的总变形的百分比γP /γL反映了试件的变形回复能力，称为残留变形率，图3.3-6为加载——卸载过程试件的变形曲线。残留变形率γP /γL越小则沥青变形回复能力越强，高温性能越好。研究中以第50次和51次的试验结果γP /γL的平均值来计算残留变形率。

3.00E-012.50E-012.00E-01应变，με1.50E-011.00E-015.00E-020.00E+000246加载时间，s81012图2.3-6 重复蠕变试验加载——卸载过程中的变形曲线

2.3.3基质沥青与改性沥青试验结果

分别进行了基质沥青、橡胶沥青、SBS改性沥青的重复蠕变试验，基质沥青采用台湾CPC 70号道路石油沥青，橡胶沥青和SBS改性沥青采用相同的基质沥青，橡胶粉掺量为18％，SBS掺量为4％。

1）Burgers模型粘性部分

Burgers模型粘性部分如表2.3-1，可见橡胶沥青Gv要明显大于SBS改性沥青和基质沥青，说明其高温性能较好。

表2.3-1 不同沥青重复蠕变试验Burgers模型粘性部分

沥青类型 基质沥青 橡胶沥青 SBS改性沥青 Gv（Pa） 189.6 6510.9 1548.3 2）累积变形增长率

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不同沥青重复蠕变试验累积变形增长率如表2.3-2所示，橡胶沥青和SBS改性沥青的k值远小于基质沥青，橡胶沥青k值则远小于SBS改性沥青，表明在加载——卸载的循环过程中，橡胶沥青的累计变形增长较慢，具有较好的抗车辙性能。

表2.3-2 不同沥青重复蠕变试验k值

沥青类型 基质沥青 橡胶沥青 SBS改性沥青 k 0.1615 0.00002 0.0002 3）累积变形

不同沥青重复蠕变试验累积变形如表2.3-3所示，橡胶沥青和SBS改性沥青的累积变形远小于基质沥青，橡胶沥青累积变形远小于SBS改性沥青。

表2.3-3 不同沥青重复蠕变试验累积变形

沥青类型 基质沥青 橡胶沥青 SBS改性沥青 累积变形（με） 161.494 0.03930 0.25623 4）残留变形百分率——γP /γL

不同沥青加载——卸载过程中的变形曲线如图2.3-7，总残留变形率γP /γL如表2.3-4，卸载过程中橡胶沥青和SBS改性沥青大部分变形都能恢复，而基质沥青的变形则难以恢复，同时橡胶沥青比SBS改性沥青具有更好的变形恢复能力。

表2.3-4 不同沥青重复蠕变试验变形恢复能力

沥青类型 基质沥青 橡胶沥青 SBS改性沥青 残留变形率（％） 99.78 0.3346 0.6064 32

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1.60E+001.40E+001.20E+00应变，με1.00E+008.00E-016.00E-014.00E-012.00E-010.00E+000246加载时间，s81012SBS改性沥青橡胶沥青基质沥青图2.3-7 不同沥青变形恢复对比

综合以上分析，以重复蠕变试验四种评价指标分析，一致表明橡胶沥青的高温性能明显优于SBS改性沥青和基质沥青。主要表现为在相同的加载条件下，橡胶沥青的总变形小、变形恢复能力好，残余变形小，从而表现出更好的高温性能。

根据橡胶沥青的改性机理，橡胶沥青中胶粉吸收沥青中的轻质成分而熔胀，且表面吸附沥青形成界面层，熔胀后的胶粉构成网络构架体系与吸附沥青一起对沥青的相对流动形成阻尼作用，从而显著提高了橡胶沥青的粘度，因而在相同的荷载水平下，总变形较小。同时，橡胶沥青制备过程中，在高温、高速剪切作用下，部分橡胶粉发生分解，溶于沥青而改变了沥青的组分构成，改善了沥青的弹性恢复能力，从而在重复蠕变试验过程中变形恢复充分，残留应变小。 2.4 橡胶沥青低温性能试验

SHRP PG分级标准采用弯曲梁蠕变试验（BBR）评价胶结料的低温性能。 2.4.1 沥青弯曲梁蠕变试验

弯曲梁蠕变试验（BBR）加载模式如图2.4-1所示。BBR试验采用2个指标——弯曲蠕变劲度模量和蠕变曲线斜率m(劲度模量对荷载作用时间的曲线斜率)

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来测评沥青结合料的低温抗裂性能，弯曲蠕变试验弯曲应变和劲度模量随加载时间的曲线如图2.4-2，研究中试验温度采用－10℃。

Heukelom根据研究较早提出了沥青低温破坏与胶结料的劲度关系密切，倡导以低温劲度评价沥青的的低温性能。Readshaw提出在接近最低使用温度时，沥青胶结料加载7200s时的劲度不超过200MPa，则路面开裂较少，该结论被SHRP研究采用。但由于加载时间为7200s以上，使得控温时间过长难以稳定，增加了试验的难度，最终采用的标准是将试验温度较路面最低设计温度提高10℃，根据时间——温度等效换算法则计算出相当于在最低路面设计温度下加载7200s的蠕变劲度时间是60s。

沥青梁试件 加载架支撑

图2.4-1 沥青弯曲梁蠕变试验加载模式

1614劲度模量,MPa600500400300200100012应变，με1086420050100150200加载时间，s250050100150加载时间,s200250图2.4-2 沥青弯曲梁蠕变试验劲度模量与应变随时间变化曲线

2.4.2 基质沥青与改性沥青试验结果

基质沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青弯曲梁蠕变试验结果如表2.4-1及图2.4-3。从劲度模量S值来看，低温性能排序为SBS改性沥青 > 橡胶沥青 > 基质沥青，从m值来看低温性能排序为SBS改性沥青 > 基质沥青 > 橡胶沥青，劲度模量S和m值的结论存在一定的差异。根据李智慧等人的研究[12]，BBR试验的劲度模量S和m值表现出来的规律可能存在一定差异，根据与混合料低温弯曲试验的对比，劲度模量S值与低温弯曲试验最大破坏应变的规率相同，推荐

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S值作为评价低温性能的指标。本研究借鉴该成果，以S值为主进行分析。

表2.4-1 不同沥青弯曲梁蠕变试验结果（-10℃）

沥青类型 基质沥青 橡胶沥青 SBS改性沥青 105.090.075.0S,MPaS（MPa） 98.9 71.2 60.9 0.60.50.40.30.20.10.0基质AR沥青类型SBS改性沥青mm 0.490 0.417 0.497 60.045.030.015.00.0基质AR沥青类型SBS改性沥青①蠕变劲度 ②蠕变劲度变化率

图2.4-3 沥青弯曲梁蠕变试验

根据前述分析，由沥青弯曲梁蠕变试验劲度模量来看，橡胶沥青的低温性能优于基质沥青但不如SBS改性沥青，这与橡胶沥青中含有相当数量的橡胶粉有关，橡胶粉自身变形能力有限，真正起变形的作用的是其中的沥青成分，由于含有橡胶粉，使得试件中变形的有效成分变少，从而影响了橡胶沥青试件的低温指标。从沥青混合料的角度考虑，在沥青混合料的组成体系中，集料自身组成的骨架体系并不具备抵抗弯拉变形的能力，而沥青胶结料与矿粉等一起构成的沥青胶浆，才真正使沥青混合料具有低温抗裂性能，因此，有必要以沥青胶浆为对象进行研究，进一步对比橡胶沥青和SBS改性沥青用于混合料的低温性能。

根据本课题关于橡胶沥青粉胶比的研究，综合橡胶沥青的低温和高温性能，橡胶沥青的粉胶比以小于0.3为宜。根据多个工程中橡胶沥青断级配混合料AR-AC13配合比数据，粉胶比平均值为0.27，且都小于0.7。随机统计了江苏省10组AK-13和SMA13混合料配合比设计报告中的粉胶比数据，AK-13粉胶比

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平均值为1.25，且都大于1.05，SMA13粉胶比平均值为1.81，且都大于1.70。表2.4-2中列出了橡胶沥青胶浆粉胶比为0.2～0.7时和SBS改性沥青粉胶比为0.6～1.4时弯曲蠕变的试验结果。

以劲度模量为分析指标，可见橡胶沥青和SBS改性沥青胶浆的低温性能都随粉胶比的增加而下降，而工程应用中橡胶沥青混合料粉胶比通常小于0.7，而SBS改性沥青混合料粉胶比一般大于1.0，橡胶沥青胶浆粉胶比为0.7时劲度模量为235MPa，而SBS改性沥青胶浆粉胶比为1.0时劲度模量为262MPa，可见以沥青胶浆的低温性能来看，橡胶沥青用于混合料可获得比SBS改性沥青更好的低温性能。

表2.4-2 沥青胶浆弯曲梁蠕变试验结果（-10℃）

沥青类型 橡胶沥青（粉胶比0.3） 橡胶沥青（粉胶比0.5） 橡胶沥青（粉胶比0.7） SBS改性沥青（粉胶比0.6） SBS改性沥青（粉胶比1.0） SBS改性沥青（粉胶比1.4） S（MPa） 147 172 235 124 262 292 m 0.384 0.407 0.402 0.492 0.459 0.450 2.4.3 橡胶沥青胶浆弯曲梁蠕变试验

由于橡胶沥青中含有可同时起填料作用的橡胶粉，所以橡胶沥青混合料与通常沥青混合料相比要小。

不同粉胶比橡胶沥青胶浆的弯曲梁蠕变试验结果如表2.4-3及图2.4-4。m值随粉胶比变化不大，而劲度模量S则随粉胶比增加而显著增大，根据相关研究成果，本课题以劲度模量S作为沥青胶浆低温性能的评价指标。可见，随粉胶比增加，沥青胶浆的低温性能有显著降低。这是因为加人矿粉后，由于填料的吸附作用，结构沥青比重增加，沥青的流动性降低，胶浆的柔性降低，表现为模量的增大。

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表2.4-3 橡胶沥青胶浆弯曲梁蠕变试验结果（-10℃）

粉胶比 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 S（MPa） 88.9 114 129 147 172 235 m 0.392 0.390 0.392 0.384 0.407 0.402 2502001501005000.5 0.4 00.10.20.30.40.50.60.70.8S,MPa0.3m0.20.10.000.10.20.30.40.50.60.70.8粉胶比粉胶比蠕变劲度 蠕变劲度变化率

图2.4-4 橡胶沥青胶浆弯曲蠕变试验结果

2.5橡胶沥青设计方法

橡胶沥青设计是橡胶沥青应用技术的重要方面，包括胶粉、基质沥青选择，胶粉用量设计等内容。

根据上述试验分析，课题选择货车轮胎20目胶粉。根据对国外橡胶沥青的应用情况，橡胶沥青所用的基质沥青要求比较宽泛，目前下面层混合料所用的基质沥青可用于生产橡胶沥青。胶粉用量是影响橡胶沥青性能的关键因素之一，是橡胶沥青生产前必须首先确定的参数，在国外相关调研的基础上，本节引入了橡胶沥青胶粉用量的设计方法。 2.5.1 橡胶沥青技术要求

美国加利福尼亚州、亚里桑那州和德克萨斯州的橡胶沥青技术要求见表

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2.5-1和表2.5-2。其中亚里桑那州的技术要求根据基质沥青PG等级分为三种类型，规定根据气候条件等因素的影响选择合适的橡胶沥青类型。德州的橡胶沥青也分为三种类型，规定类型Ⅰ和类型Ⅱ用于热拌沥青混合料，类型Ⅲ用于表面处治。

表2.5-1 加州橡胶沥青技术要求

旋转粘度，190℃ ， Pa·s 针入度，25℃，100g，5 s，0.1mm 软化点，℃，最小 回弹率*，25℃，最小 验规程（JTJ 052－2000）”中T0662－2000不同。

1.5~4.0 25~70 52~74 ≥ 18 注*：表中回弹率采用ASTM 5329的方法，与我国部颁“公路工程沥青与沥青混合料试

表2.5-2 亚里桑那州橡胶沥青技术要求

类别 基质沥青等级 粘度，177℃ ， Pa·s 针入度，25℃，100g，5 s，0.1mm，最小 软化点，℃，最小 回弹率，25℃，最小 类型Ⅰ PG 64-16 1.5-4.0 25 57 30 类型Ⅱ PG 58-22 1.5-4.0 25 54 25 类型Ⅲ PG 52-28 1.5-4.0 50 52 15 表2.5-3 德克萨斯州橡胶沥青技术要求

类别 旋转粘度，175℃ ， Pa·s 针入度，25℃，100g，5 s，0.1mm 针入度，4℃，200g，60s，0.1mm，最小 软化点，℃，最小 回弹率，25℃，最小 闪 点，℃ 薄膜烘箱老化后 针入度比（4℃，200g，60s），％ 类型Ⅰ 1.5-5.0 25~75 10 57 25 232 75 类型Ⅱ 1.5-5.0 25~75 15 54 20 232 75 类型Ⅲ 1.5-5.0 50~100 20 52 10 232 75 整体而言，各州橡胶沥青的检测项目和技术要求基本相同，只是德州的检测项目多了4℃针入度、闪点和老化后针入度比三个指标。

考虑到亚里桑那州橡胶沥青应用相对较多，技术较为成熟，课题拟参照该州

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技术要求，由于天津市70号道路石油沥青沥青绝大多数采用的PG标准为PG64－22，所以选择类型Ⅰ的技术要求。其中粘度、针入度、软化点试验方法与我国部颁“公路工程沥青与沥青混合料试验规程（JTJ 052－2000）”相同，而回弹率试验采用ASTM D5329的方法，与我国“沥青与沥青混合料试验规程”规定的类似方法差异较大，为便于工程应用，推荐采用我国T0662－2000的方法。根据课题研究以及近年来相关工程中橡胶沥青按照T0662－2000的弹性恢复实验结果，初步确定弹性恢复率技术要求为75％。提出橡胶沥青技术要求和试验方法如表2.5-4。

表2.5-4 橡胶沥青技术要求

项 目 粘度，177℃ ， Pa·s 针入度，25℃，100g，5 s，0.1mm，最小 软化点，℃，最小 弹性恢复，25℃，1h，最小 技术要求 1.5-3.0 （2.0-4.0） 25 57 75 试验方法 T0625－2000 T0604－2000 T0606－2000 T0662－2000 2.5.2 胶粉用量设计方法

橡胶沥青胶粉用量设计主要考虑路用性能和施工性能两个方面，拟旋转粘度（177℃或190℃）为主要设计指标，要求范围一般为1.5~4.0或1.5~5.0，下限是保证良好的路用性能，上限保证一定的施工性能，防止因粘度过大造成泵送、拌和困难。参照亚里桑那州的技术要求，并根据我院以往的工程经验提出以下橡胶沥青设计方法。

采用177℃粘度为设计指标，设计步骤如下：

①根据工程经验，采用常用的胶粉掺量（16％～20％左右），按照1％或2％的间隔，制备橡胶沥青。橡胶沥青拌和时间为45min、60min、75min、90min、和120min时分别取样；

②测定不同拌和时间橡胶沥青样品的177℃粘度；

③绘制粘度与拌和时间的曲线，取拌和60min时粘度满足设计要求，且60min

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前后粘度曲线比较平缓的胶粉掺量作为设计掺量；

④进行设计掺量橡胶沥青其他各项性能试验，使满足表3.5-4的技术要求。 2.6本章小结

本章探讨了橡胶沥青混溶体系的构成和改性机理；通过针入度体系、粘度体系和SHRP体系试验研究了各因素橡胶沥青性能的影响；采用重复蠕变试验和弯曲粱蠕变试验对橡胶沥青和橡胶沥青胶浆的高温、低温性能进行了分析。得到如下结论：

（1）掺入橡胶粉后，沥青的高温性能、低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能等都有明显改善；

（2）采用20目胶粉制备的橡胶沥青技术性能优于采用40目和60目胶粉的橡胶沥青，说明胶粉越粒径越大，溶胀反应越充分；

（3）增加胶粉掺量可明显提高橡胶沥青的技术性能，但应注意提高胶粉掺量可能会增加橡胶沥青的施工难度。对于课题的原材料和工艺条件，橡胶粉掺量以在16％～18％左右为宜；拌和温度过高对橡胶沥青的高温性能和抗疲劳性能不利；

（4）在国外橡胶沥青技术标准调研的基础上，结合室内试验，提出了橡胶沥青设计方法和技术标准。

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第三章 橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究

沥青混合料是橡胶沥青应用的重要方面。橡胶沥青混合料的配合比设计与其他类型的沥青混合料有相同的地方，也有不同之处。马歇尔击实试验方法、旋转压实试验方法和Haveen试验方法，是目前国内外沥青混合料配合比设计的3种主要方法。在不同的国家或地区采用不同的橡胶沥青混合料的配合比设计，如：美国加利福尼亚州采用Haveen法进行橡胶沥青混合料配合比设计、亚利桑那州采用旋转压实试验方法，而德克萨斯州则采用马歇尔击实试验方法。这与其他沥青混合料配合比设计相类似，试验方法多种多样，各自自成体系，本身并没有明显的优劣差异，都可以设计出良好配合比的混合料。

不论哪种配合比设计方法，橡胶沥青混合料设计首先是级配的选择和确定，其次是该混合料体积指标和力学指标的分析、确定，最终确定混合料的油石比。

根据工程应用经验，本章针对天津地区高速公路建设的特点，依托津港高速公路路面工程的应用，开展橡胶沥青混合料的应用研究。 3.1橡胶沥青混合料设计方法研究

3.1.1级配范围

为了选择合适的级配范围，课题组对国内外不同类型级配进行了分析比较，目前在橡胶沥青应用方面，较多的应用断级配混合料，而连续级配混合料应用较少，为便于更好的进行橡胶沥青在天津地区的应用研究，课题组结合江苏交科院、四川新筑、交通部指南等国内外目前主流的橡胶沥青级配范围，在充分调研的基础上，进行了总结分析，具体分析如下。

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表3.1-1 国内外不同地区橡胶沥青上面层主要级配范围比较

地区 通过下列筛孔的百分率 (%) 16 13.2 9.5 4.75 2.36 8~19 1.18 / 0.6 / 8~15 0.3 / 0.15 0.075 / 0~7 3~8 橡江苏交科院 100 90~100 50~70 12~33 胶沥青范围 比较范围 四川新筑 100 90~100 70~87 28~42 15~25 交通部指南 100 95~100 62~71 25~35 20~28 15~23 12~19 10~15 8~12 6~10 亚里桑那 德州 规范SMA-13 Sup13 规范AC-13 100 80~100 65~80 28~42 14~22 100 72~85 / / 8~20 / 6~15 / / 0~2.5 5~9 50~70 30~45 17~27 12~22 100 90~100 50~75 20~34 15~26 14~24 12~20 10~16 9~15 8~12 100 90~100 28~58 7~20 5~15 2~10 4~8 100 90~100 68~85 38~68 24~50 15~38 10~28 表3.1-2 国内不同地区橡胶沥青中面层主要级配范围比较

地区 橡胶沥江苏 通过下列筛孔的百分率 (%) 26.5 100 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 / 0.6 / 0.3 / 0.15 0.075 / 1~5 青范围 交科院 规范SMA-2比较范围 0 Sup20 规范AC-20 90~100 75~90 65~80 47~63 20~35 10~22 100 90 ~100 90 ~100 90 ~100 72 ~92 62 ~82 40 ~55 18 ~30 13 ~22 23 ~49 16~44 12 ~20 10 ~16 9~14 8~13 8~12 100 78 ~92 62~80 50~72 26~56 12~33 2 ~8 3~7 100 8~24 5~17 4~13 从国内外的应用情况来看，为了满足上述不同级配范围混合料的体积指标、混合料性能的要求，所设计的油石比差异较大。根据以往工程经验，以上面层应用情况为例，依托江苏交科院前期的橡胶沥青研究成果，要想达到理想的空隙率，往往要加大橡胶沥青混合料的油石比，油石比大都在8.5%左右，较之SMA13的油石比更高，部分工程油石比在7.5%左右，致使前期工程造价上浮较大，使橡胶沥青混合料的推广应用有了一定的阻力。交通部指南级配范围的油石比一般在6~7%之间，四川新筑级配范围的油石比一般在6.5~7.5%之间，连续级配范围设计的级配油石比一般上面层在5.0%左右，中面层在4.5%左右。

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从级配构成而言，德州、江苏交科院的橡胶沥青混合料构成采用更多的粗集料，可望具有更强的嵌挤结构，从而抗车辙性能更为优良，同时其采用较高用量的橡胶沥青，其抗疲劳性能、变形适应能力等可望比传统的SMA更好。与规范AC型、Superpave级配要求相比，Superpave级配范围更宽，且Superpave混合料具有良好的抗车辙能力，属于“密实、骨架、嵌挤”结构，曲线呈“S”型，也有利于粗颗粒橡胶粉的填充，且级配的可选择性更强。

从初期建设成本、混合料性能考虑，同时，考虑到本项目实施采用20目橡胶粉进行应用，且Superpave技术在天津也有较为广泛的应用，该级配范围在天津地区有较为成熟的应用经验，在实际应用中也更易接受，且相对于断级配富油橡胶沥青混合料而言，可有效降低油石比，降低工程造价，结合工程应用经验、天津地区的气候、交通特点，采用连续级配的级配范围，可适应于天津地区的高速公路应用实际，因此推荐选用Superpave混合料级配范围。 3.1.2成型方法

室内击实试验的主要目的是预估混合料经过施工压实或者车辆荷载作用后的体积指标。因此，室内击实方法和标准主要考虑施工条件（压实功）和交通状况。亚里桑那州、佛罗里达州、加州和德州等分别根据本州的击实方法成型橡胶沥青混合料试件。

德州的橡胶沥青断级配混合料采用SMA的级配原理设计混合料级配，称为SMAR，采用旋转压实仪进行设计，需要适量添加矿粉作填料（掺量比SMA低）。SMAR级配组成与传统的SMA级配基本相同，采用较多的粗集料形成骨架嵌挤结构，通过橡胶沥青、矿粉及部分细料形成的玛蹄脂填充粗料孔隙。德州采用75次的设计旋转压实次数进行断级配橡胶沥青混合料配合比设计。

参照德州的方法进行混合料设计时发现，在高油石比的情况下，旋转压实成型试件容易松散，造成数据离散，影响试验结果的准确性。因此，目前工程中对于断级配混合料普遍采用马歇尔法进行混合料设计和施工控制，实践证明马歇尔双面各击实75次与现场施工情况比较吻合。而作为Superpave的设计体系，全

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部采用旋转压实方法进行设计，同时，天津地区沥青混合料设计绝大部分都是采用旋转压实设计法，且结合Superpave设计特点，在较低的油石比下设计也能确保试件的成型效果，事实证明这也是与天津地区的施工水平和交通状况相适应的。综合考虑设计方法的可行性和天津地区的应用经验等，推荐应用于津港高速的橡胶沥青混合料配合比设计时，采用旋转压实法成型试件，工程应用表明是合适的。

3.1.3设计指标

关于橡胶沥青的技术要求与传统的混合料基本相同，在参考国内外研究成果的标准基础上，考虑到级配范围、设计方法均采用Superpave体系，故本课题橡胶沥青中上面层的技术标准统一采用Superpave技术指标的要求，技术要求如表3.1-3~表3.1-4。

表3.1-3 橡胶沥青混合料旋转压实技术指标

沥青混合 料类型 上面层 中面层 N初始 ≤89 ≤89 压实度（%） N设计(1) N最大(1) VMA（%） ≥14 ≥13 VFA（%） 65～75 65～75 F/A 0.6～1.2 0.6～1.2 (2)(2)AASHTO T283（%） ≥80 ≥80 96 96 ≤98 ≤98 注：(1)结合本项目的设计交通量水平，旋转压实次数分别选用N初始=8、N设计=100、N最大=160。 (2)当级配在禁区下方通过时，粉胶比可取值0.8～1.6。

表3.1-4 橡胶沥青混合料性能指标

混合料类型 上面层 中面层 弯曲破坏应变(με) ≥2000 ≥2000 残留稳定度 (%) ≥85 ≥85 冻融劈裂强度比（%） ≥80 ≥80 冻融劈裂强度比（%） ≥80 ≥80 动稳定度 （次/mm） ≥3000 ≥3000 注：标准马歇尔双面各击实75次，冻融劈裂试件双面各击实50次。

3.1.4混合料配合比设计步骤和要求

在实际工程中橡胶（粉）沥青混合料的配合比设计流程与一般沥青混合料的流程基本一样（见图3.1-1），分为四个步骤：

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理论配合比设计目标配合比设计生产配合比设计生产配合比验证图3.1-1 橡胶沥青混合料配合比设计流程

第一步：理论配合比设计阶段，该阶段的主要目标是根据当地的气候和交通环境及石料情况，确定混合料的技术要求，进而选择材料、确定混合料的级配、评价混合料的技术性能。该阶段主要在试验室完成。

理论配合比设计应按图3.1-2中的流程进行。首先，根据被设计路段所处的地理环境和交通荷载水平，确定混合料的技术性能指标，如高温性能指标、水稳定性能指标和低温性能指标等。然后，根据这些指标的高低水平，选择是否使用橡胶（粉）沥青混合料以及类型。一般来说，宜将湿拌工艺的橡胶沥青混合料用于表面层，利用其低温抗裂性能优越的特点，减少路面的裂缝；利用其降噪效果，改善路面的行驶舒适性。同时，初步确定橡胶粉的掺量。在实际工程中应选择2~3种的橡胶粉掺量进行对比试验，选择技术可靠、经济的技术方案。最后，通过原材料试验和混合料试验，选择原材料及矿料级配曲线，并通过反复的试验论证，使选择的混合料应能满足规定的技术指标。

图3.1-2 橡胶（粉）沥青混合料理论配合比设计流程

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第二步：目标配合比设计阶段，该阶段的主要目的是根据上一阶段确定的混合料级配和材料，确定拌和机冷料仓的比例，并验证混合料的主要技术指标。该阶段试验应在拌和场的试验室完成。

第三步：生产配合比设计阶段，该阶段的主要目标是确定拌和机热料仓的比例及混合料实际生产的油石比。该阶段应在拌和场完成。

第四步：生产配合比验证阶段，包括混合料的试拌试铺，该阶段的主要目标是验证混合料配合比的设计参数，如：冷热料仓的比例在实际生产中是否合适，是否会出现严重的等料、溢料现象；生产出的混合料技术指标是否满足设计要求等。同时确定大规模生产的工艺参数，如：拌和的温度与时间、摊铺的温度、混合料的松铺系数、碾压工艺等。 3.2 橡胶沥青混合料性能对比研究

为了比较橡胶沥青混合料与其他类型混合料的性能，课题组对同级配类型混合料不同油石比（简称同类型不同油石比混合料）、同级配类型不同胶结料的混合料（简称同类型不同胶结料混合料）进行了各种混合料的配合比设计，并进行了性能试验比较。

同类型不同油石比混合料是根据江苏交科院的研究成果，结合断级配混合料类型，采用马歇尔设计方法设计。以往断级配橡胶沥青混合料所用油石比较高，为了能够与同级配类型Superpave混合料在经济性良好的基础上，具有可比的混合料性能，也便于橡胶沥青断级配和Superpave级配在天津地区的推广应用，首次采用了AR-Superpave（橡胶沥青Superpave）、中低油石比的AR-AC13（中油石比范围指6.5~7.5%，低油石比范围指5.5~6.5%）及中低油石比的AR-AC20（中油石比范围指5.5~6%，低油石比范围指4.5~5.5%）混合料设计（设计指标参考江苏交科院研究成果）。

为有效区分中油石比、低油石比混合料，在表示方法上，橡胶沥青中油石比统一表示为AR-AC13M、AR-AC20M，橡胶沥青低油石比统一表示为AR-AC13L、

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AR-AC20L。

本项目研究考虑到AR-AC13L、AR-AC20M与橡胶沥青Superpave混合料油石比基本相当，AR-AC13和AR-AC20属于粗型断级配，而橡胶沥青Superpave相对而言，属于细型连续级配，但均达到了骨架嵌挤效果。因此，在比较橡胶沥青性能优越性时，重点采用AR-AC13和AR-AC20与Superpave混合料进行对比研究，由此也比较了不同设计方法设计的混合料对性能的影响。 3.2.1 同类型不同油石比橡胶沥青混合料配合比设计结果

（1） AR-AC13上面层

表3.2-1 AR-AC13L型沥青混合料目标配合比设计结果

材料种类 比例（%） 矿料规格（mm） 10～15 55.0 5～10 20.0 机制砂 20.0 矿粉 5.0 最佳油石比 油石比范围 （%） （%） 6.0 5.8-6.2 表3.2-2 AR-AC13L型沥青混合料目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 设计结果 99.6 94.6 52.6 27.1 18.0 13.2 10.9 8.6 7.1 5.9 按上述级配要求掺配，AR-AC13L型目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-3。

表3.2-3 AR-AC13L目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 油石比 马歇尔毛体积相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 浸水马歇尔残留稳定度 冻融劈裂强度比 动稳定度(60℃) 单位 % / % % / % % % 次/mm 试验结果 6.0 2.321 70.6 5.6 2.459 19.1 89.8 91.8 2956 技术指标要求 5.8-6.2 / 70-85 3-6 计算 ≦19 ≦85 ≦80 ≦2800 47

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表3.2-4 AR-AC13M型沥青混合料目标配合比设计结果

材料种类 比例（%） 矿料规格（mm） 10～15 38.0 5～10 34.0 机制砂 20.5 矿粉 7.5 最佳油石比 油石比范围 （%） （%） 7.0 6.8-7.2 表3.2-5 AR-AC13M型沥青混合料目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 设计结果 99.7 96.3 66.7 31.1 20.9 16.0 13.6 11.2 9.7 8.2 按上述级配要求掺配，AR-AC13M型目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-6。

表3.2-6 AR-AC13M目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 油石比 马歇尔毛体积相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 浸水马歇尔残留稳定度 冻融劈裂强度比 动稳定度(60℃) 单位 % / % % / % % % 次/mm 试验结果 7.0 2.322 71.8 5.5 2.458 19.6 93.5 85.4 3331 技术指标要求 6.8-7.2 / 70-85 3-6 计算 ≦19 ≦85 ≦80 ≦2800 （2） AR-AC20中面层

表3.2-7 AR-AC20L型沥青混合料目标配合比设计结果

材料种类 比例（%） 矿料规格（mm） 10～20 55.0 5～10 18.0 3～5 3.0 机制砂 19.0 矿粉 5.0 最佳油石比 （%） 5.0 油石比范围 （%） 4.8-5.2 表3.2-8 AR-AC20L型沥青混合料目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 AR-AC20 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 8.0 0.15 7.1 0.075 5.7 100 93.3 82.2 67.7 48.5 28.8 22.2 14.2 10.4 48

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按上述级配要求掺配，AR-AC20L型目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-9。

表3.2-9 AR-AC20L目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 油石比 马歇尔毛体积相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 浸水马歇尔残留稳定度 冻融劈裂强度比 动稳定度(60℃) 单位 % / % % / % % % 次/mm 试验结果 5.0 2.447 88.7 5.6 2.591 16.4 88.7 85.1 6665 技术指标要求 4.8-5.2 / / 3-6 计算 / ≦85 ≦80 ≦2800 表3.2-10 AR-AC20M型沥青混合料目标配合比设计结果

材料种类 比例（%） 矿料规格（mm） 10～20 52.0 5～10 23.0 3～5 4.0 机制砂 17.0 矿粉 4.0 最佳油石比 （%） 5.5 油石比范围 （%） 5.3-5.7 表3.2-11 AR-AC20M型沥青混合料目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 ARC-20 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 9.0 0.3 6.8 0.15 6.0 0.075 4.8 100 93.7 83.2 69.5 51.3 27.2 19.8 12.4 按上述级配要求掺配，AR-AC20M型目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-12。

表3.2-12 AR-AC20M目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 油石比 马歇尔毛体积相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度

单位 % / % % / 试验结果 5.5 2.435 68.8 5.4 2.573 技术指标要求 5.3-5.7 / / 3-6 计算 49

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矿料间隙率VMA 浸水马歇尔残留稳定度 冻融劈裂强度比 动稳定度(60℃) % % % 次/mm 17.2 91.2 82.6 4296 / ≦85 ≦80 ≦2800 3.2.2 同类型不同胶结料沥青混合料配合比设计结果

（1） Sup13上面层

三种沥青混合料的配合比设计按旋转压实试验方法进行，其级配的掺配结果分别见下表。

表3.2-13 橡胶沥青Sup13目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 设计结果 99.9 96.4 61.7 43.2 29.4 22.6 14.0 9.7 7.7 6.1 按上述级配要求掺配，橡胶沥青Sup13目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-14。

表3.2-14 橡胶沥青Sup13目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 稳定度MS 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) 冻融劈裂强度比 单位 % / % 0.1mm % kN / % % % % % 次/mm % 试验结果 5.7 2.430 73.6 24.0 3.9 16.6 2.529 15.2 1.075 86.9 97.6 90.9 4308 85.1 技术指标要求 / / 65-75 15-40 4 ≦8 计算 ≦14 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 50

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T283 % 84.9 ≦80 表3.2-15 胶粉改性沥青Sup13目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 设计结果 99.5 90.5 59.6 45.2 34.9 25.1 19.0 12.5 8.8 6.3 按上述级配要求掺配，胶粉改性沥青Sup13目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-16。

表3.2-16 胶粉改性沥青Sup13目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) T283 单位 % / % % / % % % % % 次/mm % 试验结果 5.0 2.486 72.8 4 2.590 14.8 1.44 86.6 97.1 89.5 5161 84.3 技术指标要求 / / 65-75 4 计算 ≦14 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 表3.2-17 SBS改性沥青Sup13目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 设计结果 100 97.3 63.3 47.2 32.1 22.3 17.3 12.3 9.1 6.8 按上述级配要求掺配，SBS改性沥青Sup13目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-18。

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表3.2-18 SBS改性沥青Sup13目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) T283 单位 % / % % / % % % % % 次/mm % 试验结果 4.8 2.412 71.9 4.1 2.514 14.5 1.56 86.9 97.2 95.0 4686 91.8 技术指标要求 / / 65-75 4 计算 ≦14 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 （2） Sup20中面层

三种沥青混合料的配合比设计按旋转压实试验方法进行，其级配的掺配结果分别见下表。

表3.2-19 橡胶沥青Sup20目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 9.6 0.15 7.2 0.075 5.3 Sup20 100 94.3 83.8 75.5 67.6 39.7 27.3 18.0 13.7 按上述级配要求掺配，橡胶沥青Sup20目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-20。

表3.2-20 橡胶沥青Sup20目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 流值 单位 % / % 0.1mm 试验结果 5.2 2.487 70.5 22.7 技术指标要求 / 实测 65-75 15-40 52

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空隙率VV 稳定度MS 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) T283 % kN / % % % % % 次/mm % 3.9 12.14 2.589 13.5 1.023 86.5 97.5 89.8 4384 84.1 4 ≦8 实测 ≦13 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 表3.2-21 胶粉改性沥青Sup20目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 8.9 0.15 7.5 0.075 5.8 Sup20 100 95.6 85.0 74.7 59.4 38.3 29.8 17.9 12.4 按上述级配要求掺配，胶粉改性沥青Sup20目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-22。

表3.2-22 胶粉改性沥青Sup20目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) T283 单位 % / % % / % % % % % 次/mm % 试验结果 4.5 2.502 71.0 4 2.608 13.9 1.419 86.3 96.9 89.3 4364 81.7 技术指标要求 4.3-4.7 实测 65-75 4 实测 ≦13 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 53

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表3.2-23 SBS改性沥青Sup20目标配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 9.7 0.15 7.9 0.075 6.0 Sup20 100 94.6 85.7 74.2 58.8 37.9 29.9 18.9 13.6 按上述级配要求掺配，SBS改性沥青Sup20目标配合比的技术指标检测结果见表3.2-24。

表3.2-24 SBS改性沥青Sup20目标配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 旋转压实相对密度 沥青饱和度 空隙率VV 理论最大相对密度 矿料间隙率VMA 粉胶比 初始压实度 最大压实度 浸水马歇尔残留稳定度 动稳定度(60℃) T283 单位 % / % % / % % % % % 次/mm % 试验结果 4.5 2.502 71.9 3.9 2.604 14.1 1.48 86.5 97.1 91.1 4736 82.3 技术指标要求 4.3-4.7 实测 65-75 4 实测 ≦13 0.8-1.6 ≧89 ≧98 ≦85 ≦2800 ≦80 为了进一步验证橡胶沥青混合料的性能，我们采用3.1节和3.3~3.4节设计的沥青混合料，对其进行了深入研究，具体研究内容如下： 3.2.3 高温性能对比试验

（1）高温蠕变试验

UTM试验机测定，试验规程为AASHTO TP-62，试验时初始应力为41.9kPa，围压为138kPa，整个试验过程保持恒定；应力水平为0.7MPa，试验温度为40℃；施加半正弦压荷载脉冲，每1s荷载加载时间0.1s，间歇时间0.9s。比较结果表明，上面层SBS改性沥青Sup13最优，AR-AC13次之，SBS改性沥青Sup20最

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优，AR-AC20L次之。同类型不同油石比橡胶沥青混合料之间比较而言，上面层AR-AC13L更优，中面层AR-AC20M更优。

①上面层结构

表3.2-25 不同沥青混合料高温稳定性试验结果

混合料类型 流变次数（次） 50 186 126 293 流变次数（次）AR-AC13L AR-AC13M 胶粉改性沥青Sup13 SBS改性沥青Sup13 350300 流变次数/Fn250200 150 100500 AR-AC13LAR-AC13M胶粉改性沥青Sup13SBS改性沥青Sup13图3.2-1 不同沥青混合料流変次数

②中面层结构

表3.2-26 不同沥青混合料高温稳定性试验结果

混合料类型 AR-AC20L AR-AC20M 胶粉改性沥青Sup20 SBS改性沥青Sup20 流变次数（次） 232 48 134 546

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600 500流变次数（次）流变次数/Fn400300 200 100 0AR-AC20LAR-AC20M胶粉改性沥青Sup20SBS改性沥青Sup20图3.2-2 不同沥青混合料流変次数

3.2.4 疲劳性能对比试验

疲劳试验采用UTM试验机，疲劳试验温度为15℃，应变加载方式进行控制，加载微应变为300με和400με。试验结果见表3.3.2-1~表3.3.2-2所示。试验结果表明，在400με时，中上面层均表现为SBS改性沥青Sup13/20疲劳性能最优；在300με时，上面层AR-AC13L疲劳性能最优，中面层SBS改性沥青Sup20疲劳性能最优；在400με时，中上面层均表现为SBS改性沥青Sup13和Sup20疲劳性能最优；同类型不同油石比橡胶沥青混合料相比而言，300με时，上面层AR-AC13L更优，中面层AR-AC20M更优，400με时，中上面层均表现为AR-AC13M和AR-AC20M更优。

（1）上面层结构

表3.2-27 不同沥青混合料疲劳试验结果

混合料类型 SBS改性沥青Sup13 胶粉改性沥青Sup13 AR-AC13M AR-AC13L SBS改性沥青Sup13 胶粉改性沥青Sup13 AR-AC13M 400 300 微应变 (με) 初始刚度(MPa) 4221 3194 3477 2481 4083 3596 3217 循环次数（次） 880796 1030040 772926 1352443 707525 357226 252910 56

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第三章 橡胶沥青混合料试验研究

AR-AC13L 2950 238600 1600000 1400000循环次数（次）12000001000000 800000 600000400000 200000 0SBS改性沥青Sup13胶粉改性沥青Sup13AR-AC13MAR-AC13L上面层300με疲劳试验结果

800000700000 循环次数（次）600000500000 400000300000 200000 100000 0SBS改性沥青Sup13胶粉改性沥青Sup13AR-AC13MAR-AC13L上面层400με疲劳试验结果

图3.2-3 不同沥青混合料疲劳试验结果

（2）中面层结构

表3.2-28 不同沥青混合料疲劳试验结果

混合料类型 AR-AC20M AR-AC20L SBS改性沥青Sup20 胶粉改性沥青Sup20 AR-AC20M AR-AC20L SBS改性沥青Sup20

微应变 (με) 初始刚度 (MPa) 4141 循环次数 （次） 201900 140400 674788 1946450 131810 76075 273300 57

300 4358 3858 2909 4118 400 4853 4400 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第三章 橡胶沥青混合料试验研究

胶粉改性沥青Sup20 3110 187100 25000002000000 循环次数（次）1500000 1000000 500000 0AR-AC20MAR-AC20LSBS改性沥青Sup20胶粉改性沥青Sup20中面层300με疲劳试验结果

300000250000 循环次数（次）200000150000 100000 50000 0AR-AC20MAR-AC20L SBS改性沥青Sup20胶粉改性沥青Sup20中面层400με疲劳试验结果

图3.2-4 不同沥青混合料疲劳试验结果

3.2.5 力学性能对比试验

①回弹模量和劈裂强度试验

回弹模量和劈裂强度试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0713－2000）规定的单轴压缩试验方法进行，试验温度为15℃，不同试验条件下各种沥青混合料的回弹模量和劈裂强度试验结果如表3.2－29所示。各结构层不同类型混合料的劈裂强度除AR-AC13和AR-AC20略低外，其余基本相当。同类型不同油石比橡胶沥青混合料相比而言，中上面层均表现为中油石比最优。

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表3.2-29 不同沥青混合料回弹模量和劈裂强度试验结果

温度（℃） 混合料类型 AR-AC13M AR-AC13L 15 SBS改性沥青Sup13 胶粉改性沥青Sup13 AR-AC20M AR-AC20L 15 SBS改性沥青Sup20 胶粉改性沥青Sup20 2.5劈裂强度（MPa） 1.47 2.11 2.04 1.32 1.66 1.76 1.81 2.04 回弹模量（MPa） 1615 1110 1719 1621 2128 2083 2326 1989 2劈裂强度（MPa）1.510.50AR-AC13MAR-AC13LSBS改性沥青Sup13胶粉改性沥青Sup13图3.2-5 上面层不同沥青混合料劈裂强度试验结果

2.5 2劈裂强度（MPa） 1.510.50AR-AC20MAR-AC20LSBS改性沥青Sup20胶粉改性沥青Sup20图3.2-6 中面层不同沥青混合料劈裂强度试验结果

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2000180016001400120010008006004002000AR-AC13MAR-AC13LSBS改性沥青Sup13胶粉改性沥青Sup13回弹模量（MPa） 图3.2-7 上面层不同沥青混合料回弹模量试验结果

24002300 回弹模量（MPa） 22002100200019001800AR-AC20MAR-AC20LSBS改性沥青Sup20胶粉改性沥青Sup20图3.2-8 中面层不同沥青混合料回弹模量试验结果

3.2.6 低温抗裂性能对比试验

在最佳油石比下进行低温小梁弯曲试验检验混合料的低温性能。试验结果见表3.2-30。结果表明，除AR-AC13L的破坏应变较小外，其余基本相当。同类型不同油石比橡胶沥青混合料相比而言，中面层表现为AR-AC20L最优，上面层表现为AR-AC13M最优。

表3.2-30 小梁弯曲试验结果

混合料类型 胶粉改性沥青Sup20 中面层 上

破坏应变(με) 1242.9 1158.4 1196.6 1125.1 1095.8 60

SBS改性沥青Sup20 AR-AC20L AR-AC20M SBS改性沥青Sup13 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第三章 橡胶沥青混合料试验研究

面层 AR-AC13L AR-AC13M 胶粉改性沥青Sup13 14001200 832 1203.3 1221.5 破坏应变(με)1000 800600400 200 0SBS改性沥青Sup13AR-AC13LAR-AC13M胶粉改性沥青Sup13图3.2-9 上面层不同沥青混合料低温性能试验结果

1260 12401220破坏应变(με) 12001180 11601140 11201100 10801060 胶粉改性沥青Sup20SBS改性沥青Sup20AR-AC20LAR-AC20M图3.2-10 中面层不同沥青混合料低温性能试验结果

3.2.7 水稳定性对比试验

采用T283试验来对比两种混合料的水稳定性能，试验结果见表3.2-31。试验表明两种沥青的混合料具有较为接近的水稳定性能。

表3.2-31 不同混合料的T283试验结果

混合料类型 胶粉改性沥青Sup20 中面层 SBS改性沥青Sup20 橡胶沥青Sup20 AR-AC20L

非条件 劈裂强度(KPa) 855 1138 1030 786 条件 劈裂强度(KPa) 691 950 860 711 TSR (%) 80.8 83.5 83.5 90.5 规范要求 (%) ≥80 61

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AR-AC20M SBS改性沥青Sup13 上面AR-AC13L AR-AC13M 803 1089 655 729 785 860 652 997 601 600 678 730 81.2 91.6 91.8 82.3 86.4 84.9 层 胶粉改性沥青Sup13 橡胶沥青Sup13 94929088 SBS改性沥青Sup13TSR(%)868482807876 AR-AC13LAR-AC13M胶粉改性沥青Sup13橡胶沥青Sup13图3.2-11 上面层不同沥青混合料水稳定性试验结果

92908886 胶粉改性沥青Sup20SBS改性沥青Sup20橡胶沥青Sup20AR-AC20LAR-AC20MTSR(%)848280787674图3.2-12 中面层不同沥青混合料水稳定性试验结果

3.3 本章小结

本章对橡胶沥青混合料设计方法、设计标准等进行了调研和综合比较，确定了适用用天津地区的橡胶沥青混合料设计方法，并进行了橡胶沥青混合料性能验证比较试验。具体结论如下：

（1）通过国内外的调研，介绍了国内外橡胶沥青混合料的设计方法、技术

62

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第三章 橡胶沥青混合料试验研究

标准，并对不同方法进行对比分析，结合我国及天津的实际情况，最终推荐适用于天津的设计方法及技术标准。

在级配范围选择上，首次提出了橡胶沥青采用Superpave技术确定的级配范围，设计方法采用旋转压实设计方法，配合比设计的技术标准与热拌混合料基本相同，重点控制VMA指标，完全参照Superpave技术标准。

（2）首次提出通过中低油石比AR-AC13和AR-AC20混合料的配合比设计，并采用替代法，橡胶沥青中低石油比混合料替代橡胶沥青Superpave混合料，进行室内试验开展同类型不同油石比橡胶沥青混合料、同类型不同胶结料沥青混合料的性能比较试验。比较试验结果表明，橡胶沥青混合料在抗疲劳性能方面优于胶粉改性沥青混合料，但抗高温性能、低温抗裂性、水稳定性、抗变形能力室内试验并没有表现出明显的优越性。

（3）通过试验比较，考虑到天津地区混合料设计应用的实际情况，最终确定采用同级配类型不同胶结料的混合料进行现场应用研究，以达到在同一条件下，比较不同胶结料对混合料性能的影响，连续级配橡胶沥青混合料在天津地区的适用性。

63

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

第四章 橡胶沥青路面铺筑

4.1概述

在室内研究的基础上，为全面验证橡胶沥青混合料的使用性能及延长路面使用寿命的目的，按照设计要求进行了试拌试铺，在试验路铺筑成功的基础上进行橡胶沥青路面的铺筑。该路段位于津港高速公路九标项目部，施工路段桩号为K0+598.864~K10+856.648，中上面层采用橡胶沥青Superpave混合料。从铺筑情况看，人员机械安排合理，施工组织有序，机械运转正常。施工过程中严格按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）中的要求进行施工，碾压无推移，铺面基本均匀密实，局部有块状离析和粘轮现象，各项检测数据满足技术要求。

4.2原材料使用情况 4.2.1粗集料

本课题采用的粗集料为玄武岩碎石，为确保其具有良好的颗粒形状，碎石加工采用鄂式破碎机一级破碎，采用反击式破碎机二次破碎，最后通过整形机整形，以保证碎石针片状含量。其检测结果见表4.2-1。

表4.2-1 玄武岩（10-15mm）检测结果

检测项目 实测 要求 压碎值（%） 15.2 ≧20 吸水率（%） 0.57 ≧2 洛杉矶磨耗损失（%） 14.6 ≧28 针片状颗粒含量（%） 4.2 ≧10 含泥量（%） 0.6 ≧1 粘附性 5 ≦5 表观相对密度 2.829 ≦2.6 表4.2-2 玄武岩（5-10mm）检测结果

检测项目 吸水率（%） 洛杉矶磨耗损失（%） 14.6 ≧28 针片状颗粒含量（%） 4 ≧15 含泥量（%） 表观相对密度（g/cm3） 2.98 ≦2.6 实测 要求 0.9 ≧2 1 ≧1 4.2.2细集料、填料

本课题采用的细集料为洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

的石屑；填料采用石灰岩等憎水性石料经磨细得到的矿粉。其质量检测结果见表4.2-3和表4.2-4。

表4.2-3 石屑

检测项目 实测 要求 砂当量 93.3 ≦60 表观相对密度 2.632 ≦2.6 表4.2-4 矿粉

检测项目 实测值 要求 亲水系数 0.8 ＜1 表观相对密度 2.732 ≦2.5 4.2.3橡胶沥青、胶粉改性沥青和SBS改性沥青

橡胶沥青质量检验结果见2.2节；胶粉改性沥青的试验结果见表4.2-5和表4.2-6；SBS I-D型改性沥青的试验结果见表4.2-7和表4.2-8。试验结果表明，各类型沥青胶结料指标均满足技术要求。

表4.2-5 胶粉改性沥青试验检测结果

检 测 项 目 针入度（25℃,100g,5s） 软化点（环球法） 延度（5cm/min，5℃） 离析，软化点差 闪点 弹性恢复（25℃） 密度（15℃） 质量变化 TFOT后残留物 （163℃，5h） 针入度比 延度（5℃） 单位 0.1mm ℃ cm ℃ ℃ % g/cm % % cm 3本课题沥青要求 40～70 不小于55 不小于10 不大于5.0 不小于230 不小于70 实测记录 不大于±1.0 不小于65 不小于8 试验结果 试验方法 58 60.0 19.6 4.8 282 84 1.034 -0.24 79.3 13.7 T0604 T0606 T0605 T0661 T0611 T0661 T0603 T0609 T0604 T0605 表4.2-6 胶粉改性沥青PG分级试验结果

检 测 项 目 粘度 动态剪切G*/sinα 单位 Pa·s kPa 试验温度（℃） 技术要求 原 样 沥 青 175 76 82 1-4 ≥1.0 1.190 1.759 1.080 T0625 T315-02 试验结果 试验方法 65

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旋转薄膜烘箱老化残留物（RTFOT） 动态剪切G*/sinα kPa 76 82 28 -18 -18 ≥2.2 2.234 1.557 762 169 0.347 T315-02 压力老化容器老化残留沥青（PAV） 动态剪切G*/sinα 蠕变劲度 S m kPa MPa — ≤5000 ≤300 ≥0.3 T315-02 TP1 表4.2-7 SBS改性沥青试验检测结果

检 测 项 目 针入度（25℃,100g,5s） 软化点（环球法） 延度（5cm/min，5℃） 弹性恢复（25℃） 密度（15℃） TFOT后残留物 （163℃，5h） 针入度比 延度（5℃） 单位 0.1mm ℃ cm % g/cm % cm 3本课题沥青要求 30～60 不小于60 不小于20 不小于75 实测记录 不小于65 不小于15 试验结果 试验方法 55 62.5 25.1 90 1.034 72.7 15.5 T0604 T0606 T0605 T0661 T0603 T0604 T0605 表4.2-8 SBS改性沥青PG分级试验结果

检 测 项 目 单位 试验温度（℃） 技术要求 原 样 沥 青 布氏粘度 动态剪切G*/sinα Pa·s kPa 135 76 ≤3.0 ≥1.0 2.100 1.528 T0625 T315-02 试验结果 试验方法 旋转薄膜烘箱老化残留物（RTFOT） 动态剪切G*/sinα kPa 76 ≥2.2 2.256 T315-02 压力老化容器老化残留沥青（PAV） 动态剪切G*/sinα 蠕变劲度 S m kPa MPa — 28 -18 -18 ≤5000 ≤300 ≥0.3 1023 293 0.316 T315-02 TP1 4.3 同类型不同胶结料混合料生产配合比设计结果 4.3.1 Sup13上面层

（1）橡胶沥青Sup13

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为10-15mm碎石：5-10mm碎石：0-5mm石屑：矿粉=45：13：36.5：5.5，其橡胶沥青用量为5.7%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分

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别见表4.3-1、表4.3-2。

表4.3-1 橡胶沥青Sup13生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 生产配合比 100 95.4 63.4 44.8 30.2 21.5 14.3 10.8 7.9 5.6 表4.3-2 橡胶沥青Sup13生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 理论最大相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 单位 % / / % 0.1mm % % kN 试验结果 5.7 2.408 2.516 73.6 26.4 4.3 17.2 15.9 技术指标要求 / / / 65-75 15-40 4 ≦14 ≦8 （2）胶粉改性沥青Sup13

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为11-17mm碎石：6-11mm碎石：3-6mm碎石：0-3mm石屑：矿粉=41：14：9：30：6，其胶粉改性沥青用量为5.0%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分别见表4.3-3、表4.3-4。

表4.3-3 胶粉改性沥青Sup13生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 生产配合比 100 89.3 60.9 44.7 34.0 26.2 20.3 12.8 8.5 6.1 表4.3-4 胶粉改性沥青Sup13生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 单位 % / 试验结果 5.0 2.471 技术指标要求 / / 67

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理论最大相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 残留稳定度 / % 0.1mm % % kN % 2.576 72.6 26.0 4.1 14.9 13.35 91.2 / 65-75 15-40 4 ≦14 ≦8 ≦80 （3）SBS改性沥青Sup13

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为11-17mm碎石：6-11mm碎石：3-6mm碎石：0-3mm石屑：矿粉=36：12：16：30：6，木质素纤维的掺量为沥青混合料质量的0.3%，其改性沥青用量为5.0%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分别见表4.3-5、表4.3-6。

表4.3-5 SBS改性沥青Sup13生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) 级配类型 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 生产配合比 100 94.1 67.7 46.4 31.6 23.2 18.7 12.1 10.0 6.2 表4.3-6 SBS改性沥青Sup13生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 理论最大相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 残留稳定度 单位 % / / % 0.1mm % % kN % 试验结果 5.0 2.445 2.552 71.6 24.8 4.2 14.8 11.21 91.2 技术指标要求 / / / 65-75 15-40 4 ≦14 ≦8 ≦80 68

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4.3.2 Sup20中面层

（1）橡胶沥青Sup20

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为1#仓：2#仓：3#仓：4#仓：矿粉=13：41：7：29：4.8，其橡胶沥青用量为5.2%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分别见表4.3-7、表4.3-8。

表4.3-7 橡胶沥青Sup20生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 9.0 0.15 7.0 0.075 5.4 Sup20 100 94.6 85.5 76.8 67.2 40.4 26.9 17.7 12.6 表4.3-8 橡胶沥青Sup20生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 理论最大相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 单位 % / / % 0.1mm % % kN 试验结果 5.2 2.477 2.585 71.6 29.4 4.2 14.7 12.8 技术指标要求 / / / 65-75 15-40 3-6 ≦13 ≦8 （2）胶粉改性沥青Sup20

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为5#仓：4#仓：3#仓：2#仓：1#仓：矿粉=19：22：21.5：7：25：5.5，其胶粉改性沥青用量为4.5%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分别见表4.3-9、表4.3-10。

表4.3-9 胶粉改性沥青Sup20生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 69

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Sup20 100 91.1 81.0 68.7 57.4 38.4 27.1 18.9 14.9 10.4 8.4 5.3 表4.3-10 胶粉改性沥青Sup20生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 理论最大相对密度 沥青饱和度 流值 空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 残留稳定度 单位 % / / % 0.1mm % % kN % 试验结果 4.5 2.481 2.587 70.9 24.6 4.1 14.1 12.25 90.2 技术指标要求 / / / 65-75 15-40 3-6 ≦13 ≦8 ≦80 （3）SBS改性沥青Sup20

按生产配合比设计要求，对各热料仓进行了取样筛分，其矿料组成为5#仓：4#仓：3#仓：2#仓：1#仓：矿粉=15：22：22：13：23：5.0，其改性沥青用量为4.5%。生产配合比级配的掺配结果及混合料的技术指标检测结果分别见表4.3-11、表4.3-12。

表4.3-11 SBS改性沥青Sup20生产配合比级配设计结果

通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%） 级配类型 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 8.8 0.15 7.0 0.075 4.9 Sup20 100 94.5 86.4 75.7 62.2 40.4 26.5 16.9 13.1 表4.3-12 SBS改性沥青Sup20生产配合比的技术指标设计结果

试验项目 沥青用量 马歇尔毛体积相对密度 理论最大相对密度 沥青饱和度 流值

单位 % / / % 0.1mm 试验结果 4.5 2.474 2.579 70.2 24.6 技术指标要求 / / / 65-75 15-40 70

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空隙率VV 矿料间隙率VMA 稳定度 残留稳定度 % % kN % 4.1 13.6 12.42 90.2 3-6 ≦13 ≦8 ≦80 4.4 施工工艺介绍

4.4.1拌和

本施工标段采用了阿曼4000型间歇式拌和楼，产量320T/H，拌和楼计量准确，称量误差能控制在（±1%）范围内。各拌和楼都配有打印设备，每拌均进行生产数据打印。在生产过程中沥青加热温度控制在（175~185℃）左右，矿料加热温度控制在（185~195℃），除尘布袋处温度在（100℃）左右，风门引风度开启（35~38%）。拌和时干拌（7S），湿拌（36S），总拌和时间（55S），混合料每锅(3T)。出料温度在(175~185℃)左右，出料基本正常，沥青裹覆均匀，无花料现象。 4.4.2运输

混合料运输采用大吨位自卸汽车，在每辆料车开始运输前在车厢内喷洒少量（植物油）（正式运输后不进行喷洒），这有效的防止了车厢粘料。

运输车运量能保证拌和能力和摊铺速度有所富余，摊铺机前一般停放5-8辆运输车。在运输前，先检查出料温度，满足要求后用蓬布全顶面覆盖并完全遮蔽后进行运输。

每辆运输车到现场均测量混合料温度，因运距较远(20Km)，到场温度比出料温度要底(5~10℃)度左右。 4.4.3摊铺

试铺按松铺系数（1.15）计算松铺厚度（即松铺厚度为4.6cm），在试铺过程中现场布点实测压实系数（摊铺后实测松铺系数为1.15）。摊铺机就位后，先预热20-30min，使熨平板温度达到100℃以上，按计算的松铺厚度调整熨平板高度，用木板支垫使熨平板牢固放在上面。同时用两套非接触式平衡梁控制厚度、横坡

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和平整度。

在连续摊铺过程中，运输车在摊铺机前10-30cm处停住，卸料过程中运输车挂空挡，靠摊铺机推动前进，运输车无撞击摊铺机现象，从而保证了路面的平整度。在摊铺时熨平板根据铺筑厚度，采用中强夯等级（熨平板振动频率4-5级，振捣频率4.5级），以保证路面初始压实度不小于95%。

沥青混合料摊铺由一台德国产德国悍马HD130（130T）、两台BW203AD大宝马（203T）、两台国产徐工SW850台（850T）、两台XP302胶轮压路机（302T）和一台1800福格勒一台、两台ABG423摊铺机组成梯队作业，两台ABG423摊铺机的拼装宽度均为7.5m，纵向热接缝处熨平板搭接10cm左右，间距控制在约7~10m，摊铺机速度控制在1.5m/min。在摊铺过程中不断调整摊铺状态，使料门开度、链板输送器的速度和螺旋布料器的转速相匹配。从螺旋布料仓内的料位看，ABG-423宜控制在底位以略高于螺旋布料器1/3为度，但两台摊铺机均须使熨平板的挡板前混合料的高度在全宽范围内保持一致，避免摊铺层出现离析现象。

在摊铺过程中出现局部离析现象，采用人工补料。从铺面看主要是存在部分块状离析，为摊铺机料斗收斗所致。同时存在部分底部离析，为螺旋布料器前端挡板高度较高造成。 4.4.4碾压

本段采用的碾压方式以碾压时能做到“紧跟慢压，高频低幅”的原则。从现场碾压情况看，碾压组织有序，能遵循拟订的方案进行，为避免漏压每台压路机均采用全宽范围内进行碾压，做到同时碾压，交替进行。具体碾压组合如下：

现场碾压方案：初压采用一台双钢轮压路机前静后振碾压2遍，采用弱振；第二台双钢轮压路机紧接着前后振压2遍，采用强振；初压速度为2~3km/h，钢轮重叠宽度30-60cm。复压采用两台胶轮压路机各压两遍，碾压速度3~5km/h，碾压带重叠30-60cm。终压采用两台双钢轮压路机静压2遍，碾压速度3~6km/h。施工温度控制，见表4.4-1。

72

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

表4.4-1 施工温度控制

出厂温度℃ 175~185 到场温度℃ 165~175 摊铺温度℃ 160~170 初压温度℃ 150~160 终压温度℃ 110~120 4.5 试验路检测结果

4.5.1 室内试验

在试铺时室内通过（马歇尔击实试验）、抽提试验对混合料各体积指标及混合料级配进行了检测，试验数据表明马氏指标、级配能满足施工规范要求具体试验结果见下表。

（1）橡胶沥青混合料

表4.5-1 橡胶沥青Sup13混合料马氏试验结果

马氏指标 沥青用量要求 现场混合料取样 技术要求 5.76 5.5-5.9 2.402 ／ 2.510 ／ 4.1 4-6 14.71 ≦8 25.8 15-40 4082 ≦2800 (%) 毛体积 相对 密度 理论 相对 密度 空隙率(%) 稳定度(kN) 流值 (0.1mm) 动稳定度 （次/mm） 表4.5-2 橡胶沥青Sup13混合料抽提试验结果

筛孔,mm 沥青 通过率,% 现场混合料取样 要 求 用量（%） 5.76 5.9 5.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 通过筛孔（方孔筛，mm）百分率（%） 100 100 100 100 100 95.9 96.4 100 92.4 62.2 65.7 57.7 44.5 47.2 39.4 29.7 31.4 27.4 22.8 24.6 20.6 15.1 16.0 12.0 10.0 11.7 7.7 7.8 9.7 5.7 5.8 7.1- 5.1 表4.5-3 橡胶沥青Sup20混合料马氏试验结果

马氏指标 要求 现场混合料取样 技术要求 沥青用量(%) 5.24 5.0-5.4 毛体积 相对密度 2.476 ／ 稳定度(kN) 11.96 ≦8 流值 (0.1mm) 34.9 15-40 动稳定度 （次/mm） 4831 ≦2800

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表4.5-4 橡胶沥青Sup20混合料抽提试验结果

筛孔,mm 通过率,% 现场混合料取样 要 求 沥青用量（%） 5.24 5.4 5.0 26.5 通过筛孔（方孔筛，mm）百分率（%） 19 95.4 98.6 90.6 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 100 100 100 86.4 89.5 81.5 79.2 80.8 72.8 64.6 71.2 63.2 39.7 44.4 36.4 27.3 28.9 24.9 21.2 19.7 15.7 15.3 14.6 10.6 9.7 11.0 7.0 6.4 9.0 5.0 5.0 6.4 4.4 （2）胶粉改性沥青混合料

表4.5-5 胶粉改性沥青Sup13混合料马氏试验结果

马氏指标 沥青用量(%) 要求 现场混合料取样 技术要求 5.02 4.8-5.2 相对密度 2.470 ／ 12.42 ≦8 毛体积 稳定度(kN) (0.1mm) 34.0 15-40 流值 表4.5-6 胶粉改性沥青Sup13混合料抽提试验结果

筛孔,mm 沥青 通过率,% 现场混合料5.02 取样 5.2 100 100 100 100 93.3 85.3 64.9 56.9 48.7 40.7 36.0 32.0 28.2 24.2 22.3 18.3 14.8 10.8 10.5 6.5 7.1- 5.1 100 100 92.8 60.4 47.1 33.5 24.6 18.8 11.2 8.2 5.5 通过筛孔（方孔筛，mm）百分率（%） 用量19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 （%） 要 求 4.8 表4.5-7 胶粉改性沥青Sup20混合料马氏试验结果

马氏指标 沥青用量(%) 要求 现场混合料取样 技术要求 4.48 4.3-4.7 密度 2.477 ／ 14.82 ≦8 毛体积相对 稳定度(kN) (0.1mm) 26.4 15-40 流值

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表4.5-8 胶粉改性沥青Sup20混合料抽提试验结果

沥青 筛孔,mm 用量通过率,% （%） 现场混合料4.48 取样 4.7 100 100 100 88 84.3 76.3 70.8 62.8 62.3 54.3 42.3 34.3 29.2 25.2 21.4 17.4 16.4 12.4 12.1 8.1 9.9 5.9 6.7 4.7 100 90.1 81.4 68.9 56.7 36.2 25.8 18.2 13.0 9.3 6.5 5.2 26.5 通过筛孔（方孔筛，mm）百分率（%） 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 要 求 4.3 4.5.2 现场试验对比

试验路及大规模施工过程中，重点对橡胶沥青上面层进行了对比试验。橡胶沥青Sup13路面的各项技术指标均符合规范要求，具有良好性能。

表4.5-9 路面检测评定结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 平均值 合格率（%） 构造深度（mm） 1.14 1.08 / / 0.93 0.98 0.93 0.97 0.98 0.95 0.97 / 0.89 1.11 0.99 100 摩擦（BPN） 76 67 / / 73 75 75 73 74 74 70 / 71 70 73 100 渗水（ml/min） 61 65 / / 72 67 66 63 75 62 70 / 67 70 67 100 压实度（%） 101.6 100.3 101.2 101.4 98.3 98 97.3 99.2 97.8 100.4 100.2 99.5 100.2 99.1 99.6 100

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表4.5-10 橡胶沥青Sup13与SBS改性沥青Sup13路段检测对比

项目 摩擦系数 构造深度 单位 BPN mm 橡胶沥青Sup13 平均值 73 0.99 合格率 100 100 SBS改性沥青Sup13 平均值 70 0.86 合格率 100 100

图4.6.3 路面构造深度试验

4.6橡胶沥青混合料施工工艺研究

通过施工实践，现对橡胶沥青混合料施工工艺总结如下： 4.6.1施工机械

本课题采用橡胶沥青加工设备由搅拌罐与反应罐组成，在搅拌罐中，胶粉、沥青及外掺剂按比例混和，经搅拌后输送到反应罐中反应得到最终产品。（见图4.6-1），该设备机动、灵活，可以满足橡胶沥青现场现用的要求。同时，为了减少沥青在加热过程中的老化，配备可储存30t沥青的储存罐加温，此罐需与移动式橡胶沥青加工设备连接，以便能使基质沥青能在移动式橡胶沥青加工设备中快速升温到需要反应的温度。

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4.6.2施工工艺流程

橡胶沥青混合料的施工工艺基本与其他类型沥青混合料相同，其总体施工工序如下：橡胶沥青混合料原材料试验→配合比设计→橡胶沥青加工→橡胶沥青混合料试拌、试铺→成果指导施工→设置交通标志及安全作业区→测量放样→清理、检查下承层→洒布粘层油→橡胶沥青混合料拌和→保温运输→摊铺→温度检测→初压、复压、终压→封闭交通→待温度低于50°C后撤除封道标志→恢复交通。施工工艺流程如图4.6-2。

图4.6-2 橡胶沥青混合料施工工艺流程示意图

图4.6-1 橡胶沥青移动式加工设备

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4.6.3施工工艺操作要点

橡胶沥青混合料施工与普通热拌沥青混合料施工工艺基本相同，但在施工中以下几个方面需重点控制：

（1）橡胶沥青路面施工的最低气温应不低于15℃，寒冷季节遇大风降温，不能保证迅速压实时不得铺筑橡胶沥青混合料。

（2）在拌制橡胶沥青混合料前，橡胶沥青的加工是一个重要环节，其加工要求与SAMI应力吸收层相同。在拌和过程中重要的是做好橡胶粉的存储，不得受潮，同时控制好沥青混合料的拌和温度。橡胶沥青混合料的拌和温度控制如下表4.6-1。

表4.6-1 橡胶沥青混合料的拌和温度控制表

施工工序 橡胶沥青加热温度 矿料加热温度 沥青砼出料温度 混合料废弃温度 温度控制指标 ≧218℃ 170-195℃ 160-180℃ 195℃ （3）混合料运输应做好保温措施，运输车上均要覆盖棉被和油布，以确保运送到现场的沥青混合料温度满足要求。

（4）橡胶沥青路面的碾压选择合理的碾压方式，并随时检测橡胶沥青混凝土碾压温度，保证橡胶沥青混合料的碾压温度，以达到最佳碾压效果，碾压过程中注意以下几点：

压路机应以慢而均匀的速度碾压，其碾压速度应符合表4.6-2的规定。

表4.6-2 压路机碾压速度 (km/h)

压路机类型 双钢轮振动压路机 胶轮压路机 初压 2～3 / 复压 4～5 4～5 终压 3～6 / 对于Superpave设计方法设计的橡胶沥青混合料，为提高铺面的密水性，减少路面的水损害现象发生，需采用胶轮压路机进行复压。

橡胶沥青混凝土碾压温度控制详见下表4.6-3。

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表4.6-3 橡胶沥青混合料的碾压温度控制表

施工工序 摊铺温度 初压开始温度 初压完成温度 ≥135℃（空气和路面温度高于18℃时） 复压温度 终压温度 开放交通温度 低于120℃时不振动 ≥100℃ 低于50℃ 温度控制指标 ≥160℃ ≥150℃ ≥140℃（空气和路面温度低于18℃时） 初压应紧跟摊铺机后进行，并保持较短的初压区长度，以尽快使表面压实，减少热量散失。碾压第一遍压实开始就需打开振动，从外侧向中心碾压，碾压按“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则进行，振动压路机的振动频率宜为35～50Hz，振幅宜为0.3～0.8mm。

（5）开放交通。为防止开放交通后路面有粘轮现象，压实后可在路面上洒1～3kg/m2洁净的细砂，细砂要求含泥量及细度模数偏小；也可在碾压完成后洒水冷却处理。当路面温度低于50℃时，可开放交通。 4.6.4 质量控制方法及标准 （1）原材料的检测

原材料的检测包括橡胶粉、70号道路石油沥青、玄武岩、辉绿岩、石灰岩等、石屑、矿粉、橡胶沥青等，其检测方法、检测频率见表4.6-4。对于现场制作的橡胶沥青应立即制备试样并进行试验，对每批橡胶沥青都应保留橡胶沥青的生产记录，记录内容包括基质沥青用量、橡胶粉添加量和添加时间、橡胶沥青反应起讫时间和温度以及所有粘度的检测时间和检测结果。

表4.6-4 施工过程中材料的质量检查项目检测方法与频率统计表

材料 检查项目 级配 橡胶粉 含水量 金属含量 检查频率 每天1次 必要时 必要时 检测方法 JTGE42-2005 （T0351-2000） GB/T 6282 GB/T 9874 79

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碳黑含量 纤维、灰分、天然橡胶、丙酮抽出物、橡胶烃等含量 旋转粘度 软化点（环球法） 橡胶 沥青 弹性恢复 延度 软化点（环球法） 70号普通沥青 针入度 延度 外观(石料品种、含泥量等) 密度、吸水率 针片状颗粒含量 颗粒组成(筛分) 粗集料 压碎值 磨光值 坚固性 洛杉矶磨耗值 含水量 颗粒组成(筛分) 细集料 密度、吸水率 砂当量

必要时 必要时 随时 每天1次 每天1次 每天1次 必要时 1次/100吨 1次/100吨 1次/100吨 随时 1次/400m 1次/400m 1次/400m 必要时 必要时 必要时 必要时 必要时 1次/200m 1次/200m 必要时 33333GB/T15339 手持式粘度仪测定 JTJ052-2000 （T0606-2000） JTJ052-2000 （T0604-2000） JTJ052-2000 （T0662-2000） JTJ052-2000 （T0605-1993） JTJ052-2000 （T0606-2000） JTJ052-2000 （T0604-2000） JTJ052-2000 （T0605-1993） JTGE42-2005 （T0310-2005） JTGE42-2005 （T0304-2005） JTGE42-2005 （T0312-2005） JTGE42-2005 （T0302-2005） JTGE42-2005 （T0316-2005） JTGE42-2005 （T0321-2005） JTGE42-2005 （T0314-2005） JTGE42-2005 （T0317-2005） JTGE42-2005 （T0305-1994） JTGE42-2005 （T0327-2005） JTGE42-2005 （T0330-2005） JTGE42-2005 （T0334-2005） 80

针入度 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

含水量 松方单位重 外观 含水率 <0.075mm含量 亲水系数 塑性指数 必要时 必要时 随时 必要时 1次/200m 必要时 必要时 3JTGE42-2005 （T0332-2005） JTGE42-2005 （T0331-2005） / JTGE42-2005 （T0332-2005） JTGE42-2005 （T0351-2000） JTGE42-2005 （T0353-2000） JTGE42-2005 （T0354-2000） 矿粉 橡胶沥青混合料原材料的技术要求总体上与现行沥青路面施工技术规范的要求一致，但在整个工程中，橡胶粉应保持质量稳定，如发现明显变化，应重新进行混合料配合比设计。对于细集料，为了提高混合料的高温稳定性，不宜采用天然砂。

加工好的橡胶沥青在使用前应进行搅拌，并采用手持式粘度仪快速测定其旋转粘度，每次检测平行试验应不少于3个样本，符合要求后方可使用。

（2）检测项目和方法

（1）橡胶沥青混合料施工过程中，混合料外观应均匀一致，无花白，无粗细料分离和结团成块现象，必须按表4.6-5规定的检查项目与频率进行抽样试验，其质量应符合规范规定的技术要求。

图4.6-3 沥青贮存罐搅拌装置 图4.6-4手持式粘度仪

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表4.6-5 热拌橡胶沥青混合料的质量检查项目与频率

项 目 混合料外观 沥青、集料的加热温度 拌和 温度 混合料出厂温度 检查频率 随时 逐盘检测评定 逐车检测评定 逐盘测量记录，每天取平均值评定 0.075mm 矿料 级配 ≤2.36mm ≥4.75mm 逐盘在线监测 沥青用量(油石比) 每台拌和机每天l～2次，以2个试样的平均值评定 马歇尔试验：空隙率、稳定每台拌和机每天l～2次，度、流值、矿料间隙率、沥以4～6个试件的平均值评符合要求 青饱和度 浸水马歇尔试验 车辙试验 冻融劈裂试验 肯塔堡飞散试验 谢伦堡系析漏试验 定 必要时 必要时 必要时 必要时 必要时 符合规范 符合要求 符合要求 符合要求 符合要求 每台拌和机每天l～2次，以2个试样的平均值评定 质量要求或允许偏差 符合要求 符合规定 符合规定 符合规定 ±2％ ±5％ ±6％ ±0.2％ ±0.2％ 计算机采集数据 采用燃烧法测定 JTJ052-2000 （T0707-2000、T0709-2000） JTJ052-2000 （T0709-2000） JTJ052-2000 （T0719-1993） JTJ052-2000 （T0729-2000） JTJ052-2000 （T0733-2000） JTJ052-2000 （T0732-2000） JTGE42-2005 （T0327-2005） 检测方法 目测 传感器自动检测 逐车人工检测 传感器自动检测 （2）橡胶沥青混合料的取样应符合试验规程的要求。从橡胶沥青混合料运输车上取样时应设置取样台分几处采集一定深度的样品。每个台班结束时打印出一个台班的统计量，以便施工前、后总量的校验。橡胶沥青混合料油石比用燃烧炉采用燃烧法测定，其检测值应符合生产配合比。 （3）橡胶沥青混凝土路面的检测

对橡胶沥青混凝土试验路段的实测项目指标检测按下表4.6-6进行。

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表4.6-6 橡胶沥青混凝土面层实测项目

项次 1 检查项目 压实度（%） 平整度 Σ（mm） IRI（m/km） 渗水系数 摩擦系数4 抗滑 FB（BPN） 构造深度TD(mm) 5 6 7 8 厚度（mm） 宽度（m） 横坡（%） 边缘顺直度（cm） 规定值或允许偏差 93~97（理论压实度） ≤1.2（中面层） ≤0.8（上面层） 2.0 ＜120（中面层） ＜80（上面层） ≥50 ＞0.6 不小于－5%H 不小于设计宽度 设计±0.2 5cm/20m 平整度检测车：沿线每车道连续按每100m计算IRI或ζ 渗水试验仪：每200m测1处 摆式仪：每200m测1处 砂铺法：每200m测1处 按JTG F80/1—2004附录H检查，每2000m2测1处 钢尺量：每200m测4断面 水准仪：每200m测4处 不少于2尺/100米 检查方法和频率 每2000m测1处 2≥98（马氏压实度） 按JTG F80/1—2004附录B检查，2 3 4.7橡胶沥青储存技术研究

由于橡胶沥青处于试验段阶段，工程量普遍较小、工程中突然降雨等状况，往往生产好的橡胶沥青不可避免的遇到储存问题。通过对现场橡胶沥青罐中上层橡胶沥青取样，进行粘度试验，结果如表4.7-1和图4.7-1所示。

表4.7-1 橡胶沥青粘度随时间

试验时间（小时） 0.25 0.5 0.75 1 2 3 4 5 粘度 2.657 2.845 2.989 3.015 2.859 2.641 2.553 2.500 83

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6 16 18 20 3.203.002.478 2.247 2.229 2.208 177℃粘度/ Pa•s2.802.602.402.202.000.250.50.7512 3456161820 时间（小时）图4.7-1 现场储存罐中橡胶沥青粘度变化情况

从图4.7-1可知，橡胶沥青在储存罐中的粘度变化是先增长，后下降。随着储存时间的增长，橡胶沥青的粘度不断降低。橡胶沥青的粘度降低的主要因素可能包括胶粉的沉淀、胶粉在沥青中的进一步降解以及二者作用的混合料作用。课题组针对这一现实问题进行了室内试验。从橡胶沥青储存罐中置于烘箱中，每天在170℃条件下保温8小时，测定橡胶沥青的初始指标，以后每天保温完毕测试橡胶沥青的各项性能，试验结果如表4.7-2和图4.7-2所示。

表4.7-1 各种工况下橡胶沥青的性能

指标 0天 1天 2天 3天 4天 技术要求 针入度25℃/0.1mm 46.5 47.6 46.5 46.7 44.1 最小25 软化点/℃ 61.6 62.5 62.4 63 64.8 最小57 回弹/% 79 81 82 80 82 最小75 177℃粘度/ Pa·s 2.475 2.825 2.575 2.425 2.375 1.5-4.0

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6055 软化点/℃807570656055500天41天2天3天4天针入度/0.1mm5045403530250天959085 1天2天3天4天 177℃粘度/ Pa•s3.532.521.51回弹/% 807570650天1天2天3天4天 0天1天2天3天4天图4.7-2 橡胶沥青性能随储存时间变化

从表4.7-2和图4.7-2中，可以看出橡胶沥青的各项性能指标都能满足橡胶沥青的技术要求，且橡胶沥青技术指标随时间的没有明显的变化。由此可知，现场储存罐中，橡胶沥青粘度的变化主要是橡胶粉颗粒沉淀及部分降解造成的，其中沉淀过程在其中起到关键的因素。这与橡胶粉颗粒、沥青和橡胶沥青的密度关系是吻合的，三种材料的密度表4.7-3所示。三种材料的密度当中，橡胶粉密度最大，道路石油沥青密度最小，说明橡胶沥青具有离析的倾向。

表4.7-3 橡胶粉、沥青和橡胶沥青的密度

材料 密度（g/cm3） 橡胶粉 1.15  0.05 70#道路石油沥青 1.01 橡胶沥青 1.058 结合现场试验、室内试验和材料性能分析，可知现场储存罐中橡胶沥青粘度的变化主要是由于材料离析造成的。由于储存罐中上层橡胶沥青粘度降低主要是由于橡胶颗粒的沉淀造成，课题组建议经过4小时以上储存的橡胶沥青，重新搅拌后177℃粘度满足即可。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

4.8试验路观测

课题组于3月12日对橡胶沥青施工段及胶粉改性沥青、SBS改性沥青路段进行了跟踪观察，考虑通车时间较短，主要通过外观目测。课题组于7月3日、9月26日分别进行了各路段的跟踪检测，主要检测内容包括：路面抗滑性能、车辙、噪音。

一、外观目测 1、橡胶沥青路段

试验路为橡胶沥青，结构如图4.8-1。

橡胶沥青Sup13 4cm

橡胶沥青Sup20 6cm

70号道路石油沥青Sup25

图4.8-1 橡胶沥青试验路结构

橡胶沥青试验路段外观如下图，从外观情况看，路用性能良好，路面无病害。

图4.8-2 橡胶沥青路段外观

2、胶粉改性沥青路段

胶粉改性沥青施工结构如图4.8-3。

胶粉改性沥青Sup13 4cm

胶粉改性沥青Sup20 6cm

70号道路石油沥青Sup25

图4.8-3 胶粉改性沥青试验路结构

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

胶粉改性沥青试验路段外观如下图，从外观情况看，路用性能良好，路面基本无病害，但局部路段表面有少量小坑洞。

图4.8-4 胶粉改性沥青路段外观

3、SBS改性沥青路段

SBS改性沥青施工结构如图4.8-5。

SBS改性沥青Sup13 4cm

SBS改性沥青Sup20 6cm

70号道路石油沥青Sup25

图4.8-5 SBS改性沥青试验路结构

SBS改性沥青试验路段外观如下图，从外观情况看，路用性能良好，路面无病害。

图4.8-6 SBS改性沥青路段外观

从同类型不同胶结料的施工路段通车情况看，整体使用情况良好。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

二、跟踪检测 1、摩擦系数测定结果

摩擦系数主要用于反应路面在潮湿状态下的抗滑能力。其测定方法为：在行车道轮迹取5个测点，每个测点测3个单点（前后相距约4m），根据路表温度进行修正，取3个单点平均值取作为其代表值。路面表面温度分别为40℃、35℃。两次检测结果见表4.8-1。试验结果表明，橡胶沥青路段抗滑能力最优，胶粉改性沥青次之，随着时间的推移，路面抗滑性能均略有衰减。

表4.8-1 摆值测定结果

测试路段 BPN40℃ 均值 66 SBS改性沥青 66 68 胶粉改性沥青 68 69 橡胶沥青 69 5 74 74 5 ＋7 73 76 73 76 5 ＋7 71 75 71 75 △BPN ＋7 BPN20℃ 均值 73 代表值 73

图4.8-7 摩擦系数测定

2、车辙测定结果

车辙测试主要反应路面运营后的抗变形能力。测定方法为：在行车道轮迹用3米直尺进行检测，共检测了10个断面。两次检测结果见表4.8-2。从试验结果

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

表明，橡胶沥青路段抗车辙能力最优，胶粉改性沥青次之，总体而言，各路段路面车辙均无明显发展。

表4.8-2 车辙测定结果

测定路段 测试项目 SBS改性沥青 3 车辙深度（mm） 3 2 1 胶粉改性沥青 2 橡胶沥青 1

图4.8-8 车辙测定

3、噪音测定结果

噪音测定方法为：采用噪声仪，在有车辆经过时对各路段进行噪声检测。检测结果见表4.8-3。试验结果表明，橡胶沥青路段抗噪能力最优，胶粉改性沥青次之。

表4.8-3 噪音测定结果

测定路段 测试项目 SBS改性沥青 胶粉改性沥青 橡胶沥青 89

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

噪声（dBA） 73.9 71.2 69.8

图4.8-8 噪音测定

4.9本章小结

本课题依托津港高速公路工程，进行了橡胶沥青混合料关键施工工艺的研究，并与其他两种类型路段进行了对比跟踪观测，主要有如下结论：

1、结合试验路施工，提出了橡胶沥青混合料拌和、摊铺、碾压质量控制体系，现场检测也表明橡胶沥青混合料各项性能指标满足设计要求；

2、通过现场施工、室内试验和材料性质分析，提出现场储存罐中橡胶沥青粘度的降低主要是由于橡胶粉颗粒沉淀以及部分降解造成，提出储存超过四小时以上时，重新拌和后，满足粘度要求即可用于施工；

3、橡胶沥青路段观测初步表明，课题研究的橡胶沥青Superpave混合料具有良好的抗裂性能、抗车辙能力和抗水损害性能，在橡胶沥青路面施工得到有效控制的情况下，能够适应于天津地区高速公路项目的应用；

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第四章 橡胶沥青试验路铺筑

4、从同类型不同胶结料的施工路段通车情况看，整体使用情况良好。从路面抗滑能力、车辙、噪音三项指标的测定结果表明，橡胶沥青路段通车状况最优，胶粉改性沥青次之，总体而言，随时运营时间的增长，路面抗滑性能均略有下降，其他指标良好。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

第五章 橡胶沥青路面力学分析

5.1 概述

力学分析是沥青路面研究的重要手段，是路面受力机理研究的重要理论依据。通过力学分析可以研究在不同影响因素条件下，路面材料或结构对路面应力、应变影响，从而评价其路用性能。根据前期室内试验结果可知，橡胶沥青混合料具有优良的路用性能，本章拟采用有限元软件，从受力机理的角度对橡胶沥青路面的进行分析，从力学机理方面分析不同路面结构类型、行车速度、温度条件下，橡胶沥青路面的应力分布的情况，并分析在超载、刹车等特殊荷载条件下，橡胶沥青路面的力学性能。

5.2橡胶沥青路面力学分析模型选择及参数设定

5.2.1有限元与ABAQUS简介

在科学技术领域内，对于许多力学和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件，但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单、且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的解答。因此，数值解法应运而生，伴随着计算机技术的飞速发展，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具之一。有限元法是数值分析方法的一种，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。随着电子计算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度显著加快。

ABAQUS模拟软件是由世界知名的高级有限元分析软件公司ABAQUS公司开发和生产的一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。因此，本课题拟采用该软件进行沥青路面受力分析模拟研究。

5.2.2计算模型及参数选择

国内外的研究人员先后开发了多种用于计算沥青混凝土层内应力的计算方法，这些方法大致可分为四类：静力学分析方法、有限元分析方法、断裂力学+有限元分析方法和钝滞断裂带分析方法。目前一般以有限元静力学分析方法为主。

本课题试验段研究主要采用橡胶沥青Sup13沥青混合料，因此力学分析主要选择试验段方案Sup13和目前常用SBS改性沥青Sup13进行对比分析，实际结构如图5.2-1所示。

4cm Sup13橡胶沥青混合料（AR-SUP13） 6cm Sup20橡胶沥青混合料（AR-SUP20）

8cm Sup25普通沥青混合料 36cm 水泥稳定碎石 20cm 二灰土

4cm Sup13改性沥青混合料 6cm Sup20改性沥青混合料 8cm Sup25普通沥青混合料 36cm 水泥稳定碎石 20cm 二灰土

①橡胶沥青路面结构 ②对比路段一

4cm胶粉改性沥青Sup13（胶粉-SUP13） 6cm Sup20胶粉改性沥青混合料（胶粉-SUP20）

8cm Sup25普通沥青混合料

36cm 水泥稳定碎石 20cm 二灰土 ③对比路段二

图5.2-1 三种路面结构

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

研究模型主要由沥青层、水稳基层和地基组成，为反映半空间地基的特性，地基采用扩大尺寸，采用单圆荷载作用下的多层连续体系作为有限元分析的基本力学模型，如下图5.2-2所示。由于分析条件的限制，在研究过程中对各结构层作如下假定：

 各层为均匀、连续、各向同性的线弹性体；  各层层间竖向、水平位移均连续；

 地基底面各向位移为零，地基侧面水平方向位移为零；沥青加铺层和旧水泥路面层在两端横截面上水平位移为零，在两侧侧面上位移自由；

有限元模型如图5.2-2所示，行车荷载采用BZZ-100标准荷载，荷载集度q=0.7MPa，轮压作用范围等效为18.9cm×18.9cm的正方形，单侧双轮间距32cm，两侧轮隙间距182cm。荷载分布如图5.2-3所示。

图5.2-2 力学分析有限元模型

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

18.913.118.9131.118.913.118.91面层基层2底基层3土基

图5.2-3 荷载位置示意图

参考前期室内抗压回弹模量试验结果，本章有限元计算所采用的力学参数主要如下表所示。沥青面层及水稳基层厚度采用实际工程施工厚度，地基采用扩大地基模拟。

表5.2-1 力学分析模型参数表

对比结构模型 混合料类型 AR-SUP13 AR-SUP20 改性沥青SUP25 试验段：（橡胶沥青） 水泥稳定碎石基层 二灰土底基层 土基 改性沥青Sup13 改性沥青Sup20 对比路段一（SBS改性沥青） 改性沥青SUP25 水泥稳定碎石基层 二灰土底基层 土基 对比路段二（胶粉改性胶粉-SUP13 厚度，cm 4 6 8 36 20 500 4 6 8 36 20 500 4 模量，MPa 1110 2128 1400 4000 1000 60 1719 2326 1400 4000 1000 60 1621 泊松比 0.25 0.25 0.25 0.15 0.20 0.35 0.25 0.25 0.25 0.15 0.20 0.35 0.25 95

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

沥青） 胶粉-SUP20 改性沥青SUP25 水泥稳定碎石基层 二灰土底基层 土基 6 8 36 20 500 1989 1400 4000 1000 60 0.25 0.25 0.15 0.20 0.35 5.3路面结构受力分析

基层结构刚铺筑完成时或在养生良好的基层结构上加铺面层，可认为基层是连续的板体结构。本课题假设基层为连续结构，采用静力学模型分析方法，对中、上面层的应力和应变进行分析，比较路面结构、行车速度、刹车、超载温度等作用对于路面结构的影响。

5.3.1不同路面材料类型力学响应对比分析

在路面材料结构设计时，沥青路面采用不同材料时，结构层受力情况也各不相同。本节对三种沥青混合料结构路面进行了受力分析，结果如下表。

表5.3-1 各结构层位力学响应 AR-SUP 正应力 SBS-SUP 胶粉-SUP AR-SUP 剪应力 SBS-SUP 胶粉-SUP 上面层 0.41 0.44 0.42 0.76 0.79 0.78 中面层 0.79 0.81 0.8 0.91 0.94 0.93 下面层 0.4 0.42 0.41 0.64 0.65 0.65

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

上面层 中面层

下面层

图5.3-1 沥青面层AR-SUP13底面剪应力分布图

由上图应变分布范围可见，三种混合料路面结构形式的应力分布规律相似，沥青路面面层从上至下，中面层应力值最大。因此，在进行路面设计时，需要重视中面层的沥青混合料性能对于抗路面变形病害的作用。

课题对三种不同类型的沥青混合料结构的受力情况进行了对比研究，结果如下图所示。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

图5.3-2 试验路与对比路段路面力学响应

由上图试验数据可见，由于橡胶沥青和胶粉改性沥青路面结构的模量低于SBS改性沥青路面结构，橡胶沥青路面结构的模量最低，因此在相同的荷载下前两者的应力要小于后者，从抗裂的角度考虑，对延缓路面的反射裂缝是有利的。 5.3.2不同行车速度对路面结构受力的影响

实际车辆荷载是随着时间和空间不断变化的，比较难处理。目前大多数的研究将单个车辆荷载作用简化成以下四种典型情况：恒定荷载、稳态荷载、冲击荷载、随机荷载。在理论分析过程中，最常见的是将车辆荷载模拟成半正弦波稳态荷载。因为在路面结构层和土基材料参数的测量方面，国内外都十分重视材料的无损检测方法。诸如落锤式弯沉仪等一系列路面路基测试仪器被广泛使用。大多数路面路基动态测试仪器施加的是半正弦波荷载。本文中荷载变化规律采用Kenlayer 程序中的简化形式，车辆动荷载对路面的作用简化为矩形且均匀分布半波正弦分布荷载，如下式所示

式中，T为荷载作用周期，qmax为均匀分布荷载集度的幅值。将荷载作用时间转换到（0，T）区间上，可得：

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

本节将行车速度进行转换为临时均布荷载q进行静力学模拟计算，分析其对沥青铺装层上面层受力的影响进行了分析，结果如图5.3-3。

图5.3-3 试验路和对比路段不同行车速度时路面力学响应

可图中可见，高速行车条件下路面的最大主应力和剪应力大于低速行使的情况。力学性能受作用频率（行车速度）影响是沥青混合料的粘弹性性能的体现，根据粘弹性理论，材料在高频率下（对应高的行车速度）表现出较高的模量，因此，对于相同的车辆轴载，路面结构在较高车速时的受力特点与低速时是不同的，由于高速时模量较高，应力相应会较大。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

5.3.3水平荷载及层间接触条件对于路面结构受力的影响

车辆启动和制动时，往往会产生很大的水平力。由已有研究成果可知，车轮制动时对路面的水平荷载作用可以达到0.1～1.0P（P为垂直荷载），并且大大超过不制动时产生的水平荷载。水平荷载作用对于路面结构受力有较大的影响，主要影响沥青面层的受力状态，如在同一高速公路路段，收费站或匝道减速段的车辙现象会较正常行驶路段更佳严重。因此本节取水平荷载系数为

0.1,0.3,0.5,0.7,1.0，分析竖向-水平荷载共同作用时，不同层间接触条件及不同水平力系数情况下，面层内的弯拉应力及剪应力变化规律，计算结果列于表5.3-2。

（a）常规荷载 （b）常规荷载+水平荷载

图5.3-4 模型示意图

表5.3-2 考虑水平荷载及层间接触条件的面层应力计算结果 不同层间条件 连续 基层-底基层光滑 面层-基层光滑 0.3 连续 0.5 0.7 1.0 0.1 水平荷载系数 沥青面层 最大弯拉应力 (MPA) 0.219 0.309 0.197 0.328 0.473 0.677 0.998 最大剪应力(MPA) 沥青面层 0.485 0.494 0.473 0.565 0.753 1.035 1.458 基层与面层 层间 0.207 0.370 0.211 0.213 0.219 0.225 0.233 100

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

图5.3-5 不同层间接触条件对路面受力的影响

图5.3-6 不同水平荷载系数对路面受力的影响

由计算可知，在行车荷载作用下，面层结构内的弯拉应力远小于剪应力，面层结构的破坏以剪切破坏为主；对于水平荷载较小的情况，三种层间条件下，面层内的最大剪应力均出现在路表，即沥青表面层。当基层-底基层接触面光滑时，面层和基层间的剪应力值大于其他两种层间粘结状态，且面层内的弯拉应力值也比其他两种层间粘结状态时要大。因此，基层和下层结构粘结不佳时，更容易导致面层出现弯拉和剪切综合破坏，对于车辆荷载作用，加强基层和下部结构的粘

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

结是改善路面结构受力的重要措施。

随着水平荷载的增加，面层内的弯拉应力与剪应力值均迅速增长；路表越粗糙，相同荷载情况下的水平力系数也越大，因此，在满足行驶安全所需摩擦系数的基础上，应提高路面的平整度以减少路表的剪切破坏和结构的整体破坏。 5.3.4超载对于路面结构受力的影响

根据以往多条高速交通量调查和监控情况可知，超载是我国目前道路运输中普遍存在的情况，因此有必要分析超载对于路面结构受力的影响。本小节分别采用超载率为150%即1.75MPa，刹车时水平摩擦系数为0.6，来模拟实际路面使用时的情况。

表5.3-3 汽车荷载变化对沥青面层受力的影响 荷载形式 上面层正应0.41 力 中、上面层 AR-SUP 层间剪应力 路表最大弯沉 （0.01MM） 0.78 0.90 1.45 1.61 0.45 1.22 1.30 常荷 常荷+刹车 超载 超载+刹车 33.2 34.1 65.2 68.1 根据表中计算结果可知，在车辆超载情况下路表弯沉明显增加，弯沉值与荷载几乎成线性增长，超载对沥青层正应力和剪应力都有较大影响。同时由图表数据可知，正常荷载情况下刹车对路面应力和弯沉影响不大，但在超载情况下，刹车对沥青层受力和路面弯沉均有很大程度的影响，达到常载时的2到3倍。因此，在道路运用时严格限制超载是延长路面使用寿命的有效措施。 5.3.5温度对路面结构受力的影响

沥青路面暴露于自然环境之中，经受着气温的日变化和季节性变化，其内部温度场十分复杂。地区气候、路面结构、填挖高度、材料性质等都会引起路面温度场的不同。研究表明，路面内温度场大致呈指数分布，为简便起见，本部分分

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

析时，采用的温度场为：

T = T0 + T × exp (-z / 30)

式中：T0为路面的初始温度， T为降温幅度， z 为深度，单位cm。

不同初始温度、不同降温速率，轮迹处沥青面层内应力、应变的计算结果如表5.3-4、表5.3-5，和图5.3-7、图5.3-8所示。（降温幅度10℃，应力单位为MPa，应变为，下同）

表5.3-4 初始温度T0=-5℃时面层底部应力、应变

变温速率（℃/h） 最大拉应力（MPa） 最大剪应力（MPa） 最大拉应变（με） 最大剪应变（με） 10 1.305 0.322 291 234 5 1.117 0.328 338 304 1 0.959 0.339 504 559 0.5 0.914 0.342 592 694 0.1 0.848 0.348 816 1039 0.05 0.827 0.35 933 1222 表5.3-5 初始温度T0= 5℃时面层底部应力、应变

变温速率（℃/h） 最大拉应力（MPa） 最大剪应力（MPa） 最大拉应变（με） 最大剪应变（με） 10 1.114 0.335 364 343 5 1.02 0.34 434 448 1 0.905 0.349 640 765 0.5 0.878 0.352 732 907 0.1 0.83 0.357 962 1356 0.05 0.815 0.359 1156 1565 103

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

1.40面层最大拉应力（MPa）T0 = -5 ℃1.201.000.800.600.400.200.0010℃/h5℃/h1℃/h0.5℃/h0.1℃/h0.05℃/h降温速率T0 = -5 ℃

图5.3-7 不同降温速率时沥青面层底部拉应力

14001200T0 = -5 ℃T0 = 5 ℃面层最大拉应变1000800600400200010℃/h5℃/h1℃/h0.5℃/h0.1℃/h0.05℃/h降温速率

图5.3-8 不同降温速率时沥青面层底部拉应变

从以上计算结果可以看出，初始温度和降温速率都会对面层底部的应力、应变造成影响。初始温度越低，引起的面层底部应力越大，这也是反射裂缝常在冬季出现的原因。降温速率对路面应力的影响十分大，温度突然降低时面层的应力为缓慢下降时的1.6倍左右。 5.4本章小结

本章采用有限元软件对沥青路面进行了力学模拟分析，以橡胶沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青三种路面结构为比对方案，分析了橡胶沥青与两种对比路

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第五章 橡胶沥青路面力学分析

面结构在不同温度和荷载条件下的受力特点，主要有如下结论：

1、课题组采用实测三种沥青混合料抗压回弹模量作为路面结构模型参数进行力学分析，从路面结构类型、行车荷载影响、层间接触关系、温度等方面分析比较了路面结构受力特征。

2、通过对结构层位受力分析可知，中面层是处于受力条件较为苛刻的位置，应该在进行沥青路面结构设计时，要注意中面层材料的选择和结构设计。

3、通过不同路面结构类型对比分析可知，在相同荷载条件下橡胶沥青和胶粉改性沥青路面结构的应力水平均要小于SBS改性沥青结构，从抗裂的角度考虑，这对延缓路面的反射裂缝较为有利。

4、通过对不同行车速度的影响分析可见，在车辆高速行驶条件下，路面的最大主应力和剪应力大于低速行使的情况，因此对于高等级公路，车速要求较高的情况下，更应重点考虑沥青路面的抗剪切、抗裂性能。

5、对层间接触对于路面结构受力的影响可知，当基层-底基层结构粘结不佳时，更容易导致面层出现弯拉和剪切综合破坏，对于车辆荷载作用，加强基层和下部结构的粘结是改善路面结构受力的重要措施。

6、随着水平荷载的增加，面层内的弯拉应力与剪应力值均迅速增长，因此，在满足行驶安全所需摩擦系数的基础上，应提高路面平整度以减少路表的剪切破坏和结构的整体破坏。同时，在超载条件下，水平荷载对于路面的破坏程度更为严重。

7、根据分析结果可知，初始温度和降温速率都会对沥青混合料面层底部应力、应变造成影响。初始温度越低，引起的面层底部应力越大，这也是反射裂缝常在冬季出现的原因。降温速率对路面应力的影响也较大，温度突然降低时面层的应力为缓慢下降时的1.6倍左右。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

第六章 技术经济分析与典型结构研究

橡胶沥青技术用于新建高速公路是否具有推广价值，一方面我们关心其初期造价，另一方面我们也重视其使用寿命，能否减少后期工程养护费用。本章针对橡胶沥青技术经济性能进行寿命分析，供橡胶沥青技术推广应用借鉴。

研究过程中，课题组结合路面铺筑实际情况，收集了各项施工参数，并根据定额编制办法，对同类型不同胶结料Sup13/Sup20分别进行了预算定额测算及费用计算。定额基价在考虑一定的费率标准后即可得出初期投资。

根据经济性分析，并结合室内研究结果、试验路铺筑，提出天津地区橡胶沥青路面典型结构。

6.1经济性分析

6.1.1费用测算

（1）橡胶沥青混合料

橡胶沥青Sup13和Sup20的预算定额与费用测算结果如表6.1-1~表6.1-2，Sup13沥青用量按5.7%，Sup20沥青用量按5.2%、橡胶粉掺量按17.5%（沥青：胶粉=82.5：17.5）进行计算。

工程内容：1）安设橡胶沥青生产设备；2）沥青加热、保温、输送；3）生产橡胶沥青；4）装载机铲运料、上料、配运料；5）矿料加热烘干；6）拌和，出料；7）等待装、运、卸、空回；8）清扫下承层；9）摊铺沥青混合料；10）找平，碾压；11）初期养护。

表6.1-1 橡胶沥青Sup13混合料预算定额与费用测算（1000m3）

橡胶沥青Sup13混合料 顺序号 1 2 3 4

项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 橡胶粉 工日 m3 t t 1 — 851 / 52.02 — 4500 2200 29.5 (1020.00) 139.8 25.16 运输 2 〔1020.00〕 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 106

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 19 石屑 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 AR生产设备 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运0.5KM） ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 基价 基价总计 m3 m3 元 元 台班 台班 台班 台班 台班 台班 台班 台班 台班 元 961 965 996 997 1051 1383 1207 / 1388 1388 1214 1078 1225 999 元 90.0 100 1.00 1.00 904.00 369.17 39928.91 12307.87 685.04 685.04 3245.66 411.77 760.27 — 844.7 1342.2 287.5 3407.4 2.95 1.48 1.57 1.57 985149.41 7.99 0.65 5918.75 1002067.27 1.78 5.26 1.96 10999.12 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则橡胶沥青Sup13混合料的单价为1302.69元/m3。

表6.1-2 橡胶沥青Sup20混合料预算定额与费用测算（1000m3）

橡胶沥青Sup20混合料 顺序号 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 橡胶粉 石屑 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 路面用碎石（石灰岩2.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 AR生产设备 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运工日 m3 t t m3 m3 m3 元 元 台班 台班 台班 台班 台班 台班 1 — 851 / 961 965 966 996 997 1051 1383 1207 / 1388 1388 52.02 — 4500 2200 90.0 100 100 1.00 1.00 904.00 369.17 39928.91 12307.87 685.04 685.04 29.5 运输 2 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 107

〔1020.00〕 〔1020.00〕 126.41 26.81 704.99 1166.9 316 116.91 3407.4 2.95 1.48 1.57 1.57 7.99 0.65 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

0.5KM） 17 18 19 20 ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 基价 基价总计 台班 台班 台班 元 1214 1078 1225 999 元 3245.66 411.77 760.27 — 929849.92 5918.75 945277.65 1.78 5.26 1.96 9508.99 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则橡胶沥青Sup20混合料的单价为1228.86元/m3。 （2）胶粉改性沥青混合料

胶粉改性沥青Sup13和Sup20的预算定额与费用测算结果如表6.1-3~表6.1-4，Sup13沥青用量按5.0%，Sup20沥青用量按4.5%进行计算。

工程内容：1）沥青加热、保温、输送；2）装载机铲运料、上料、配运料；3）矿料加热烘干；4）拌和，出料；5）等待装、运、卸、空回；6）清扫下承层；7）摊铺沥青混合料；8）找平，碾压；9）初期养护。

表6.1-3 胶粉改性沥青Sup13混合料预算定额与费用测算（1000m3）

胶粉沥青Sup13混合料 顺序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 石屑 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运0.5KM） ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 台班 1388 台班 1214 台班 1078 台班 1225 685.04 3245.66 411.77 760.27 0.65 1.78 5.26 1.96 108

工日 m3 t m3 m3 元 元 1 — 851 961 965 996 997 52.02 — 4500 90 100 1 1 904 369.17 39928.91 685.04 29.5 运输 2 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 〔1020.00〕 〔1020.00〕 122.63 699.41 1492.08 139.83 3407.4 2.95 1.48 1.57 7.99 台班 1051 台班 1383 台班 1207 台班 1388 12 13 14 15

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

16 基价 基价总计 元 999 元 — 834973.28 5918.75 851891.14 10999.12 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则胶粉沥青Sup13混合料的单价为1107.46元/m3。

表6.1-4 胶粉改性沥青Sup20混合料预算定额与费用测算（1000m3）

胶粉沥青Sup20混合料 顺序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 石屑 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 路面用碎石（石灰岩2.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运0.5KM） ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 基价 基价总计 台班 1388 台班 1214 台班 1078 台班 1225 元 999 元 685.04 3245.66 411.77 760.27 — 781530.78 0.65 5918.75 796958.51 1.78 5.26 1.96 9508.99 工日 m3 t m3 m3 m3 元 元 1 — 851 961 965 966 996 997 52.02 — 4500 90 100 100 1 1 904 369.17 39928.91 685.04 29.5 运输 2 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 〔1020.00〕 〔1020.00〕 110.46 580.14 661.35 951.42 127.63 3407.4 2.95 1.48 1.57 7.99 台班 1051 台班 1383 台班 1207 台班 1388 13 14 15 16 17 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则胶粉沥青Sup20混合料的单价为1036.05元/m3。 （3）SBS改性沥青混合料

SBS改性沥青Sup13和Sup20的预算定额与费用测算结果如表6.1-5~表6.1-6，Sup13沥青用量按5.0%，Sup20沥青用量按4.5%进行计算。

工程内容：1）沥青加热、保温、输送；2）装载机铲运料、上料、配运料；

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

3）矿料加热烘干；4）拌和，出料；5）等待装、运、卸、空回；6）清扫下承层；7）摊铺沥青混合料；8）找平，碾压；9）初期养护。

表6.1-5 SBS改性沥青Sup13混合料预算定额与费用测算（1000m3）

橡胶沥青Sup13混合料 顺序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 石屑 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运0.5KM） ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 基价 基价总计 工日 m3 t m3 m3 元 元 1 — 851 961 965 996 997 52.02 — 4500 90 100 1 1 904 369.17 39928.91 685.04 29.5 -1020 122.63 699.41 1492.08 139.88 3407.4 2.95 1.48 1.57 运输 2 〔1020.00〕 7.99 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 台班 1051 台班 1383 台班 1207 台班 1388 12 13 14 15 16 台班 1388 台班 1214 台班 1078 台班 1225 元 999 元 685.04 3245.66 411.77 760.27 — 834973.33 0.65 5918.75 851891.19 1.78 5.26 1.96 10999.12 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则SBS改性沥青Sup13混合料的单价为1107.46元/m3。

表6.1-6 SBS改性沥青Sup20混合料预算定额与费用测算（1000m3）

橡胶沥青Sup20混合料 顺序号 1 2 3 4

项目 单位 代号 单价 拌和 1 人工 沥青混凝土混合料 石油沥青 石屑 工日 m3 t m3 1 — 851 961 52.02 — 4500 90 29.5 运输 2 摊铺 3 30.1 〔1020.00〕 110

〔1020.00〕 〔1020.00〕 110.46 533.72 橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 路面用碎石（石灰岩1.5cm) 路面用碎石（石灰岩2.5cm) 其他材料费 设备摊销费 3m3以内轮式装载机 5t以内自卸汽车 4000型拌和楼 15t以内自卸汽车（第一个1KM） 15t以内自卸汽车（每增运0.5KM） ABG423沥青混合料摊铺机 12-15t光轮压路机 20-25t以上轮胎式压路机 基价 基价总计 m3 m3 元 元 965 966 996 997 100 100 1 1 904 369.17 39928.91 685.04 685.04 3245.66 411.77 760.27 — 812.19 858.6 116.03 3407.4 2.95 1.48 1.57 783143.38 7.99 0.65 5918.75 798571.11 1.78 5.26 1.96 9508.99 台班 1051 台班 1383 台班 1207 台班 1388 台班 1388 台班 1214 台班 1078 台班 1225 元 999 元 以上表计算结果为基础，考虑10％的企业利润和20%的各种规费、管理费等，则SBS改性沥青Sup20混合料的单价为1038.14元/m3。

6.1.2不同路面结构层技术经济分析

考虑到本课题研究路段下面层及以下结构层类型相同，故重点对三种不同试验路中上面层结构进行经济分析，单价费用比较见表6.1-7。

表6.1-7 三种路面结构经济效益分析

方案类型 单价 路面宽度（m） 4cmSup13单价（元/m2） 6cmSup20单价（元/m2） 合计（元/m2） 橡胶沥青路面 胶粉改性沥青路面 SBS改性沥青路面 11.25 52.11 73.73 125.84 11.25 44.30 62.16 106.46 11.25 44.3 62.29 106.59 由表6.1-7可见，橡胶沥青路面建设期的投资相对胶粉改性沥青、SBS改性沥青路面的费用要高，这主要是橡胶沥青中需掺加胶粉、配备橡胶沥青加工设备，且沥青用量相对要高，同厚度条件下施工没有显出特别优势。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

6.1.3寿命周期综合费用成本分析

参考相关文献，按照LCCA的思路，路面寿命周期内的综合费用成本分析表明，橡胶沥青路面可有效减少后期养护费用，全寿命周期费用相对其他路面结构要低。

如美国亚里桑那州统计的橡胶沥青罩面与传统改性沥青罩面的养护费用对比如表6.2.1所示。在前5年二者基本相同，从第6年开始，由于裂缝出现，传统罩面的养护费用逐渐超过橡胶沥青罩面，到第10年，传统罩面的养护费用约为橡胶沥青罩面的2.8倍。

图6.2.1-1 亚里桑那州橡胶沥青与传统罩面养护费用对比（$/英里/车道）

6.2橡胶沥青路面典型结构研究

关于新建高速公路橡胶沥青路面路面结构，目前，国内尚没有完整、成熟的设计方法可供参考，各地区也是结合本地的工程特点及应用经验进行橡胶沥青路面结构层的应用，各地区所采用的橡胶沥青结构类型、加铺厚度也不尽相同。课题结合本次研究内容，提出天津地区橡胶沥青路面典型结构。

6.2.1橡胶沥青路面结构调查

（1）宁常高速公路 ①旧路承载力情况

宁常高速长89.97 km，双向6车道，是国家高速公路网中上海至洛阳重点公

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

路的重要组成部分。其路面22标（28.9km）采用橡胶沥青AR-AC13S上面层和SAMI应力吸收层，共使用橡胶沥青约9200吨，消耗废轮胎橡胶粉1600余吨，是我省最大的橡胶沥青实体工程。宁常高速公路在前期工程应用的基础上对橡胶沥青AR-AC13S级配设计进一步优化，使AR-AC13S的施工性能、表观特性、路用性能等都实现了理想的效果，标志着橡胶AR-AC13S技术的成熟。

②沥青路面结构

宁常高速公路路面22标采用橡胶沥青AR-AC13S上面层，其它标段采用改性沥青SMA13上面层，根据材料特性调整了结构层厚度，路面结构如下：

橡胶沥青 AR-AC13S 4cm 改性沥青 AC-20 6cm 道路石油沥青AC-25 8cm

AR-SAMI

改性沥青 SMA13 4.5cm 改性沥青 AC-20 6cm 道路石油沥青AC-25 9.5cm

水稳碎石基层

水稳碎石基层

①路面22标（AR-AC13S上面层） ②其它标段

图6.2-1 宁常高速公沥青路面结构

（2）江西九景高速公路技术改造工程

本项目改造总里程为113.27公里，另互通匝道折算成主线长约10公里，改造内容主要包括路面、桥涵、防排水及相应的附属工程。部分路段交通量较大，路面裂缝较多，不同设计方案路面结构对照图。

4cm改性沥青AC-13C 6cm改性沥青AC-20C

4cm橡胶沥青AC-13C 6cm橡胶沥青AC-20C 6cmAC-20C 原路面修复补强 其它路段 6cm橡胶沥青AC-25C 原路面修复补强 阳湖大桥、雁列山隧道之间路段 ①其他路段设计方案 ②橡胶沥青路段

图6.2-2 九景高速公沥青改造路段路面结构

113

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第六章 技术经济分析与典型结构研究

6.2.2天津地区橡胶沥青路面结构推荐典型方案

随着津港高速公路建设完成，今后一段时间内，天津地区高速公路建设仍将迎来大规模的建设。课题组结合本课题力学分析、试验路施工及技术经济性分析，综合天津地区的实际情况，中上面层采用橡胶沥青路面结构是合适的，从其他项目的应用效果来看，上面层采用橡胶沥青路面结构具有良好的行车舒适性和安全性，中下面层采用橡胶沥青路面具有良好的高温稳定性和低温抗裂性。因此，根据天津地区广泛采用的Superpave路面技术，结合橡胶沥青技术的应用具有广阔的应用前景。推荐的典型路面结构如下：

4cm橡胶沥青Sup13 6cm橡胶沥青Sup20 8cm道路石油沥青Sup25 SBS改性沥青碎石封层 基层 图6.2-3 天津地区典型路面结构

6.3 本章小结

本章以橡胶沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青三种路面结构为比对方案，分析了橡胶沥青与两种对比路面结构的经济性，同时进行了路面结构应用分析，主要有如下结论：

1、经济性分析表明，橡胶沥青初期建设费用相对较高，但后期养护维修成本较低，全寿命周期费用相比其他结构类型更优。

2、结合国内工程的应用情况，推荐了适用于天津地区的典型路面结构。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第七章 主要研究结论

第七章 主要研究结论

本课题对国内外橡胶沥青的研究和应用情况进行了深入的调查研究，确定了采用湿法进行橡胶沥青的应用研究，开展了橡胶沥青混合料的应用研究。主要研究结论如下：

1、货车轮胎胶粉橡胶沥青性能要优于小车轮胎胶粉橡胶沥青，其中20目的货车轮胎胶粉橡胶沥青高温性能相对较好，说明橡胶粉粒径越大，溶胀反应越充分；

2、橡胶沥青通过胶体磨处理及添加活化剂，可改善橡胶沥青混合料的施工和易性以及提高其低温稳定性，但对其高温稳定性及储存稳定性有负面影响；

3、根据试验分析，推荐了橡胶沥青的胶粉类型、细度、掺量范围及其生产参数；提出了橡胶沥青的设计方法和技术标准。橡胶沥青以施工温度下的旋转粘度为主要指标进行胶粉掺量设计，其技术要求包括粘度、软化点、针入度和回弹率；

4、通过重复蠕变试验和沥青弯曲梁蠕变试验评价了橡胶沥青高低温性能。表明橡胶沥青的高温性能要优于基质沥青和SBS改性沥青，橡胶沥青胶浆的低温性能优于SBS改性沥青胶浆；

5、研究了工程界比较关注的橡胶沥青存储稳定性问题。通过现场施压、室内试验和材料性质分析，提出现场储存罐中橡胶沥青粘度的降低主要是由于橡胶粉颗粒沉淀造成，提出储存超过四小时重新拌合后，满足粘度要求即可用于施工；

6、在橡胶沥青混合料设计方面，为适应天津地区高速公路工程特点，优化了橡胶沥青混合料的级配构成，探求合理降低沥青用量的方法，在室内试验方面进行了验证。

与以往工程中高油石比的橡胶沥青混合料相比，能在保证路用性能满足需要的情况，降低工程造价，为橡胶沥青技术在天津地区高速公路上的应用创造了更好的条件。在此基础上，课题重点提出了适于天津地区高速公路的橡胶沥青混合料设计方法；

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第七章 主要研究结论

6、橡胶沥青虽然初期修建费用比SBS改性沥青等混合料的初期造价高，但从寿命周期费用角度分析，橡胶沥青更为经济，同时性价比高。结合技术、经济、路面力学分析，提出了适用于天津地区的橡胶沥青典型路面结构。

7.2主要技术创新点

（1）结合室内研究成果，首次提出采用Superpave设计方法及级配范围进行橡胶沥青混合料设计，橡胶沥青混合料级配、油石比范围，适用于天津地区高速公路，可以概括为“连续密级配，低油石比，骨架嵌挤”。

（2） 首次提出通过中低油石比AR-AC13和AR-AC20混合料的配合比设计，并采用替代法，橡胶沥青中低石油比混合料替代橡胶沥青Superpave混合料，进行室内试验开展同类型不同油石比橡胶沥青混合料、同类型不同胶结料沥青混合料的性能比较试验。

（3）结合天津地区橡胶沥青混合料的特点，在碾压工艺上进行了优化，提出混合料在碾压过程中采用钢轮压路机机和胶轮压路机组合碾压的方式，具体为路面摊铺后初压为钢轮振动1-2遍，复压为胶轮压路机碾压5-6遍，终压为钢轮压路机静压1~2遍。该碾压工艺能改善路面局部离析现象，路面压实效果和防渗水性效果明显，实践证明路面的抗水损害性能良好，也改变了传统的橡胶沥青路面不能采用胶轮压机的方式。

（4）利用路面力学分析、技术经济比较、新建高速公路橡胶沥青路面结构调查等方法，提出了适用于天津地区的橡胶沥青路面典型结构，结构层为4cm橡胶沥青Sup13+6cm橡胶沥青Sup20+8cm道路石油沥青Sup25+SBS改性沥青碎石封层+基层，该橡胶沥青路面类型在国内首次应用。

7.3下一步研究建议

新材料、新工艺的应用需要经过系统的研究，课题对湿法橡胶沥青改性机理、路用性能、技术标准、橡胶沥青混合料等进行了研究，推出了具有实用价值的研究成果。然而，与其它技术一样，路面技术的发展是无止境的，其必将随着材料技术、施工技术、交通条件要求等的发展变化而不断提出新的挑战。对于橡胶沥

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 第七章 主要研究结论

青而言，尚存在如下几个方面需要进一步深化研究：

1、通过对橡胶沥青深层改性、复合改性技术的研究，可在现有的基础上进一步提高橡胶沥青的路用性能，如改善橡胶沥青的存储性能，协调橡胶沥青施工粘度和工作粘度等，从而使这项具有深远环保意义的技术得到更广泛的应用。

2、开级配沥青路面具有良好的降噪、排水功能，可显著减少高速公路对沿线居民的噪音干扰。由于开级配橡胶沥青工程经验较少，相关研究成果缺乏，橡胶沥青开级配混合料在我国的应用较少，需要进一步加大研究应用力度，为其大面积推广提供技术支撑。

3、半柔性路面相比柔性路面而言，具有更好的抗车辙能力。目前，我国在橡胶沥青半柔性路面的研究和应用较少，考虑到废橡胶沥青节能环保的特点，对废橡胶粉改性沥青半柔性路面混合料的路用性能与应用技术进行探讨和研究，对提高半柔性路面的路用性能并以拓展废旧轮胎橡胶粉的应用范围具有深远影响。

4、进行全寿命的橡胶沥青路用性能的观测，形成系统的橡胶沥青寿命周期 分析体系。

5、橡胶沥青过高的温度要求，施工季节必然相应缩短，也不利于技术的推 广应用。橡胶沥青与温拌技术的结合，是节能环保新技术与废旧资源循环利用技术的结合，进行温拌橡胶沥青技术的深入研究具有深远意义。

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橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 参考文献

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