不同改性劑對瀝青混合料路用性能的影響研究

李勝

(湖南省交建工程集團(tuán)有限公司， 湖南 株洲 412007)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對資源節(jié)約及環(huán)境保護(hù)越來越重視。采用廢舊輪胎制成的橡膠粉改性瀝青，既可實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎的再利用，減少環(huán)境污染，還可提高路面的使用性能，降低路面反射率，減少交通噪聲，降低維護(hù)成本。周超、余苗等的研究表明，橡膠改性瀝青路面的疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青路面，橡膠摻量為20%時(shí)橡膠瀝青路面的疲勞壽命最好。云慶慶、王嵐等認(rèn)為橡膠粉的摻入不僅能改變?yōu)r青混合料結(jié)構(gòu)鑲嵌狀態(tài)，還能提高橡膠改性瀝青混合料路面的整體彈性。該文在分析不同細(xì)度橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過高溫車轍試驗(yàn)、低溫抗彎拉試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及三分點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)等分析不同改性劑對瀝青混合料路用性能的影響。

1 材料性能及配合比優(yōu)化

1.1 材料性能

(1) 改性瀝青。基質(zhì)瀝青選擇90#A級石油瀝青。實(shí)驗(yàn)室確定橡膠粉摻量為20%。基質(zhì)瀝青、40和60目橡膠改性瀝青及SBS改性瀝青的性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

(2) 集料。粗集料和細(xì)集料均為玄武巖，其中粗集料的粒徑分別為16～9.5和9.5～4.75 mm，細(xì)集料粒徑小于2.36 mm。其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

表1 不同瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 玄武巖集料的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

(3) 礦粉。填料為石灰?guī)r礦粉，要求其干燥、干凈，其技術(shù)指標(biāo)見表3，符合規(guī)范中瀝青面層所用礦粉的質(zhì)量要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

(1) 級配。從改性瀝青混合料耐久性方面優(yōu)化級配設(shè)計(jì)，可提高不同細(xì)度橡膠改性瀝青及與集料的粘附性，提高橡膠瀝青路面的抗脫落能力。瀝青混合料的合成級配見圖1。

表3 石灰?guī)r礦粉的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 瀝青混合料的合成級配

(2) 最佳油石比。根據(jù)集料設(shè)計(jì)級配，采用5種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知：油石比為7.2%時(shí)，馬歇爾試驗(yàn)所得空隙率接近設(shè)計(jì)空隙率，故確定最佳油石比為7.2%。同時(shí)通過相關(guān)試驗(yàn)得到SBS改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 不同改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析

從微觀結(jié)構(gòu)分析不同改性瀝青材料的化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，可更好地研究不同改性瀝青混合料的路用性能。采用紅外光譜儀分析基質(zhì)瀝青、40和60目橡膠改性瀝青、SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，圖2為不同粘合材料的傅里葉紅外光譜分析結(jié)果。

由圖2可知：這4種瀝青的紅外光譜曲線在2 980、2 852、1 453和1 377 cm-1處有明顯的特征峰值，其中2 980和2 852 cm-1處的特征峰值屬于飽和烴及其衍生物的C—H鍵和—CH2—鍵的伸縮振動(dòng)，1 453、1 377 cm-1處的特征峰值屬于烷烴中C—H鍵的彎曲振動(dòng)。比較橡膠瀝青與基礎(chǔ)瀝青，800～950 cm-1附近的強(qiáng)度略有不同，在934～848cm-1處基礎(chǔ)瀝青中有2個(gè)明顯的特征峰，而橡膠瀝青在800～950 cm-1附近變得平緩。800～950 cm-1左右的特征峰屬于芳香化合物的=C—H鍵的平面外彎曲振動(dòng)。表明在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后主要發(fā)生物理變化而非化學(xué)反應(yīng)；橡膠屑與瀝青的化學(xué)反應(yīng)較弱，只有部分芳香族化合物消失。SBS改性瀝青的紅外光譜與其他瀝青的光譜基本相同，其特征峰位于966 cm-1，是SBS改性劑本身的屬性。

圖2 不同黏合材料的紅外光譜分析

3 不同改性瀝青混合料的路用性能

3.1 改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

分別采用40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)保證車輪方向與成型試件碾壓方向一致，試驗(yàn)結(jié)果見表5、圖3。

由表5和圖3可知：溫度為50和60 ℃時(shí)，在0.7、1、1.4 MPa荷載作用下，ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于SBS改性瀝青混合料，試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)兩類混合料的動(dòng)穩(wěn)定度接近；ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的車轍深度小于SBS改性瀝青混合料；在不同溫度和荷載下，40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度差別都很小。ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，這是因?yàn)樵跒r青混合料中摻入橡膠粉能提高混合料的黏彈性，進(jìn)而提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

表5 改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同荷載下各改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

3.2 改性瀝青混合料的低溫抗裂性

瀝青路面的開裂與混合料的低溫抗裂性能相關(guān)，可通過測試瀝青混合料的低溫性能來分析瀝青路面的低溫抗裂性。分別成型40、60目橡膠改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行低溫抗彎拉試驗(yàn)，分析不同改性劑對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 改性瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：3種改性瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變均大于2 500 με，符合要求。橡膠粉為40目時(shí)，橡膠改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 463 με，比SBS改性瀝青混合料高21.8%，說明橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能較好。隨著橡膠粉細(xì)度的增大，橡膠改性瀝青混合料的彎拉勁度模量增大。瀝青混合料的彎拉勁度模量較低，則其柔韌性較好，采用40目橡膠改性瀝青混合料可提高瀝青路面的低溫抗裂性能。

3.3 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

通過凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對凍融循環(huán)作用后的3種改性瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，得到其劈裂強(qiáng)度比(見表7)。

由表7可知：40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別為93%、89%、79%，水穩(wěn)定性能為ARAC-13橡膠改性瀝青(40目)>ARAC-13橡膠改性瀝青(60目)>SBS改性瀝青。這是因?yàn)榛|(zhì)瀝青中摻入橡膠粉能吸收飽和芬和輕質(zhì)油分芳香芬，使瀝青中的瀝青酸和酸酐含量增加，從而提高瀝青與集料的黏附性，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能得到改善。

表7 改性瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.4 改性瀝青混合料的疲勞性能

對3種改性瀝青混合料使用MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三分點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制方法，試驗(yàn)溫度為15 ℃。通過建立瀝青混合料疲勞壽命與能量消耗累積的關(guān)系，分析3種改性瀝青混合料的疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

由表8可知： 40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)分別為124 548、107 812、68 423 次，ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)明顯大于SBS改性瀝青混合料。這是由于橡膠粉的摻入，使瀝青混合料的柔韌性得到提高，進(jìn)而使其抗疲勞性能得到提升。40目橡膠改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)大于60目橡膠改性瀝青混合料，說明橡膠粉粒徑對橡膠改性瀝青混合料的路用疲勞壽命有一定影響。

表8 3種改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 橡膠改性瀝青的最佳橡膠粉摻量為20%，最佳油石比為7.2%；SBS改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

(2) 橡膠改性瀝青主要發(fā)生物理變化而非化學(xué)反應(yīng)，不同細(xì)度橡膠粉改性瀝青具有相同的光譜；SBS改性瀝青的紅外光譜與橡膠改性瀝青的基本相同，但出現(xiàn)新的特征峰966 cm-1，這是SBS改性劑本身的屬性，使其產(chǎn)生新的官能團(tuán)。

(3) 橡膠改性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；橡膠粉細(xì)度對橡膠改性瀝青混合料路用性能有一定影響，40目橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性能均優(yōu)于60目橡膠改性瀝青混合料。相比其他改性劑，采用40目橡膠對瀝青改性不僅經(jīng)濟(jì)效益高，還能提高瀝青路面的使用性能。