直投式改性橡膠瀝青混合料路用性能分析

徐曉波

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

本文為提高高海拔地區瀝青面層低溫抗裂性能和疲勞性能，分別以廢胎膠粉和橡維聯作為直投改性劑，開展直投式改性橡膠瀝青及其混合料的性能研究，以尋求一種適合高海拔地區現有施工條件的高性能改性瀝青路面技術。

1 原材料

1.1 直投改性劑

本文主要采用廢胎膠粉（40目和20目國產輪胎橡膠粉）和橡維聯兩種直投改性劑，性能指標檢測結果見圖1、表1～表3所示。

圖1 40目、20目膠粉及橡維聯

表1 廢胎膠粉的檢測結果

表2 廢舊膠粉篩分結果

表3 橡維聯性能指標

1.2 瀝青、集料

本文采用新疆金石SBRII-A改性瀝青，粗集料為花崗巖碎石，細集料是S16的石灰巖石屑，礦粉為石灰石礦粉，性能均滿足規范[1]要求。

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方案

本文采用替代法，即用橡膠粉等體積替代一部分細集料，根據經驗，初設替代量為集料質量的1%、2%、3%，橡維聯用量為集料用量的1%。

室內配合比試驗采用馬歇爾擊實法。拌和溫度為175℃～180℃。拌和順序如下，先將膠粉或橡維聯與集料攪拌30 s，后加入瀝青攪拌90 s，最后加入礦粉攪拌60 s。將攪拌好的混合料放入175℃烘箱中保溫45 min，最后進行馬歇爾擊實成型。

2.2 配合比設計

選用目標級配為AC-13型級配。合成級配時，首先按照目標級配和各檔集料的篩分結果計算得到各檔集料的比例，然后，根據相應橡膠粉或橡維聯的質量用量，計算橡膠粉或橡維聯的體積用量，并等體積地替代0～5 mm的細集料，得到最終的合成級配如圖2。

圖2 AC-13合成級配

通過馬歇爾擊實法得到直投式改性橡膠瀝青混合料的最佳油石比結果如表4所示。

表4 不同瀝青混合料的最佳油石比

分析表4得出，20目和40目膠粉對最佳油石比的影響較小，可忽略不計，因此建議采用成本較低的20目橡膠粉。另外，油石比隨著膠粉摻量的增加而增加。分析原因，在于膠粉在與高溫瀝青混合后，會吸附大量瀝青輕組分從而減小集料裹覆的瀝青；同時，由于橡膠粉的融脹，以及膠粉與瀝青的融合，瀝青的黏度增大，流動性變差，裹覆集料的瀝青增多，從而使油石比增大。

3 路用性能

對混合料進行高溫性能、低溫性能、水穩定性、疲勞性能試驗研究，檢驗直投式改性橡膠瀝青混合料的路用性能。

3.1 高溫性能

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTJ E20—2011）[2]中的 T0719—2011進行混合料高溫性能測試，得到圖3所示結果。

圖3 動穩定對比圖

從圖3可得以下結論：

a）在同一目數下，動穩定度隨著膠粉摻量的變化呈現先增加后降低趨勢。以20目膠粉為例，摻入1%至3%時，動穩定度分別提高29.1%、17.3%及降低2.4%。分析其原因，主要是隨著膠粉的加入，橡膠粉吸附瀝青中輕組分并與瀝青融合，從而使瀝青的黏度變大，軟化點提高，從而使得瀝青混合料動穩定度提高。而隨著橡膠粉用量的進一步增加，過多的膠粉使瀝青混合料致密度降低，松散性逐漸增加，從而造成動穩定度的降低。

b）在相同摻量下，動穩定度隨著膠粉目數的增加而增加，如橡膠粉用量為1%時，40目膠粉提高了37.8%，20目膠粉提高了29.1%。分析其原因為膠粉目數越大粒徑越細，越容易與瀝青融合，增加了瀝青膠漿的黏度，提高瀝青的軟化點，進而在不影響填充效果的情況下，膠粉越細，其抗車轍性能就越強。所以，選用40目的膠粉效果較好，這與陳夢等人[3]得出的結論相同。

c）摻入橡維聯的直投式改性橡膠瀝青混合料抗車轍性能提高58%，高于直投橡膠粉的改性橡膠瀝青混合料。其原因主要因為橡維聯組分中的TOR中含有的雙鍵聚合物促進了橡膠粉與瀝青的融合，使得瀝青中的硫交聯與橡膠粉中的硫交聯形成大片網狀和鏈狀聚合物網狀結構，從而提高瀝青混合料的高溫穩定性。

d）高溫穩定性試驗結果表明，不論是直投橡膠粉，或是直投橡維聯均可以使改性橡膠瀝青混合料動穩定度得到一定程度提升。當動穩定度達到最大時，橡膠粉和橡維聯的用量均為集料質量的1%。

3.2 低溫性能

根據試驗規程進行-10℃±0.5℃下的三點加載小梁低溫性能試驗，得到如圖4結果。

圖4 低溫試驗結果對比

結果分析：

a）在同一目數下，最大彎拉應變隨著膠粉摻量的增加出現了先增加而后降低，摻量為1%時，直投20目和40目橡膠粉的混合料低溫應變分別提高了22.4%和36.5%，均達到3 000微應變以上，表現出良好的低溫抗裂性能。膠粉用量為2%和3%時，瀝青混合料的低溫彎拉應變均出現了不同程度的降低。分析其原因為過多的膠粉造成了混合料強度的降低和一定程度松散，反而導致低溫性能下降。

b）在相同摻量下，最大彎拉應變隨著目數的增加而增加，分析其原因為膠粉越細越容易與瀝青融合，增加了瀝青的韌性，同時對瀝青的低溫延度的影響減少，從而使混合料低溫性能提高。

c）直投橡維聯的混合料低溫性能提高了17.3%，同樣達到了3 000微應變以上，同樣具有良好的低溫性能。

3.3 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗驗證直投式改性橡膠瀝青混合料的水穩性能，結果如圖5。

圖5 水穩定性試驗結果對比

由以上試驗結果可知：混合料的水穩定性隨著橡膠粉的摻加呈先增大后減小，且膠粉目數對水穩性能影響不大。分析原因在于橡膠粉本身具有吸油特性，同時部分膠粉和瀝青發生了融脹，在增加混合料油膜厚度的同時增強了混合料間的黏附性。因而，橡膠粉用量適當時可以提高路面的水穩定性。但是，當膠粉用量過大時（超過2%），水穩定性反而降低。另外，圖中可以看出，使用橡維聯作為直投改性劑對混合料的水穩定沒有明顯影響，混合料始終保持良好的水穩定性。

3.4 疲勞性能

本次試驗溫度15℃，試驗采用應變控制模式，試驗應變為500微應變，荷載頻率為10 Hz，當混合料的勁度模量下降到初始勁度模量的50%停止試驗，以加載次數作為該混合料的疲勞壽命。試驗結果見圖6。

圖6 疲勞試驗結果

分析結果可知：

a）膠粉摻量為1%時，疲勞性能最佳，20目時超過不摻膠粉的1.10倍。40目時超過不摻膠粉的1.22倍。分析其原因主要為膠粉的摻入能有效增加瀝青的韌性和彈性，降低瀝青混合料勁度模量，從而降低了混合料的疲勞損傷，提高其疲勞壽命。隨著膠粉摻量的增加，超過1%時，混合料的疲勞性能隨之降低，但均比不加膠粉的混合料疲勞性能好。分析其原因在于過多的膠粉改變了混合料內部的骨架結構，并在一定程度上還能造成混合料內部疲勞應力的集聚，因此膠粉用量過大反而使瀝青混合料疲勞壽命的提高幅度降低。

b）直投橡維聯的瀝青混合料疲勞性能為不摻膠粉的1.13倍，也能有效提高混合料的疲勞性能。分析其原因為TOR促進了膠粉和瀝青的相互融合，增加了瀝青的網狀結構，同時也能在一定程度上降低混合料的疲勞損傷，提高疲勞壽命。

c）綜合以上試驗結果，建議橡膠粉用量不宜超過1%，橡維聯的合理用量為1%。

3.5 混合料回彈性驗證

由于橡膠粉與橡維聯均具有明顯彈性，為探究將其用于瀝青混合料中后，對瀝青混合料回彈性及路面壓實度和使用壽命的影響，進行回彈性驗證試驗。本次試驗為直投1%的20目膠粉混合料，及直投1%的橡維聯混合料。試驗測定擊實成型后試件高度及1 d后試件高度，并按照δ=(h2-h1)/h1（h1為擊實后試件高度；h2為冷卻1 d后試件高度）計算試件的回彈率δ。試驗結果見表5。

表5 回彈性驗證試驗結果

試驗結果表明，雖然兩種不同直投式改性橡膠瀝青混合料都出現了回彈現象，但回彈率僅為0.2～0.61。這說明通過采用等體積替代法，直投式改性橡膠瀝青混合料的膨脹現象并沒有想象的嚴重，不會明顯影響混合料的壓實。

4 小結

本文開展直投式改性橡膠瀝青混合料性能研究，主要得到如下成果：

a）當橡膠粉和橡維聯的用量均為集料質量的1%時，動穩定度達到最大。其中，直投20目膠粉時，動穩定度提高29.1%；直投40目膠粉時，動穩定度提高37.8%；直投橡維聯時，動穩定度提高58%。

b）當橡膠粉和橡維聯的用量均為集料質量的1%時，直投改性橡膠瀝青混合料的低溫性能最佳。其中，直投20目和40目橡膠粉的混合料低溫應變分別提高了22.4%和36.5%，微應變數值達到3 239.36和3 612.35；直投橡維聯的混合料低溫性能提高了17.3%，微應變數值達到3 103。兩種直投改性橡膠瀝青混合料均表現出良好的低溫性能。

c）直投橡膠粉或直投橡維聯對混合料的水穩定性沒有明顯影響，混合料始終保持良好的水穩定性。

d）膠粉及橡維聯摻量均為1%時，疲勞性能最佳，20目的瀝青混合料疲勞性能超過不摻膠粉的1.10倍，40目的超過不摻膠粉的1.22倍，直投橡維聯的為不摻膠粉的1.13倍。而加入超過1%的膠粉后，瀝青混合料的疲勞壽命反而有所降低。

e）試驗結果表明，雖然兩種不同直投式改性橡膠瀝青混合料都出現了回彈現象。但是，根據試驗結果，兩種直投式改性橡膠瀝青混合料回彈率僅為0.2%～0.61%。這說明通過采用等體積替代法，直投式改性橡膠瀝青混合料的膨脹現象并沒有想象的嚴重，不會明顯影響混合料的壓實。