復合改性橡膠瀝青及其應力吸收層性能研究

李林濤

(河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州 450000)

應力吸收層是將裹覆的、低油石比的單一碎石均勻地滿鋪在高灑布量的瀝青涂層上，然后，在膠輪壓路機的外力作用下，集料相互嵌鎖形成的較薄結構層。它能有效防止基層反射裂縫的穿透，延緩路面裂縫的形成。橡膠瀝青本身彈性恢復性較強，在單一碎石的作用下，應力吸收作用明顯提升，且橡膠瀝青應力吸收層施工快捷，因此，在預防路面反射裂縫方面，得到廣大科研人員的認可。作者擬對復合改性橡膠瀝青性能影響因素及其應力吸收層抗剪、疲勞和拉拔進行研究，以期優化其合理配比。

1 復合改性橡膠瀝青的影響因素

復合改性橡膠瀝青生產時，涉及的影響因素有膠粉種類和細度、加工工藝、基質瀝青類型及膠粉和SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)摻量等[1-2]。

1.1 膠粉種類對復合改性橡膠瀝青性能的影響

分別選擇摻量相同(13%)的貨車輪胎膠粉和小車輪胎膠粉，對70#道路石油瀝青進行改性。將SBS摻量設定為5%，復合改性瀝青的性能指標見表1。

表1 復合改性瀝青的性能指標Table 1 Performance index of the composite modified asphalt

從表1中可以看出，貨車輪胎膠粉和小車輪胎膠粉對基質瀝青均有良好的改性效果。但是，在相同的試驗環境條件下，貨車輪胎膠粉改性效果更佳。其原因是：小車輪胎中橡膠含量較少，輕質碳酸鈣含量過多。因此，在橡膠瀝青研究中，盡量選取貨車輪胎膠粉，本研究中所有試驗均采用貨車輪胎膠粉。

1.2 加工工藝對復合改性橡膠瀝青性能的影響

在復合改性瀝青中，SBS摻量初始設定為

5%，橡膠粉摻量初始設定為13%。在加工工藝研究中，采用3種不同的工藝：① 同時摻加SBS和膠粉，并剪切1 h；② 先將SBS摻入基質瀝青中剪切30 min，再加膠粉剪切30 min；③ 先將膠粉摻入基質瀝青中剪切30 min，再摻入SBS剪切30 min。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTG E20-2011)》室內標準試驗要求，對復合后的改性瀝青進行了性能指標的檢測，其結果見表2。

從表2中可以看出，不同加工工藝對復合改

表2 不同工藝下復合改性瀝青性能指標Table 2 Performance index of composite modified asphalt under different processes

性瀝青的三大指標有輕微影響，“先摻SBS，后摻膠粉”的工藝效果較佳，高、低溫性能較好。其原因是：先摻加SBS可以充分吸收基質瀝青輕組分，快速膨脹形成網絡交聯結構體。后摻入膠粉并剪切30 min，有利于吸附多余的輕組分(油蠟)，導致瀝青稠度增加，高、低溫性能得以提升。如果先添加橡膠粉以吸收瀝青中的大量輕質成分，則后摻入的SBS就不能吸收足夠的輕質成分來膨脹，在一定程度上阻礙了SBS在瀝青中部分網絡交聯結構體的形成，反應在軟化點和延度指標上略有降低。此外，在橡膠改性瀝青中，由于膠粉顆粒發育溶脹“膠核”的存在，針入度指標可以不作為瀝青評價的關鍵性指標。

1.3 膠粉細度對復合改性橡膠瀝青性能的影響

針對膠粉細度的研究變量，本試驗選取5種不同目數的膠粉對基質瀝青進行改性，SBS摻量設定為5%，膠粉摻量設定為13%。室內標準試驗結果見表3。

表3 不同膠粉類型下復合改性瀝青性能指標Table 3 Performance index of the composite modified asphalt under different types of rubber powder

從表3中可以看出：① 復合改性瀝青針入度和軟化點指標隨著膠粉細度的增加呈現“峰值”。其原因是：膠粉目數的增加，使得比表面積增加；加之貨車輪胎膠粉橡膠含量較多，輕質碳酸鈣含量較少，使得溶脹反應更充分；進而導致膠粉吸收瀝青輕質組分含量增加，交聯作用增強，網絡結構相對穩定。膠粉超過40目以后，膠粉過細會過多地吸收瀝青輕組分，使得脫硫和降解速率增加，膠粉體積變小，膠粉之間的交聯作用減弱，瀝青中橡膠分子鏈段增加，針入度和軟化點下降。② 由于基質瀝青的粘度低，其流變性比膠粉顆粒的大，二者在界面的交接處容易出現應力集中現象。膠粉細度越細，界面應力越低，改性以后復合瀝青的延度就會變得更優；相反，膠粉顆粒越大，膠粉顆粒降解和脫硫以后的“膠核”保存就越好，彈性恢復就越優。

膠粉越細，加工成本越高，并且越細的膠粉越容易吸收水分而結團，導致復合改性瀝青的加工難度增加。因此，本研究在綜合比選的情況下，選取40目的貨車輪胎膠粉作為研究的統一變量。

1.4 瀝青型號對復合改性橡膠瀝青性能的影響

瀝青型號不同，組分含量就不同。在相同的改性條件下，改性效果也會有所差異[3-4]。本試驗采用70#和90#2種基質瀝青，摻加13%的40目貨車輪胎膠粉，摻加5%的SBS改性劑，復合改性結果見表4。

表4 不同基質瀝青型號下復合改性瀝青指標Table 4 Composite modified asphalt index under different of the matrix asphalt models

從表4中可以看出，70#基質瀝青在相同的復合改性條件下的軟化點略大于90#基質瀝青的，其針入度、延度及彈性恢復等指標均略小于90#基質瀝青的。針對2種不同型號的基質瀝青，標號越高，瀝青中飽和分和芳香分含量就越高。當膠粉加入并高速剪切時，膠粉的溶脹效果就越好，使得復合改性后瀝青軟化點下降，針入度、延度及彈性恢復提高。因此，在選擇基質瀝青時，要結合當地的氣候條件。

1.5 摻量對復合改性橡膠瀝青性能的影響

以70#基質瀝青、40目貨車輪胎膠粉為原材料，SBS摻量設定3種摻量(3%，4%和5%)，膠粉摻量設定4種摻量(9%，11%，13%和15%)，同樣的改性條件下，其結果如圖1所示。

圖1 外加劑摻量下的復合改性瀝青指標變化曲線Fig.1 Change of composite modified asphalt index at each dosage of the admixture

從圖1(a)中可以看出，膠粉摻量一定時，復合改性瀝青的針入度隨著SBS摻量的增加呈現相反的趨勢；SBS摻量一定時，復合改性瀝青的針入度隨著膠粉摻量的增加同樣呈現相反的趨勢。從圖1(b)和(c)中可以看出，膠粉摻量一定時，當SBS摻量為3%～5%時，軟化點和延度隨著SBS摻量的增加而提高；在SBS摻量固定時，隨著膠粉摻量的增加，軟化點和延度提高。當膠粉摻量大于13%以后，軟化點趨于穩定，延度仍不斷上升，但上升緩慢。因此，復合改性瀝青對SBS和膠粉摻量均具有選擇性。其中，SBS摻量影響顯著，且改性后瀝青指標隨著SBS摻量的增加成正向變化。鑒于SBS摻量一定時軟化點和延度的變化情況，同時考慮到膠粉的經濟情況，因此，本試驗確定復合改性瀝青SBS最佳摻量為5%，膠粉最佳摻量范圍為11%～13%。

本研究列出了70#基質瀝青在SBS摻量為5%和40目貨車膠粉摻量為13%的改性復合瀝青指標，見表5。

表5 復合改性橡膠瀝青試驗結果和技術要求匯總Table 5 Test results and technical requirements for composite modified rubber asphalt

2 橡膠瀝青應力吸收層的性能

以本試驗確定的復合改性橡膠瀝青、中海油AH-70及SBS改性瀝青分別制作應力吸收層試件，試件均有水泥混凝土板、應力吸收層及瀝青面層組成，借鑒以往的研究經驗，橡膠瀝青噴涂量控制在2.4 kg/m2，AH-70和SBS改性瀝青的噴涂量控制在1.7 kg/m2，碎石9.5～13.2 mm滿鋪率為70%[5]。

抗剪試驗水泥混凝土板澆筑成300 mm×300 mm×50 mm的標準尺寸，養生28 d后拉毛并放于10 cm加厚車轍試模中，試件表面均勻噴灑既定量瀝青，緊接著均勻撒布水洗后的預熱碎石，之后采用車轍成型儀碾壓2遍，并在其上壓實厚度5cm的AC-13C SBS改性瀝青混凝土，2 d后拆模[6]。鉆取Φ×H=10 cm×10 cm的芯樣在溫度為60 ℃時進行抗剪試驗，剪斷位置為應力吸收層。而疲勞試件車轍板尺寸擴大為400 mm×300 mm×100 mm，試驗時將復合車轍板切割成長380 mm、寬63.5 mm、高50 mm的小梁，并在15 ℃條件下采用四分點加載，試驗過程中彎曲勁度模量下降到初始彎曲勁度模量50%時試驗終止，記錄下此時的加載循環次數[7]。拉拔試驗前至少提前1 d采用環氧樹脂膠將拉拔頭與試件上、下表面粘牢[8]，試驗溫度設定為60 ℃，試驗中如出現拉拔頭與試件提前斷裂的情況，應廢棄試驗，分析原因后重新將試件與拉拔頭粘結牢固，再進行試驗。各實驗結果見表6。

表6 橡膠瀝青應力吸收層性能指標檢測結果匯總Table 6 Performance index of rubber asphalt stress absorption layer

從表6中可以看出，復合改性橡膠瀝青的抗剪性能、疲勞性能及拉拔性能均優于SBS改性瀝青和中海AH-70的。

復合改性橡膠瀝青由于存在“膠核”為核心的交聯結構體，致使復合改性橡膠瀝青應力吸收層與水泥混凝土板的粘結力得到顯著提高，整個界面趨近于連續狀態，抗剪切能力和拉拔性能優勢明顯。即復合改性橡膠瀝青應力吸收層層間抗剪強度是SBS改性瀝青的1.8倍，是AH-70瀝青的3.1倍；其剪切變形是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.8倍；其抗拉強度是SBS改性瀝青的1.2倍，是AH-70瀝青的1.7倍。這種良好的粘結狀態在后期的道路使用過程中可以有效減少車輛行駛時動荷載對路面結構的破壞。

在高速剪切作用下，復合改性橡膠瀝青在微觀和宏觀上均處于較均勻狀態，內聚力較強，誘發瀝青路面應力集中現象大大降低，微損傷發展而來的疲勞破壞減少，疲勞壽命增加。其疲勞壽命是SBS改性瀝青的1.3倍，是AH-70瀝青的2.1倍。因此，復合改性橡膠瀝青應力吸收層在層間性能方面占有很大的優勢。

3 結論

通過研究復合改性橡膠瀝青的性能影響因素和應力吸收層的相關性能，對復合改性橡膠瀝青配方進行了優化。并在此基礎上進行了應力吸收層試驗，得到的結論為：

1)復合改性橡膠瀝青制備工藝方面，先摻SBS，后加膠粉剪切，改性后的三大指標效果較好。

2)貨車輪胎膠粉的改性效果明顯優于小車輪胎膠粉的，用40目的貨車輪胎膠粉復合改性后，瀝青的三大指標和彈性恢復性能相對最好。

3)用SBS和膠粉對基質瀝青進行改性，SBS摻量變化對瀝青性能有顯著影響。隨著SBS摻量的增加，各種性能指標均有所提高。膠粉摻量變化對復合改性瀝青的影響相對較小，其適宜摻量為11%～13%。

4)復合改性橡膠瀝青的抗剪性能、疲勞性能及拉拔性能均優于SBS改性瀝青和中海AH-70的。復合改性橡膠瀝青應力吸收層的抗剪強度是SBS的1.8倍，是AH-70瀝青的3.1倍；其剪切變形是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.8倍；其疲勞壽命是SBS的1.3倍，是AH-70瀝青的2.1倍；其抗拉強度是SBS的1.2倍，是AH-70瀝青的1.7倍。復合改性橡膠瀝青的整體性能最優，在復合式路面中可以起到很好的應力吸收作用。