基于體積性能平衡設計方法的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的性能研究

劉林林，劉愛華，于明明，朱浩然

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112）

近年來，隨著我國公路基礎設施建設迅猛的發展，我國公路網已初步實現系統化、規模化，道路的使用理念已從前期建設轉為后期養護。超薄層罩面技術作為新型的預防性養護技術，能夠有效改善路面的表面性能，延緩病害發生，延長道路使用年限，有利于當前道路建設和養護的需要[1-3]。

超薄層罩面技術近年來逐漸被研究和推廣應用，但普通超薄層罩面瀝青混合料性能不能滿足重載交通或大流量交通的道路需要，易出現坑槽、裂縫等病害。瀝青混合料的性能是所用集料和膠結料等組成原材料用量和性質以及生產制備工藝的函數，其中將散粒集料膠結成整體的膠結料的性能對瀝青混合料整體性能的影響至關重要，因此，基于瀝青改性提升瀝青路面的性能一直是道路工程界的熱點之一。另一方面，超薄層罩面瀝青混合料主流設計方法是體積設計方法[4]，即采用體積指標控制混合料制備和性能，由于馬歇爾擊實成型方式不能完全模擬路面的實際碾壓狀態[5-6]，再加上混合料的理論密度和毛體積密度不能精確獲取，導致體積指標與實際瀝青路面的路用性能相關性不足，使得超薄層罩面經常出現病害。解決體積設計方法問題的手段是采用體積性能平衡設計。國內外對于性能平衡設計方法的研究起步較晚，2006年，美國運用Balance Design方法的超薄層罩面混合料已在工程中實際應用，但是對于性能平衡設計的混合料性能沒有統計的評價標準，而國內只是運用Balance Design方法進行室內理論分析[7-11]。

基于此，為解決超薄層罩面病害問題，延長超薄層罩面的使用壽命，本工作以膠粉和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯熱塑性彈性體（SBS）改性瀝青為原料制備膠粉改性瀝青，采用體積性能平衡設計方法對膠粉改性瀝青TOM（thin overlay mixtures）-10混合料進行設計研究[10]，并與SBS改性瀝青TOM-10混合料路用性能進行對比分析。研究成果對膠粉改性瀝青的推廣和瀝青混合料設計具有重要意義。

1 實驗

1.1 主要原材料

膠粉，以8.25R20—12.00R20子午線輪胎為原料生產，粒徑為630 μm，鄒平華源橡膠有限公司產品；SBS改性瀝青，江蘇寶利國際投資股份有限公司產品；玄武巖礦料，規格為5～10，3～5和0～3 mm，江蘇興源礦業有限公司產品。

1.2 主要設備和儀器

BH-20型智能全自動混合料攪拌機，滄州翰星儀器設備有限公司產品；SYD-2801H型針入度自動試驗儀，上海頎高儀器有限公司產品；ZYLL-3000型自動軟化點測定儀，北京中儀勵朗科技有限公司產品；LYY-7B型智能低溫瀝青延度儀，上海榮計達儀器科技有限公司產品；HYCX-1型瀝青混合料車轍試樣成型機，滄州三思時代設備有限公司產品；HYCZ-5型全自動瀝青車轍試驗機，河北耀陽儀器設備有限公司產品；DFMS-9型瀝青混合料穩定度測定儀，南京拓興儀器儀表研究所產品；WDW-LH型瀝青混合料低溫彎曲試驗測試系統，濟南一諾世紀試驗儀器有限公司產品；UTM-25型動態伺服液壓材料試驗系統，澳大利亞IPC公司產品。

1.3 試樣制備

1.3.1 膠粉改性瀝青的制備

將SBS改性瀝青加熱至180 ℃，將膠粉加入其中，高速剪切120 min，然后攪拌30 min。

1.3.2 瀝青混合料的制備

將部分加熱的粗、細集料（礦料）置于智能全自動混合料攪拌機中，然后加入一定量的瀝青，開動攪拌機一邊攪拌一邊使拌和葉片插入混合料中拌和1～1.5 min，暫停拌和，加入其余加熱的粗、細集料，繼續拌和至均勻為止。

1.4 性能測試

1.4.1 瀝青基本性能

針入度采用針入度自動試驗儀按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[12]進行測試，試驗溫度 25 ℃，負荷 100 g，貫入時間 5 s。

軟化點采用自動軟化點測定儀按照JTG E20—2011進行測試。

延度采用智能低溫瀝青延度儀按照JTG E20—2011進行測試，試驗溫度 5 ℃，拉伸速率（5±0.25） cm·min-1。

1.4.2 TOM-10混合料路用性能

高溫性能（動穩定度）：采用全自動瀝青車轍試驗機按照JTG E20—2011進行測試，試驗溫度60 ℃，輪壓 0.7 MPa。

抗水損害性能（殘留穩定度和劈裂強度比）：采用瀝青混合料穩定度測定儀按照JTG E20—2011進行測試，試驗溫度 25 ℃，加載速率 50 mm·min-1。

低溫抗裂性能（最大彎拉應變）：采用瀝青混合料低溫彎曲試驗測試系統按照JTG E20—2011進行測試，試驗溫度 （-10±0.5） ℃，加載速率50 mm·min-1。

耐疲勞性能：采用動態伺服液壓材料試驗系統按照JTG E20—2011進行測試，試驗溫度（15±0.5） ℃，加載頻率 （10±0.1） Hz。

2 結果與討論

2.1 瀝青性能

膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的性能如表1所示。

表1 膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的性能Tab.1 Properties of rubber powder modified asphalt and SBS modified asphalt

從表1可以得出，與SBS改性瀝青相比，膠粉改性瀝青的軟化點明顯較高，老化前后延度明顯較大，針入度則明顯較小，即膠粉改性瀝青具有良好的低溫性能，并且耐熱性能和耐老化性能亦優于SBS改性瀝青，說明膠粉的加入可有效提升瀝青的路用性能。

2.2 膠粉改性瀝青TOM-10混合料設計分析

2.2.1 礦料級配的選擇

TOM-10混合料礦料級配類型屬于間斷級配，膠粉改性瀝青TOM-10混合料礦料最大公稱粒徑為9.5 mm，初選粗、中、細3種礦料級配（見表2），以粗集料骨架間隙率（VCAmin）小于粗集料松裝間隙率（VCADRC）判斷粗集料是否接觸形成骨架，選擇瀝青用量（瀝青質量占瀝青混合料質量的百分數）6.5%作為初試礦料級配瀝青用量，進行瀝青混合料體積指標測試[13-14]，試驗結果見表3。

表2 膠粉改性瀝青TMO-10混合料的礦料級配Tab.2 Mineral aggregate gradation of rubber powder modified asphalt TOM-10 mixtures %

表3 3種礦料級配的膠粉改性瀝青TMO-10混合料的馬歇爾試驗結果Tab.3 Marshall test results of rubber powder modified asphalt TOM-10 mixtures for three mineral aggregate gradations

參照JTG F40—2017《公路工程瀝青路面施工技術規范》[15]中SMA瀝青混合料的配合比設計里關于初選設計礦料級配的選擇方法，對膠粉改性瀝青TOM-10混合料進行設計礦料級配選擇，從表3試驗結果可以看出，礦料級配3的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的VFA不滿足要求，礦料級配1和級配2的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的VMA和VCAmin滿足指標要求。當有1組以上的礦料級配瀝青混合料同時符合要求時，以瀝青混合料的粗集料骨架分界集料通過率大且VMA較大的礦料級配為設計級配。因為礦料級配2的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的VV比較接近目標VV，所以選擇礦料級配2為設計礦料級配。

2.2.2 最佳瀝青用量的確定

2.2.2.1 體積指標

根據選擇的礦料級配2，在瀝青用量6.5%的基礎上，另選取瀝青用量6.8%和6.2%的膠粉改性瀝青TOM-10混合料進行3組馬歇爾體積指標測試，試驗結果見表4。

表4 不同瀝青用量的膠粉改性瀝青TMO-10混合料的馬歇爾試驗結果Tab.4 Marshall test results of rubber powder modified asphalt TOM-10 mixtures for different asphalt contents

2.2.2.2 路用性能試驗

若按照馬歇爾體積設計方法，則僅會再選擇VV合格（瀝青用量6.8%）的膠粉改性瀝青TOM-10混合料進行路用性能試驗，進而確定最佳瀝青用量。而本研究膠粉改性瀝青TOM-10混合料配合比設計采用體積性能平衡設計方法，將以性能為第一關鍵指標，以VV為第二關鍵指標。因此，對于初定的礦料級配2，在瀝青用量6.2%，6.5%和6.8%下分別制成膠粉改性瀝青TOM-10混合料，對其進行謝倫堡瀝青析漏、飛散、車轍、浸水、凍融、低溫小梁試驗[15]，試驗結果見表5。

表5 膠粉改性瀝青TOM-10混合料路用性能試驗結果Tab.5 Pavement performance test results of rubber powder modified asphalt TOM-10 mixtures

從表4和5可以得出，對于礦料級配2，瀝青用量6.8%的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的VV不僅滿足目標VV要求，而且各項路用性能也滿足要求，若按照馬歇爾體積設計方法，則選取的最佳瀝青用量為6.8%，但對于礦料級配2，瀝青用量6.5%的膠粉改性瀝青TOM-10混合料的VV為4.2%，雖然不滿足目標VV的要求，但是綜合路用性能最優，考慮體積-性能平衡設計理念，即若路用性能優異，體積指標可以不滿足要求。因此，本研究選取的最佳瀝青用量為6.5%。

此外，結合礦料級配2的各瀝青用量下膠粉改性瀝青TOM-10混合料的性能試驗結果，驗證了作者提出的體積性能平衡設計方法的可行性。礦料級配2的瀝青用量6.2%和6.5%的TOM-10混合料的VV不滿足目標VV要求下，路面性能卻能滿足指標要求，這表明VV并不能作為膠粉改性瀝青TOM-10混合料的配合比設計唯一標準，應結合路面性能來確定最佳配合比[15]。

2.3 TOM-10混合料路用性能

選取SBS改性瀝青，采用同種集料和同種設計方法對SBS改性瀝青TOM-10混合料進行設計，并將其與膠粉改性瀝青TOM-10混合料路用性能進行對比分析。

2.3.1 高溫穩定性能

由于車轍試驗能較真實地反映瀝青混合料高溫性能，因此分別將膠粉改性瀝青TOM-10混合料和SBS改性瀝青TOM-10混合料成型為車轍板，按照JTG E20—2017試驗規程進行車轍試驗，膠粉改性瀝青TOM-10混合料和SBS改性瀝青TOM-10混合料的動穩定度分別為11 456和9 845次·mm-1。可以看出，膠粉改性瀝青TOM-10混合料的高溫穩定性能優于SBS改性瀝青TOM-10混合料，這一方面是由于TOM-10混合料屬于骨架密實級配，既有較多的粗集料形成骨架，又有足夠的細集料填充空隙；另一方面，膠粉改性瀝青具有較高的軟化點，其耐熱性能優于SBS改性瀝青，因此，膠粉的加入能夠提高混合料的耐熱性能。

2.3.2 抗水損害性能

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，對膠粉改性瀝青TOM-10混合料和SBS改性瀝青TOM-10混合料的抗水損害性能進行對比分析，試驗結果見表6。

表6 TOM-10混合料的浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結果Tab.6 Immersion Marshall and freeze-thaw splitting test results of TOM-10 mixtures %

從表6可以看出，膠粉改性瀝青TOM-10混合料的殘留穩定度和劈裂強度比均高于SBS改性瀝青TOM-10混合料，說明膠粉改性瀝青TOM-10混合料的抗水損害性能優于SBS改性瀝青TOM-10混合料。這與膠粉改性瀝青針入度較低有關，其針入度低于SBS改性瀝青，則粘稠度大于SBS改性瀝青，與集料的粘附力更強。

2.3.3 低溫抗裂性能

采用低溫小梁試驗對膠粉改性瀝青TOM-10混合料和SBS改性瀝青TOM-10混合料的低溫抗裂性能進行對比分析，膠粉改性瀝青TOM-10混合料和SBS改性瀝青TOM-10混合料的最大彎拉應變分別為3 910和3 256。可以得出，膠粉改性瀝青TOM-10混合料的低溫性能優于SBS改性瀝青TOM-10混合料。這是由于膠粉改性瀝青中膠粉釋放出納米炭黑顆粒，可以增強網鏈結構柔韌性，增大混合料的抗彎拉強度。

2.3.4 耐疲勞性能

為評估膠粉改性瀝青TOM-10混合料在交通負荷作用下的耐疲勞性能，采用了四點彎曲疲勞試驗對其疲勞性能進行評價，并與SBS改性瀝青TOM-10混合料進行對比分析。試驗采用恒應變控制的連續偏正弦加載模式，為縮短試驗時間，采用400，500和600恒應變控制，測試結果如圖1所示。

圖1 TOM-10混合料的四點疲勞試驗結果Fig.1 Four point fatigue test results of TOM-10 mixtures

從圖1可以看出，不管在何種應變下，膠粉改性瀝青TOM-10混合料負荷作用次數均高于SBS改性瀝青TOM-10混合料，表明膠粉改性瀝青TOM-10混合料的耐疲勞性能比SBS改性瀝青TOM-10混合料優，說明膠粉的加入有利于提高瀝青混合料的耐疲勞性能。

3 結論

對膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的基本性能進行評價，采用體積性能平衡設計方法對膠粉改性瀝青TOM-10混合料進行設計和性能驗證，并與SBS改性瀝青TOM-10混合料進行對比，得出以下結論。

（1）膠粉改性瀝青的低溫性能、耐老化性能和耐熱性能均優于SBS改性瀝青。

（2）采用體積性能平衡方法設計的膠粉改性瀝青TOM-10混合料具有較優的路用性能。試驗驗證了體積性能平衡設計方法的可行性，避免了傳統體積方法的不足。

（3）膠粉改性瀝青TOM-10混合料路用性能優于SBS改性瀝青TOM-10混合料，這是由于膠粉改性瀝青中膠粉釋放的納米炭黑顆粒增強了網鏈結構柔韌性，瀝青內部形成了更穩定的結構形式，提升了TOM-10混合料的耐高、低溫性能和抗水損害性能、耐疲勞性能，進而提高了TOM-10混合料的耐久性能。

2021年日本炭黑需求略有增加日前，日本炭黑協會在線發布日本2021年炭黑需求預測。該協會預計，2021年日本炭黑總需求量（包括出口量）約為65.2萬t，同比增長5.1%。不過，這一數值僅為2019年的84%，并未從2020年的降幅中恢復。

據悉，日本炭黑協會的這一預測是在日本汽車輪胎協會和日本橡膠工業協會的相關預測基礎上做出的。2021年，日本汽車產量將同比增長7.3%。據此，日本汽車輪胎協會預測，2021年日本國內汽車輪胎銷量將同比增長4.9%。日本橡膠工業協會預測，2021年的橡膠消費量中，輪胎用橡膠消費量將同比增長5.3%，普通橡膠消費量將同比增長11.7%，行業整體橡膠消費量將同比增長6.6%。

日本炭黑協會表示，受新冠肺炎疫情的影響，國內經濟形勢依然嚴峻，但是在政府各項政策的刺激下，經濟回升勢頭正在顯現，企業設備投資正在恢復，出口也在相應增加。因此，2021年日本炭黑需求量有望在2019年、2020年連續兩年下跌之后轉為正增長。不過，該協會同時表示，由于疫情走勢的長期化和不確定性，經濟活動停滯下行的風險依然令人擔憂，這種情況則是無法預測的。

（摘自《中國化工報》，2021-03-01）