共混膠粉改性瀝青混合料路用性能研究

徐金玉

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

引言

普通膠粉能夠提高瀝青的高溫性能與抗疲勞性能，但是膠粉改性瀝青黏度大且不易存儲。研究表明脫硫膠粉的5 ℃延度是普通橡膠瀝青的3～5倍，能夠降低改性瀝青的黏度，且脫硫膠粉低溫性能優異，能夠改善存儲穩定性[1-2]。

1 原材料

1.1 瀝青

基質瀝青選用SPC90#A級瀝青，其性能指標見表1。

表1 基質瀝青性能指標

1.2 膠粉

對于廢胎膠粉中橡膠含量國內并沒有出臺具體的指標規定，一般選擇廢棄斜交胎制作膠粉[3]。膠粉的摻量不同對改性瀝青的性能影響巨大，通過相關試驗，最終確定共混膠粉的最佳摻量為28%，兩種膠粉的比例為1∶1。

1.3 集料和填料

試驗粗集料要求選用粒徑＞4.75 mm、清潔、堅硬、不含風化顆粒的碎石；細集料要求選用潔凈、堅硬、級配適當的人工軋制的石灰巖。

1.4 改性瀝青性能指標

對共混膠粉改性瀝青密度進行測定，試驗測定的密度為1.035 g/cm3，其它參數見表2。

表2 共混膠粉改性瀝青性能指標

2 混合料配合比設計

2.1 級配確定

考慮到共混膠粉瀝青中存在較多未溶解的橡膠粉，若采用AC-13級配可能出現大粒徑集料少、橡膠回彈、壓實困難等情況。而采用AC-16級配，則能夠使未溶解的橡膠顆粒填充在大粒徑集料的空隙中，避免橡膠顆粒恢復彈性導致的壓實問題。因此，混合料采用AC-16連續級配，最終確定的合成級配見圖1。

圖1 AC-16型瀝青混合料合成級配

2.2 最佳油石比

選取4個油石比，其中初始油石比選擇4%，以0.5%為間距，開展馬歇爾試驗。圖2為共混膠粉混合料的油石比參數。

圖2 油石比與馬歇爾指標的關系

根據油石比與馬歇爾指標的關系，計算最佳瀝青用量的初始值0AC1、最佳瀝青用量的中值OAC2、最佳瀝青用量OAC分別為4.67%、4.9%、4.8%，因此，確定最佳油石比為4.8%。

3 共混膠粉改性瀝青路用性能研究

3.1 高溫穩定性分析

采用車轍試驗評價共混膠粉瀝青混合料的高溫穩定性，以動穩定度作為評價指標，車轍試驗結果見表3。

表3 車轍試驗結果

由于共混膠粉改性瀝青混合料沒有專門的標準，參照《橡膠瀝青路面施工技術規范》（DB 61/T 1021—2016）中的要求，橡膠瀝青路面的動穩定度需達到2 800次/min。根據表3可知，共混膠粉改性瀝青的動穩定度雖然小于橡膠瀝青，但是仍滿足 2 800次/min的要求。

3.2 低溫抗裂性能分析

采用低溫小梁彎曲破壞試驗評價混合料的低溫性能，試驗結果見表4。

表4 混合料低溫彎曲試驗結果

通過表4可知，共混膠粉瀝青混合料的低溫性能優于橡膠改性瀝青混合料，抗彎拉強度、抗彎拉應變比橡膠瀝青分別提高了3.84%、8.28%。因為共混膠粉中的脫硫膠粉顆粒能夠與未反應的橡膠顆粒組成網狀結構，從而影響微裂縫的發展，改善混合料的低溫抗變形能力。

3.3 水穩定性評價

選用浸水馬歇爾試驗評價共混膠粉改性瀝青混合料的水穩定性，馬歇爾試驗結果見表5。

表5 混合料浸水馬歇爾試驗結果

通過表5可知，共混膠粉瀝青混合料的浸水殘留穩定度為88.5%，相比橡膠瀝青有所提升。共混膠粉中較大比例的脫硫膠粉能夠與瀝青基質反應，形成穩定的膠團與石料緊密結合，降低水對膠結料-石 料的剝離作用。

通過凍融劈裂試驗測定共混膠粉瀝青混凝土在水損壞時的破壞強度比，評價水穩定性，試驗結果見表6。

表6 混合料凍融劈裂試驗結果

通過表6可知，共混膠粉改性瀝青在凍融后的強度明顯高于普通橡膠改性瀝青，說明增加脫硫膠粉確實能夠提高橡膠改性瀝青的抗水損能力。

4 共混膠粉改善瀝青性能的機理分析

4.1 微觀形態分析

為了更好地分析共混膠粉對瀝青改性的作用機理，分別制備了普通膠粉、脫硫膠粉、普通膠粉-脫硫膠粉瀝青混合料試件，通過掃描電鏡觀察瀝青表面的微觀形貌。掃描電鏡選擇100倍，觀察各試件改性瀝青的表面形態，圖3～圖6分別為基質瀝青、橡膠瀝青、脫硫膠粉瀝青、共混膠粉瀝青的掃描電鏡結果。

圖3 基質瀝青掃描

圖6 共混膠粉改性瀝青掃描

（1）由圖3可以看出，基質瀝青呈現出穩定且均勻的形貌，表面光滑，為單相連續結構。（2）圖4出現明顯的顆粒結構及團聚現象，混合料表面呈現出菜花狀，平整性較差、分散性較差，與宏觀層面橡膠瀝青易離析的特征相對應。（3）圖5說明在瀝青中摻入脫硫膠粉后，脫硫膠粉能夠均勻的分布于瀝青中，表面光滑，不同于橡膠瀝青般能看到明顯顆粒。因為橡膠在經過脫硫后，其三維網絡構造受到破壞，形成二維線性結構，橡膠顆粒與瀝青的結合更為充分，微觀上形成更為穩定的整體，與宏觀上脫硫膠粉瀝青的黏度降低特性相對應。（4）圖6存在顆粒狀物質，是未溶于瀝青的橡膠顆粒，但仍有較大比例的共混膠粉融入瀝青中形成整體。推測脫硫橡膠與瀝青形成了線性結構，發揮了脫硫橡膠的降黏及低溫抗斷裂作用；而橡膠顆粒部分與瀝青相融發生團聚，部分仍獨立分散與體系中，形成膠團構造，提高瀝青的高溫穩定性。

圖4 橡膠瀝青掃描

圖5 脫硫膠粉改性瀝青掃描

4.2 不同膠粉對瀝青溫度穩定性的影響

通過差示掃描量熱儀（DSC），研究瀝青內部的吸熱放熱現象及狀態變化，分析共混膠粉對瀝青改性的原因和規律。試驗所用儀器為綜合同步熱分析儀（TGA），通過TGA進行示差掃描熱量分析（DSC）。普通膠粉改性瀝青、脫硫膠粉改性瀝青、共混膠粉改性瀝青與基質瀝青的DSC曲線見圖7。

圖7 四種瀝青差熱掃描試驗結果

由圖7可以看出，四種瀝青的玻璃態溫度介于-20～20 ℃，吸熱峰位于-11 ℃。分析各改性瀝青熱量面積積分可知，橡膠改性瀝青的高溫穩定性最好，其次是共混膠粉瀝青，然后是脫硫膠粉改性瀝青。橡膠瀝青高溫穩定性優于脫硫膠粉瀝青，通過向脫硫膠粉瀝青中添加橡膠，能夠提高混合料的熱穩定性，說明共混膠粉改性瀝青能夠綜合橡膠瀝青與脫硫膠粉瀝青的優點。

5 結語

（1）對共混膠粉瀝青混合料路用性能進行研究，通過車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗等表明，混合料的各項性能滿足路用要求。（2）通過掃描電鏡試驗、DSC等試驗，探究共混膠粉的改性機理。分析認為，脫硫后的膠粉能夠與瀝青質組成線性結構，具備較好的低溫抗裂性和延展性，但是缺少橡膠改性瀝青中的團聚結構，導致高溫穩定性較差。而采用橡膠-脫硫膠粉共混的改性瀝青，能夠綜合二者的優點，混合料的黏度較低，具備良好的高低溫穩定性。