瀝青馬蹄脂碎石混合料的制備及其性能

沈 凡，任 莉，趙明宇，陸 超，郭 凱

1.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430074;2.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢 400070;3.湖北省公路工程咨詢監理中心，湖北武漢 430030

0 引言

SMA(Stone Mastic Asphalt)混合料是具備骨架密實型結構的路面材料，近年來，已廣泛應用于橋面鋪裝工程中，較之其它類型瀝青混合料路用性能更好，有著明顯的應用優勢［1-2］.但是，由于橋梁的服役條件特殊，導致SMA在橋梁的應用中出現不同程度的病害(局部擁包、局部疲勞裂縫)，綜合分析病害產生的原因，主要有以下兩點:①橋面的使用條件溫度較高，SMA鋪裝層易發生永久變形;②車輛超載嚴重，材料設計指標不足，出現疲勞裂縫［3-5］.因此，需要結合病害原因增加SMA路面的高溫穩定性能和耐疲勞性能，避免病害產生.

橡膠高粘高彈改性瀝青是在基質瀝青的基礎上，采用橡膠粉、SBS及增粘、增塑等組分進行復合改性制備而成的一種高性能改性瀝青，具備優異的溫度穩定性及粘韌性能，在排水路面及應力吸收層中都得到了成功應用［6-7］.若能將橡膠高粘高彈改性瀝青應用于SMA路面，則混合料的溫度穩定性能及抗疲勞性能必將有一定改善.此外，本文采用的橡膠粉為廢舊輪胎磨細制備而成，具有一定的環保意義.

本文擬進行橡膠高粘高彈改性瀝青配方優化設計，利用高粘高彈改性瀝青制備SMA瀝青混合料，與使用普通改性瀝青SMA、普通高粘SMA的路用性能進行對比.

1 原材料及實驗方法

1.1 橡膠高粘高彈改性瀝青制備及實驗方法

基質瀝青選用重交70#道路瀝青(AH-70)，技術指標如表1所示.SBS采YH-791線形SBS，嵌段比S/B為30/70;橡膠粉采用0.425 mm(40目)橡膠粉;增粘改性組分為石油類樹脂;增塑改性組分為酯類化合物，無色油狀液體，與瀝青有良好的相容性.

采用FLUKO公司生產的FM300型實驗室高速剪切分散乳化機(轉速范圍為300～11 000 r/min)配合加熱保溫套進行瀝青改性實驗.首先將基質瀝青加熱到185℃，依次緩緩加入橡膠粉、SBS、增粘組分、增塑組分，并持續剪切1 h，保持溫度為180～200℃，剪切速率為3 000～5 000 r/min，將剪切后的瀝青放置在165℃的烘箱中繼續溶脹發育2 h，得到橡膠高粘高彈改性瀝青.

表1 70#基質瀝青技術指標Table 1 The performance of 70#asphalt

1.2 SMA制備及實驗方法

分別采用SBS改性瀝青、普通高粘瀝青、橡膠高粘高彈改性瀝青制備SMA瀝青混合料，各類瀝青性能指標如表2所示，石料選用優質的湖北通山玄武巖，填料為石灰石礦粉，纖維為深圳海川科技有限公司生產的聚酯纖維.

表2 SBS改性瀝青、橡膠高粘高彈改性瀝青指標Table 2 The performance of SBS modified asphalt，high viscosity and high elastic modified asphalt

按《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中SMA的設計方法，制備三組油石比相同的SMA-13瀝青混合料，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》(JTG E20-2011)進行浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度比、動穩定度、低溫小梁彎曲4項路用性能測試;并以現象學法為基礎，采用MTS材料試驗機進行控制應力的三點彎曲疲勞測試，加載方式為10 Hz半正弦波，實驗溫度15℃.

2 橡膠高粘高彈改性瀝青的制備及性能

本研究在經驗范圍內變化各改性組分的摻量進行改性瀝青制備，并測試橡膠高粘高彈改性瀝青的軟化點、針入度、延度(5℃)、彈性恢復(5℃，25℃)、60℃粘度、180℃粘度指標的變化規律［8-9］，實驗數據如表3所示.

由表3中A-1、A-2和A-3組的實驗結果可知，在復合改性的條件下，隨著SBS改性劑摻量的增加，軟化點升高、針入度降低、延度增加、彈性恢復增加、粘度升高，SBS改性劑在本文復合改性體系中對各大指標的影響規律明顯，為重要改性組分.但是，隨著SBS摻量的不斷增加，各大指標變化趨于平緩，這是由于瀝青中的SBS分子鏈在高速剪切作用下形成網絡，性能的提升存在極值，數據表明，在本研究的改性體系中，SBS摻量在6%時改性效果最好.

通過B-1和B-2組的實驗結果可知，橡膠粉主要影響橡膠高粘高彈改性瀝青的5℃彈性恢復及180℃粘度指標，隨著橡膠粉摻量的增加，5℃彈性恢復能力明顯增強，表現出明顯的低溫柔韌性.另外，高溫(180℃)粘度明顯增加，這易導致高粘SMA在施工過程中出現混合料離析及壓實度不足的情況，因此，通過本實驗可知，為防止用于SMA的橡膠高粘高彈改性瀝青高溫粘度過大，需要控制改性組分中橡膠粉的用量.

表3 不同改性組分配方對橡膠高粘高彈改性瀝青性能的影響Table 3 The influence of difference formula on performance of high viscosity and high elastic modified asphalt

通過C-1和C-2組實驗結果可知，增粘組分的加入主要影響改性瀝青的60℃粘度，其摻量由1%增大到3%，60℃粘度增加了32%，增粘效果非常明顯.本研究所用的增粘樹脂的軟化點達到110℃，比基質瀝青的軟化點高兩倍以上，與基質瀝青混溶后增加，在鋼箱梁SMA路面的高溫服役條件下具有優異的熱穩定性能，提高瀝青混合料抗永久變形能力.

通過D-1和D-2組的實驗結果可知，增塑組分1%、2%、3%的情況下，針入度分別為47.5、53、56.5，影響規律明顯，但增塑組分對其他各項指標的影響并無規律性.另外，所有實驗組的25℃的彈性恢復都超過95%，說明在本改性體系下的改性瀝青具備優異的彈性恢復性能，應用于SMA中可影響路面的抵抗疲勞能力.

綜上所述，配方優化后的橡膠高粘高彈改性瀝青具備優異的低溫柔韌性及粘彈性能，可以提升瀝青混凝土抵抗高溫變形及抗疲勞能力，滿足制備SMA對瀝青的基本要求.

3 SMA性能比較與分析

3.1 路用性能

路用性能測試結果如表4所示.研究結果表明，采用橡膠高粘高彈改性瀝青制備的SMA材料各項路用性能最優.其中，水穩定性能達到路面基本要求，且高于SBS及高粘瀝青路面，水穩定性能優異;采用橡膠高粘高彈改性瀝青制備的SMA路面高溫穩定性能明顯高于SBS及高粘SMA路面，且70℃動穩定度下降僅為16.2%，而SBS和高粘SMA路面70℃動穩定度下降分別為51%及38.6%，說明橡膠高粘高彈改性瀝青明顯改善了SMA路面的高溫穩定性;由于橡膠粉增加了瀝青的低溫柔韌性，因此橡膠高粘高彈改性瀝青的低溫小梁彎曲實驗結果最優，表現出優異的低溫性能.

表4 采用不同瀝青制備的SMA-13路用性能Table 4 The pavement performance of SMA prepared by difference asphalt

3.2 疲勞性能

疲勞性能的實驗結果如表5及圖1所示.

表5 采用不同瀝青制備的SMA-13疲勞方程Table 5 The fatigue equation of SMA prepared by difference asphalt

圖1 采用不同瀝青制備SMA-13 S-N散點圖Fig.1 The S-N scatter diagram of SMA prepared by difference asphalt

結果表明，采用橡膠高粘高彈改性瀝青的SMA混合料的疲勞壽命值高于SBS及高粘瀝青SMA，疲勞壽命最長;n值反應的是材料對載荷變化的敏感程度，3種不同改性瀝青制備的SMA混合料中橡膠高粘高彈改性SMA的n值最小，說明其隨著疲勞載荷的增加，疲勞壽命降低最小.因此，橡膠高粘高彈改性瀝青改善了SMA混合料的疲勞特性，使SMA具備更優異的抗疲勞性能.

4 結語

a.橡膠粉對橡膠高粘高彈改性瀝青的彈性恢復性能及高溫粘度影響較大，考慮到在SMA應用過程中的施工性能，必須控制橡膠粉用量，但橡膠粉用量少會導致彈性恢復性能變差，在SMA中應用需要對膠粉摻量進行優化.

b.橡膠高粘高彈改性瀝青在服役溫度區間表現出優異的粘彈性能，軟化點達到92℃，5℃彈性恢復達到86%，60℃粘度達到62 000 Pa·s.

c.采用橡膠高粘高彈改性瀝青的SMA瀝青路面抵抗高溫車轍及抗疲勞性能優于普通SBS及高粘瀝青路面.

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