橡膠粉與高模量復合改性瀝青混合料性能研究

王軍龍??

摘要：研究了橡膠粉和高模量劑摻量對SMA混合料綜合路用性能的影響，并將其與SBS改性SMA混合料進行對比，采用雙因素方差分析法研究了橡膠粉和高模量劑摻量變化對復合改性瀝青混合料路用性能的影響。試驗結果表明，基于橡膠粉與高模量劑復配技術所生產的SMA混合料，其綜合路用性能可達到甚至超過SBS改性SMA混合料，該復合方案具有較好的技術優越性。

關鍵詞：橡膠粉；高模量劑；復合改性瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U414.03 文獻標志碼：B

Abstract： The effect of rubber powder and high-modulus agent on general pavement performance of SMA mixture was studied and compared with that of SBS modified SMA mixture. Two-factor variance analysis method was applied to study the pavement performance of composite modified asphalt mixture affected by the mixing amount of rubber powder and high-modulus agent. Rubber powder and high-modulus agent modified asphalt mixture is proven to be advantageous in general pavement performance against SBS modified SMA mixture.

Key words： rubber powder； high-modulus agent； composite modified asphalt mixture； pavement performance

0 引 言

根據國內關于SMA瀝青混合料的研究成果及工程應用的實踐情況，目前主要采用SBS改性瀝青和纖維改性劑生產SMA瀝青混合料，SMA混合料的技術難點在于“三多一少”的骨架嵌擠結構，這對瀝青、集料和施工技術提出了更高的要求[1]。研究表明，盡管SBS改性瀝青所生產的SMA混合料具有高強且良好的變形協調性、優良的高溫穩定性與抗剪能力以及耐疲勞等諸多良好的性能，但仍然存在不少問題。首先是成本問題，其次SBS改性瀝青老化后變得硬脆，缺乏柔韌性，開裂以及疲勞裂縫等一些病害也屢見不鮮。大量研究表明，使用橡膠粉改性瀝青不僅可以解決廢舊橡膠輪胎污染環境的問題，也可有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能，同時提高瀝青路面的柔韌性，延緩路面反射裂縫，增強路面除冰、降噪等功能[2-5]；另一方面，隨著高模量瀝青混合料在國省干線交叉口車轍處治和山區高速公路長大縱坡等一系列公路建設工程中的成功運用，其抗車轍和抗疲勞性能得到了業內的一致認可[6-7]。然而，采用橡膠粉或高模量劑生產的瀝青混合料分別有其技術缺陷，目前鮮見采用橡膠粉與高模量劑復合改性方案生產SMA混合料的研究報道。本文將橡膠粉與高模量劑進行復配，充分利用這2種改性劑對瀝青混合料技術性能的改善優勢，以期實現減少SMA混合料工程造價、提高路面綜合使用性能的目的。經室內試驗和試驗路驗證，該方法具有較好的技術優越性，研究成果可為今后同類工程提供理論借鑒和研究思路。

1 原材料及配比

試驗選用SK70重交通道路石油瀝青和殼牌SBSI-B（SBS摻量為4.5%），經檢測，瀝青各項指標均滿足現行《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F41—2004，以下簡稱《規范》）的相關技術要求[8]。橡膠粉是一種優良的瀝青改性劑，可顯著改善瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞耐久性。研究表明：橡膠顆粒粒徑過大，其與瀝青及其他粒徑集料的粘附性差，容易造成橡膠顆粒松散和脫落，進而影響路面的耐久性；橡膠粉粒徑越小，越容易均勻分散，在瀝青中的硫化反應越充分，但也會增加工程造價。綜合考慮，本研究采用的橡膠粉為實體工程中采用的泰華膠粉30目午輪胎膠粉，膠粉的篩分試驗結果見表1。經室內試驗篩選，初選的橡膠粉摻量（占瀝青質量的百分比，下同）為18%、20%、22%、24%、26%、28%。

高模量劑采用PRM添加劑，由法國路面材料實業公司研發并生產，根據工程經驗和廠家提供的添加比例，初選PRM摻量（占混合料質量的百分比，下同）為0.4%、0.6%、0.8%。

2 橡膠粉與高模量劑復合改性SMA混合料生產工藝

2.1 橡膠粉瀝青制備

加熱基質瀝青到175 ℃后，加入預定質量的橡膠粉，為避免一次性加入橡膠粉過多而導致瀝青溫度下降過快，試驗時控制橡膠粉的摻加速率為8 g·s-1，邊加入橡膠粉邊快速攪拌，使加入的橡膠粉能在短時間內與基質瀝青混合均勻，并快速加熱到所需的試驗溫度，待膠粉顆粒全部加入后，以4 500～5 000 r·min-1的剪切速率剪切45 min，然后在175 ℃下發育30 min。制成改性瀝青之后，進行粘度、錐入度、軟化點、彈性恢復率試驗，結果如圖1所示。

從圖1可以看出：隨著橡膠粉摻量增大，橡膠瀝青的粘度呈二次函數關系減小，錐入度呈二次函數關系增大，橡膠粉摻量由18%增大到28%，橡膠粉改性瀝青的粘度增大了2.5倍，錐入度減小了61%，可見增大橡膠粉摻量會導致施工難度增大，但可改善橡膠瀝青的高溫穩定性；隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青的彈性恢復率呈先增大后減小的趨勢，25%膠粉摻量時彈性恢復率出現峰值，軟化點隨橡膠粉摻量的增大而升高，橡膠粉摻量超過24%后軟化點隨橡膠粉摻量的升高幅度不明顯。分析其原因，橡膠粉與基質瀝青發生溶脹和硫化作用時吸收了瀝青中的輕質組分，橡膠粉對基質瀝青的網絡填充和化學共混作用改變了瀝青的膠體結構，起到了加筋和填充作用。

2.2 混合料級配

按照《規范》推薦的SMA瀝青混合料的工程級配范圍，并參考實體工程中選用的SMA-13試驗級配，為減小橡膠粉顆粒對混合料級配的干涉作用，實體工程中減少了混合料中礦粉的比例，試驗級配如表2所示。

2.3 橡膠粉與高模量劑復合改性SMA混合料配合比設計

按照《規范》中馬歇爾法試驗流程確定橡膠粉高模量劑復合改性瀝青混合料的最佳油石比。試驗時高模量劑的摻加方式采用“干法”工藝，PRM高模量劑對瀝青混合料的增粘、改性作用主要在混合料拌和過程中發生，集料的加熱溫度、混合料拌和溫度以及混合料拌和時間對高模量劑改性效果的發揮起著決定性作用[9]。通過方差分析研究混合料拌和溫度和攪拌時間對高模量瀝青混合料高溫性能的影響，最終確定：集料加熱溫度為190 ℃～195 ℃，高模量劑與集料的干拌時間為90 s?；旌狭习韬蜁r，先將預定質量的PMR改性劑和集料一起干拌90 s，使其在礦料中充分融化、分散均勻；然后再加入橡膠粉改性瀝青，拌和60 s；最后加入礦粉，拌和60 s，總拌和時間為3.5 min。不同橡膠粉和PRM高模量劑摻量下復合改性SMA混合料馬歇爾試驗結果見表3。

表3中的試驗結果表明：相同高模量劑摻量下，隨著橡膠粉摻量的增加，復合改性瀝青混合料的最佳瀝青用量增大，馬歇爾穩定度隨橡膠粉摻量的增大而增大，試件內部處于拉壓結合狀態，由于SMA混合料有接近70%單一粒徑粗集料，混合料抵抗破壞主要依靠瀝青瑪蹄脂結合料產生抗拉性能，可見增大橡膠粉摻量可提高復合改性瀝青混合料在拉壓復合應力作用下的抗破壞能力；相同橡膠粉摻量下，隨著PMR高模量劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度顯著增大，而混合料油石比隨PMR的增大變化并不明顯；橡膠粉與高模量劑復合改性瀝青混合料的各項體積指標和力學指標均滿足《規范》要求，采用馬歇爾試驗方法進行復合改性瀝青混合料的配合比設計是合理可行的，這也說明本文確定的集料加熱溫度是合理的。

3 橡膠粉與高模量劑復合改性SMA混合料的路用性能

3.1 高溫穩定性及溫度敏感性

現行規范選取60 ℃車轍試驗檢測混合料高溫性能，為了研究復合改性瀝青混合料高溫穩定性對試驗溫度的敏感性，本文車轍試驗采用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃四個試驗溫度。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》要求進行車轍試驗，試驗結果見表4。

由表4可知：相同高模量劑摻量下，隨著橡膠粉摻量的增大，復合改性瀝青混合料的車轍試驗動穩定度略有增加。方差分析結果表明，橡膠粉摻量對車轍試驗動穩定度的影響P值小于005，可見橡膠粉作為改性劑摻加并沒有顯著改善復合改性瀝青混合料的高溫穩定性。其原因可能是：雖然橡膠粉在溶脹、硫化反應后形成了穩定的瀝青-橡膠粉穩定體系，但隨著橡膠粉摻量的增大，復合改性瀝青混合料的最佳油石比增大，后者對溫度的敏感性抵消了前者有利因素；隨著高模量劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料高溫穩定性顯著提高，同時車轍試驗動穩定度對溫度的敏感程度降低。方差分析結果表明，高模量劑摻量對車轍試驗動穩定度的影響要比橡膠粉摻量顯著。分析高模量劑對橡膠粉改性瀝青混合料高溫穩定性的改善機理：高模量劑高分子鏈在橡膠瀝青中形成了的空間網絡結構，限制瀝青分子運動，高模量瀝青中的彈性成分在較高溫度時具有使瀝青混凝土的變形部分恢復彈性的功能，相當于在瀝青混合料內部多了一個應力緩沖層，起到了卸荷作用，因而降低了瀝青混合料的車轍變形；此外，高模量劑的加入使瀝青混合料的彈性模量增大，減少了不可恢復的殘余變形，從而延緩了車轍的產生。相比SBS改性瀝青混合料，0.6%、0.8%高模量劑摻量下復合改性瀝青混合料的車轍試驗動穩定度均遠大于SBS改性瀝青混合料，可見采用橡膠粉與高模量劑復合改性方案具有較好的技術優越性。

3.2 低溫抗裂性

按照現行施工規范要求，采用低溫小梁彎曲試驗評價改性瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗方法參照現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[10]

（簡稱《規程》）。試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1，試驗時采用單點加載方式，支點間距200 mm，試驗結果見表5。

表5的低溫彎曲試驗結果表明：相同高模量劑摻量條件下，隨著橡膠粉摻量的增大，復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度和彎拉應變均增大，橡膠粉摻量對復合改性瀝青混合料低溫性能有顯著影響。分析

主要原因有幾點。一方面，橡膠粉的加入使瀝青的粘度增大，溫度敏感性降低，彈性變形能力提高，瀝青膠漿勁度的改善對提高瀝青混合料的低溫抗裂性有重要影響，從而使橡膠瀝青混合料的低溫變形能力得到提高。另一方面，橡膠瀝青混合料的橡膠瀝青膜要比普通高模量瀝青膜厚，而且橡膠瀝青的松弛性能較好，使得橡膠瀝青混合料具有很好的柔韌性；此外，橡膠粉與瀝青間產生的吸附、擴散與鍵合作用，在粗集料的骨架之間起到了牢固粘結的作用， 結構瀝青比重增大，使得復合改性瀝青與集料之間的界面效應增強，瀝青混合料中的各相材料通過各相間的界面結合成為整體，混合料整體性提高，從而使高模量瀝青混合料的低溫變形能力提高。橡膠粉摻量相同時，隨著高模量劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料抗彎拉強度和彎曲勁度模量增大，而彎拉應變呈先增大后減小的變化趨勢，適宜的高模量劑摻量為0.6%。分析其原因：適量的高模量劑摻入時，由于高模量劑的高分子鏈在瀝青膠漿中形成網絡結構，對橡膠瀝青起到了加勁作用[14]，增強了混合料的勁度模量，同時提高了瀝青膠漿與集料之間的粘附性，混合料整體性提高；隨著高模量劑摻量進一步增大，復合改性瀝青混合料的柔韌性變差，復合改性瀝青膠漿的輕度模量較大，施工和易性差，反而不利于SMA混合料骨架的形成，因此低溫抗裂性降低。

3.3 水穩定性

按照現行施工規范要求，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價復合改性瀝青混合料的水穩定性，試驗方法參照現行《規程》執行，試驗結果如圖2、3所示。

圖2、3的試驗結果表明，隨著橡膠粉摻量和高模量劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比、馬歇爾殘留穩定度均呈先增大后減小的趨勢，峰值劈裂強度對應的最佳橡膠粉和高模量劑摻量分別為22%、0.6%。

3.4 抗疲勞性能

疲勞試驗采用中點加載簡支梁彎曲試驗法，加載采用應力控制方式，按照現行施工《規程》中的要求成型車轍板，切割成尺寸為40 mm×40 mm×250 mm小梁試件，在MTS材料試驗機上進行加載，試驗選用0.2、03、04、05四個應力比，支點間距為200 mm，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為連續式正弦波，這種加載方式下的疲勞壽命計算如式（1）所示，疲勞試驗擬合結果如圖4所示。

由圖4可知：相同高模量劑摻量下，隨著橡膠粉摻量的增大，疲勞試驗擬合系數K值呈先增大后減小的趨勢，n值呈先減小后增大的趨勢，膠粉摻量為22%時K值出現峰值，n值出現最小值，K值越大，疲勞性能越好，n值越小，復合改性瀝青混合料對應力水平的變化越不敏感，可見橡膠粉摻量對復合改性瀝青混合料的抗疲勞性能有顯著影響。分析其影響機理：一方面，增大橡膠粉摻量，復合改性瀝青混合料的最佳油石比增大，混合料內部瀝青膜厚度增大，柔韌性增強；當受到外界重復荷載時，橡膠顆粒在與瀝青膠漿形成的共混體中通過銀紋作用提高了混合料的整體柔性，橡膠粉改性瀝青的柔性相當于在集料與瀝青膠漿之間存在著一個應力吸收緩沖層，瀝青膠漿產生較大的彈性變形，在混合料內部起到了卸荷作用。在一定范圍內，隨著橡膠粉摻量的增加，抗疲勞性能會有所提高，但是當橡膠粉摻量超過22%后，抗疲勞性能有所下降，這主要與橡膠粉分散的均勻程度有關，橡膠粉摻量越大，沒有充分硫化的橡膠粉和集料得不到良好的粘附，在混合料內部聚集，形成軟弱界面，誘發裂紋剪切帶產生，界面粘結薄弱環節內部的微裂縫也相應地會多一些，宏觀表現為疲勞試驗雙對數擬合曲線K值減小、n值先減小后增大的變化趨勢。橡膠粉摻量相同，0.6%高模量劑摻量下的復合改性瀝青混合料的疲勞試驗雙對數擬合曲線K值最大，同時n值最小，表明此時混合料抗疲勞性能最好。分析其原因，高模量劑的高分子鏈在復合改性瀝青膠漿中所形成的網絡結構加強了瀝青膠漿與集料之間的粘附性，同時混合料整體模量的增大提高了復合改性瀝青混合料的整體強度，但過多的高模量劑導致復合改性瀝青混合料的柔韌性下降，混合料對應力水平的變化更加敏感，反而對其抗疲勞性能產生不利影響。

4 試驗路鋪筑

本課題依托甘肅省某高速公路瀝青路面工程四合同段，在起點樁號為K12+750、終點樁號為K20+250的路段，采用22%橡膠粉與06%PRM高模量劑對瀝青混凝土進行復合改性，鋪筑4 cm厚復合改性瀝青混凝土SMA-13上面層。工程實踐證明，采用橡膠粉與高模量劑復配方案，不僅節約了施工成本，而且壓實度、平整度等各項指標均符合設計要求。長達3年的試驗路檢測證明，該方法有效地減少了瀝青路面的早期破壞，目前沒有明顯的車轍和開裂病害，路面使用狀況良好，可見采用橡膠粉與高模量劑復合改性瀝青混凝土延長了道路的使用壽命，經濟、社會效益顯著。

5 結 語

（1）系統研究了橡膠粉和高模量劑摻量對SMA混合料綜合路用性能的影響，并將其與SBS改性SMA混合料進行了對比。結果表明，基于橡膠粉與高模量劑復配方案所生產的SMA混合料，其綜合路用性能可達到甚至超過SBS改性SMA混合料，推薦適宜的橡膠粉與PRM高模量改性劑摻配比例為22%橡膠粉（內摻）加0.6%高模量劑（采用“干法”工藝）。

（2）生產橡膠粉與PRM高模量復合改性瀝青混合料時，控制集料加熱溫度為190 ℃～195 ℃，采用馬歇爾法進行復合改性瀝青混合料配合比設計，其各項體積指標和力學指標均滿足規范要求。

（3）橡膠粉作為復合改性瀝青混合料的改性劑并沒有顯著提高混合料的高溫性能，而是顯著改善了復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能。

（4）隨著PRM高模量劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的高溫穩定性提高，抗車轍能力對溫度的敏感性降低，0.6%高模量劑摻量下，復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能最優。

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[責任編輯：王玉玲]