溫拌橡膠改性瀝青混合料性能試驗研究

南永鋒

（張家口路橋建設集團有限公司，張家口 075000）

隨著交通行業的不斷發展，對道路的要求也越來越高，為了能夠滿足當前交通發展的需求，必須從道路材料方面著手，研發出性能更加優良的道路建筑材料。1843 年英國開始研究橡膠瀝青并申請了研究專利[1]。 美國在1940 年開始研究橡膠瀝青。 繼美國之后，澳大利亞、印度、法國和南非等國也開始研究橡膠瀝青， 通過科研工作者們的共同努力，橡膠瀝青開始出現在工程實際中[2]。 大量研究結果發現：（1） 橡膠瀝青比基質瀝青表現出更低的溫度敏感性[3]。 （2）由于橡膠瀝青本身的結構特性，使其具有更好的抗老化性能[4]。 （3）不同類型級配對比分析發現，開級配的混合料具有較好的耐久性，密級配的混合料具有較好的抗低溫開裂的能力[5]。 （4）橡膠瀝青混合料表現出優異的高溫特性[6]。 國內同濟大學于20 世紀70 年代末開始橡膠瀝青方面的探索，從此開啟了橡膠瀝青路面研究的開端，其研究重點主要是橡膠粉和瀝青發生溶脹后，改性瀝青粘度的變化情況，以及改性瀝青混合料路用性能的對比分析[7]。 通過這些基本研究，中國的橡膠瀝青路面于1981 年在江西順利鋪筑，這是我國對橡膠瀝青應用的開端[8]。

隨著對橡膠瀝青研究的不斷深入，人們開始關注到橡膠瀝青在拌合及壓密過程中溫度過高的問題。 因此，需要找到合理的解決措施來降低瀝青混合料拌和及施工溫度。 研究發現，溫拌劑可以使混合料降低20℃～30℃拌合及壓實溫度， 這種大幅度降溫，對于橡膠瀝青來說意義重大。 本文為了研究橡膠瀝青中摻入溫拌劑后是否對其路用性能產生影響， 開展溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的研究，其結果對于溫拌橡膠瀝青混合料的應用提供一定的參考價值。

1 原材料及混合料配合比設計

1.1 原材料性能

（1）溫拌橡膠瀝青制備

用于制備溫拌橡膠瀝青的主要原材料是基質瀝青、溫拌劑和橡膠粉，基質瀝青選擇東莞某瀝青有限公司產的埃索70 號A 級石油瀝青， 其技術性能見表1。 溫拌劑選擇常州某路面改性材料有限公司產的改性蠟類XT-W2 型固體溫拌劑， 其技術指標見表2。 橡膠粉目數采用80 目，主要是由汽車輪胎粉碎之后經過分離、除金屬、篩選活化和脫硫等一系列工序加工而成。

表1 埃索70#A 級道路石油瀝青試驗結果

表2 XT-W2 型溫拌劑技術指標

用于制備溫拌橡膠改性瀝青的制備工藝流程圖如圖1 所示。 為了確定溫拌劑和橡膠粉的摻量范圍，采用控制單一變量法，將制備好的含有不同摻量溫拌劑（W）和橡膠粉（R）的溫拌橡膠瀝青進行基本性能試驗，試驗結果如表3 所示。

圖1 溫拌橡膠瀝青制備工藝流程圖

表3 溫拌橡膠瀝青性能試驗結果

從表3 數據可以發現， 橡膠粉摻量為18%時，隨溫拌劑摻量的增加，改性瀝青的針入度和軟化點先增加后降低，延度和旋轉粘度逐漸降低，彈性恢復逐漸增加；當溫拌劑摻量為3%時，隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點、延度、旋轉粘度和彈性恢復逐漸增加。 綜合改性瀝青的各方面性能結果表現，采用溫拌劑摻量3%、橡膠粉摻量18%的組合進行改性瀝青混合料路用性能試驗。

（2）集料性能

試驗選用石料共分為5 檔：1# （13.2～16 mm）、2#（9.5 ～13.2 mm）、3#（4.75 ～9.5 mm）、4#（2.36 ～4.75 mm）、5#（0.075～2.36 mm），其中1#、2#、3# 為玄武巖礦料，4#、5#為石灰巖礦料，填料選擇石灰巖礦粉。 各檔集料的技術性質都滿足技術規范要求。

1.2 瀝青混合料配合比設計

大量的實踐數據證實， 間斷級配SMA 的配合比設計更適合于溫拌橡膠瀝青，本文采用AR-SMA型級配，見表4；該類型的級配是在SMA 的基礎上設計出來的， 粗集料用量也在70%左右， 減少了SMA 混合料中的0.075 mm 通過率， 混合料中不再加纖維，骨料間隙依靠橡膠瀝青與細集料構成的馬蹄脂填充。 混合料試驗中采用5%SBS 改性瀝青混合料作為對照組， 其級配設計采用AC-13 型級配，見表5。

表4 AR-SMA-13 型級配

表5 AR-AC-13 型級配

根據以上2 組級配， 在預估油石比的基礎上，以0.3%的差值取5 個試驗油石比， 進行馬歇爾試驗。 AR-SMA-13 型級配的油石比取值為：6.3%、6.6%、6.9%、7.2%、7.5%，SBS 改性瀝青的油石比取值為：4.4%、4.7%、5.0%、5.3%、5.6%。 根據試驗得到的馬歇爾體積參數和力學指標數據綜合得出溫拌橡膠改性瀝青混合料的最佳油石比為6.8%，SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比為5.2%。

2 瀝青混合料性能

為了評價溫拌橡膠改性瀝青混合料的性能，本文做了大量室內試驗，以同摻量橡膠粉的橡膠瀝青和5%SBS 改性瀝青作對比， 分析了溫拌橡膠改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 高溫性能

目前用來預估瀝青路面高溫指標的車轍試驗，主要使用車轍試驗儀使試件在車輪荷載重復作用下產生推移、流動剪切變形，其目的是模擬在夏季高溫條件下，測定路面在車輛荷載下，混合料抵抗永久變形的能力，以動穩定度指標來評價其高溫性能。 車轍試驗結果見表6。

表6 車轍試驗結果

從表6 可以看出，溫拌橡膠改性瀝青混合料的動穩定度明顯高于SBS 改性瀝青和橡膠瀝青，是SBS 改性瀝青混合料的1.9 倍， 相對橡膠瀝青提高了30.2%，說明溫拌劑明顯提高了橡膠瀝青混合料的高溫穩定性。

2.2 低溫性能

瀝青混合料通常具有熱粘彈性， 當溫度較高，且降溫速率較慢時，瀝青混合料內部的溫縮應力會因為應力松弛而自動變小， 不影響路面的使用質量。 但在氣溫較低，溫度下降速度快的環境中，瀝青路面表現出彈性材料的特性，溫縮應力無法通過應力松弛而消失，從而使溫縮應力不斷集聚，路面最終出現溫縮斷裂。 選取試驗環境為-10℃，施荷速率為50 mm/min，試驗結果見表7。

表7 低溫小梁彎曲試驗結果

從表7 可以看出， 從破壞應變方面看，SBS 改性瀝青的破壞應變最大，其次是橡膠瀝青，溫拌橡膠瀝青破壞應變最小，說明SBS 改性瀝青的低溫抗變形能力最好，加入溫拌劑后橡膠瀝青的低溫抗變形性能變差。從勁度模量上看，3 種瀝青混合料勁度模量大小分別為溫拌橡膠改性瀝青＜橡膠瀝青＜SBS改性瀝青，說明加入溫拌劑后降低了橡膠瀝青的低溫柔韌程度， 使瀝青在低溫條件下變得更加脆硬，低溫下更容易產生破壞。

2.3 水穩定性

導致路面產生水損的因素有3 方面：一是排水問題，二是材料特性問題，三是生產工藝問題，其中路面用料性能是決定路面抗水損的根本因素。 在評價混合料的抗水損能力時， 需要考慮2 方面因素：一是瀝青和石料的黏結能力，采用水煮法、水浸法等試驗方法進行測試； 二是混合料的承受水損強度，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗進行評價。本次選用浸水馬歇爾試驗法，評價瀝青混合料的抵抗水損能力，其試驗結果見表8。

表8 浸水馬歇爾試驗結果

從表8 可以看出，3 種瀝青混合料的殘留穩定度從大到小為：SBS 改性瀝青＞溫拌橡膠瀝青＞橡膠瀝青，說明溫拌橡膠瀝青具有良好的抗水損害和剝落能力，溫拌劑在一定程度上提高了橡膠瀝青的水穩定性，已基本接近于SBS 改性瀝青混合料。

2.4 疲勞性能

影響瀝青混合料疲勞壽命主要有2 大類：第一類是作用荷載和環境因素；第二類是瀝青混合料本身的因素。 在工程實際中，如果路段確定，那么其外界環境狀況等基本確定，此時決定混合料疲勞壽命的主要因素是混合料本身的特性。 利用美國MTS810 材料試驗機， 選擇四點彎曲疲勞試驗分析溫拌橡膠瀝青混合料的疲勞壽命。 試驗溫度取15℃，為得到疲勞特性方程，試驗過程中取0.3、0.4、0.5、0.6 等4 個應力比， 以反映不同的車輪荷載條件，試驗結果見表9。

根據表9 疲勞試驗結果， 采用應力控制模式下的疲勞方程（1）進行歸納分析得到其疲勞方程的參數。

式中：Nf為疲勞壽命；K 為應力、疲勞壽命對數曲線的截距；n 為應力、 疲勞壽命對數曲線的斜率；σ/S 為應力比。

對3 種不同的瀝青混合料按照控制應力模式下的疲勞壽命方程進行線性回歸分析得到其對應的四點彎曲疲勞壽命方程如表10 所示。

表9 四點彎曲疲勞試驗結果

表10 四點彎曲疲勞試驗結果

從表10 可以看出，3 種瀝青混合料的線性回歸相關系數R2均大于95%， 說明得到的疲勞壽命方程能夠較好地表示瀝青混合料在不同應力比下的疲勞壽命。 通過對比分析3 種瀝青混合料的疲勞壽命方程可以發現，同樣條件下橡膠瀝青的疲勞壽命最大， 溫拌橡膠改性瀝青的次之，SBS 改性瀝青的最小。 斜率n 能夠反映應力比對疲勞壽命的影響，n的絕對值越小， 說明荷載變化對疲勞壽命影響越小。 3 種混合料中，溫拌橡膠改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料疲勞壽命受荷載變化影響最小，橡膠瀝青影響較大。 溫拌劑加入后雖然一定程度上降低了橡膠瀝青的疲勞壽命，但也削弱了路面荷載變化對路面疲勞壽命的影響。

4 結論

通過對溫拌橡膠改性瀝青混合料的路用性能進行試驗研究，可以得出以下結論：

（1）3 種瀝青混合料的動穩定度大小為溫拌橡膠改性瀝青＞橡膠瀝青＞SBS 改性瀝青，溫拌劑顯著改善了橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

（2）從破壞應變和勁度模量結果可知，3 種瀝青混合料低溫性能為溫拌橡膠改性瀝青＜橡膠瀝青＜SBS 改性瀝青，溫拌劑對于橡膠瀝青混合料的低溫產生不利影響，低溫時更易產生破壞。

（3）3 種瀝青混合料的殘留穩定度從大到小為SBS 改性瀝青＞溫拌橡膠瀝青＞橡膠瀝青，溫拌劑提高了橡膠瀝青的水穩定性，接近于SBS 改性瀝青混合料。

（4）溫拌劑對于橡膠瀝青混合料的疲勞壽命存在不利影響，但同時降低了路面荷載變化對疲勞壽命的影響。