粗橡膠粉SBS改性瀝青透水混合料抗水損害性能

肖飛鵬 ，宗啟迪 ，王金剛 ，陳 軍 ，劉 繼

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.中鐵四局集團市政工程有限公司，安徽 合肥 230022）

隨著公路交通的快速發展，對路面使用性能的要求越來越高.與此同時，受路面交通載荷及路域氣候環境的影響，瀝青路面極易發生各種病害.其中，動水沖刷以及融凍循環作用是加速瀝青混凝土路面水損壞的主要因素.對于排水瀝青混合料，混合料內部孔隙被殘余水分充滿時，會產生滲透與膨脹壓力，使得混合料孔隙逐步擴大.另外，集料的親水性使水能從薄瀝青膜處滲透到集料表面，瀝青從礦料表面剝離，導致路面松散[1].

水穩定性好的瀝青混合料具有良好的抗水損害能力.Pan 等[2-3]指出瀝青混合料的水穩定性與瀝青的種類、集料級配類型、試驗方法、添加劑等有關系.同時，改性瀝青混合料的水穩定性優于普通瀝青混合料.此外各類添加物被用來改善混合料的水穩定性，Yuan 等[4]發現添加0.3%木質素纖維可有效改善瀝青混合料的水穩定性.另有研究表明，水泥、抗剝落劑、消石灰可以有效地改善集料與瀝青之間的黏附性，進而提高瀝青混合料的水穩定性，并且消石灰的改善效果更明顯[5-7].此外，混合料礦料級配的不同也是影響瀝青混合料水穩定性的重要因素.Pan等[2]還指出懸浮密實瀝青混凝土（asphalt concrete，AC）類和瀝青穩定基層（asphalt treated base，ATB）類混合料的水穩定性差異較大.Huang 等[8]總結了水穩定性較好的AC13 級配范圍.研究人員根據飽水含水率的不同還對AC 類和開級配磨耗層（opengraded fiction course，OGFC）類瀝青混合料的水穩定性進行了比較，發現當AC 混合料中飽水為50%時水穩定性最差，OGFC 混合料中飽水為75%時水穩定性最差[9-10].瀝青混合料的水穩定性采用混合料的抗水損害性能指標來評價，常用的試驗方法有浸水馬歇爾試驗、浸水劈裂試驗和凍融劈裂試驗等[6,11].雖然浸水馬歇爾與浸水劈裂試驗操作更簡單，但是不能很好模擬路面水損壞過程，而凍融劈裂試驗包括真空飽水、凍融和高溫水浴3 個過程，將實際路面上受到水的影響集中、強化，因此能直觀反應瀝青混凝土實際工作環境[12].

透水瀝青混合料（permeable asphalt concrete，PAC）由于其孔隙率大，所以更易發生水損害.現有研究對于透水混凝土類混合料的水穩定研究較少，主要集中在應用較多的AC 類與瀝青瑪蹄脂（stone mastic asphalt，SMA）類瀝青混合料，并且對于粗橡膠粉SBS（styrene-butadiene-styrene block copolymer）復合改性瀝青應用于透水混合料及透水混凝土級配對透水瀝青混合料水穩定性能影響的研究也較少.本文采用粗橡膠粉SBS 復合高黏高彈改性瀝青作為透水瀝青混凝土膠結料，研究SBS 和粗橡膠粉摻量、最大公稱粒徑（nominal maximum particle size，NMPS）、各篩孔通過率、瀝青用量與消石灰摻量對透水混合料水穩定性的影響，通過灰關聯度分析方法，確定透水混合料水穩定性的主要影響因素，并揭示粗橡膠粉SBS 復合改性瀝青透水混合料的抗水損機理，最后優化出最佳粗橡膠粉、SBS 復合比例與混合料關鍵篩孔尺寸，為實際工程應用提供理論指導.

1 原材料及實驗設計

1.1 原材料性能

本文采用京博70 號基質瀝青（性能等級 PG64-22），針入度為73.1（0.1 mm），軟化點為49.0 ℃，180 ℃旋轉黏度為0.075 Pa·s，密度為1.035 g/cm3.粗橡膠粉采用20 目橡膠粉，含水率為0.22%.SBS 采用巴陵石化生產的YH791，為線型結構，苯乙烯-丁二烯嵌段比為30/70，分子量10～12 萬.本試驗所用集料為軋制碎石，其中0～3 mm 檔位為石灰巖，其他集料為玄武巖.混合料級配規格選用最大公稱粒徑分別為20、16、13 mm 和10 mm 的PAC20、PAC16、PAC13和PAC10.

1.2 試驗設計

在SBS 改性瀝青生產過程中，如果對SBS 處理不好，SBS 微粒溶脹分散不充分，則難以形成連續三維網絡結構，而只起填充相增大體積作用，瀝青的彈性就不明顯，甚至不能實現對瀝青的改性，所以對于SBS 改性瀝青的制備需要高速剪切機進行高速剪切分散[13].然而粗橡膠粉本身具有良好的彈性性能，它的摻入也可大幅提高瀝青的黏度，為了使復合改性瀝青具有足夠的彈性和高黏度，需要盡量保留粗橡膠粉的顆粒形態，不需要進行高速剪切分散，因此對粗橡膠粉復合改性瀝青的制備采用機械攪拌的方式進行.粗橡膠粉SBS 復合改性瀝青具體制備工藝如下：

步驟1將基質瀝青加熱至170 ℃并保持恒溫；

步驟2采用攪拌器攪拌，緩慢加入SBS 改性劑，溫度為170 ℃，以800 r/min 攪拌60 min；

步驟3采用高速剪切機剪切，剪切速率為3 000 r/min，溫度控制在180 ℃，剪切時間不少于60 min，恒溫發育時間不少于6 h；

步驟4采用攪拌器攪拌，分批緩慢加入粗橡膠粉，攪拌速率1 200 r/min，180 ℃下攪拌溶脹60 min.

本文采用凍融劈裂試驗來研究粗橡膠粉SBS復合改性瀝青透水混合料的水穩定性.透水瀝青混合料的性能取決于其組成材料及混合料內部結構.粗橡膠粉SBS 復合改性瀝青膠結料性能主要取決于SBS 摻量、粗橡膠粉摻量以及瀝青用量3 個因素.礦料方面，影響粗橡膠粉SBS 復合改性瀝青透水混合料性能的因素包括混合料級配、最大公稱粒徑與消石灰摻量.本研究采用了4 種SBS 用量（2.0%、3.0%、4.0%、6.0%）、4 種粗橡膠粉用量（5%、10%、15%、20%）、4 種瀝青用量（5.0%、6.0%、5.5%、6.5%）進行凍融劈裂強度試驗.其中，SBS 和膠粉質量分數以基質瀝青質量為基準，瀝青用量以透水瀝青混合料總質量為基準.級配方面，采用4 種混合料級配規格，每種級配規格由粗到細選取不同級配組成（依次標為 #1～#5），此外，考慮3 種消石灰摻量（0、1%、2%）進行試驗.具體級配如表1 所示.

表1 不同透水瀝青混合料級配各篩孔通過率Tab.1 Gradations of PAC with various nominal maximum particle sizes %

以凍融前對照劈裂強度、凍融后劈裂強度和凍融劈裂強度比（tensile strength ratio，TSR）作為3 個評價指標，每批凍融組和未凍融組試件個數均為4 個，然后進行參數的優化分析，以得到最佳混合料材料參數.

2 結果與分析

2.1 SBS 摻量影響

本文首先研究了不同SBS 摻量對4 種級配規格透水瀝青混凝土抗凍融性能的影響.圖1 為當粗膠粉摻量為15%時，每種級配規格排水瀝青混合料在不同SBS 摻量下的劈裂強度和TSR，圖中橫坐標百分數為SBS 摻量，如“PAC20，2%”表示2% SBS摻量、級配規格為PAC20 的透水瀝青混合料.

圖1 SBS 摻量對凍融劈裂性能的影響Fig.1 Effect of SBS contents on freeze-thaw splitting performance

由圖1 可知：隨著SBS 摻量從2%增加到3%，混合料的TSR 基本持平或者略微降低.這說明，SBS摻量較小時，SBS 對混合料劈裂強度和水穩定性的改善效果不明顯.主要原因在于SBS 分子之間大面積相互接觸的機會較少，只能在表面張力的作用下形成微團，均勻分散在瀝青中，未能形成微觀三維交聯網絡結構，對瀝青膠結料的抗拉強度的改善有限.當SBS 摻量從3%增加到4%，除PAC20 外其余3 種級配規格透水瀝青混合料的TSR 均有較大幅度上升，這說明此階段SBS 摻量的增加能有效改善透水瀝青混合料的抗凍脹能力.這是因為SBS 微粒大面積相互接觸機會增多，SBS 分子之間通過聚苯乙烯微區的物理交聯作用形成較為松弛的網絡結構存在于瀝青基體中，通過增加瀝青膠結料體系的內聚力進而提升瀝青混合料的抗凍脹能力.當SBS含量達到6%時，PAC10 的混合料的劈裂強度及TSR均大幅增加.此時瀝青基體中SBS 分子形成了更加豐富的三維交聯網絡結構，和瀝青基體互相貫穿，并包裹粗橡膠粉顆粒，使SBS、粗橡膠粉微粒以及瀝青基體形成三相互鎖包裹結構，復配改性瀝青不易發生高溫流動或低溫脆化，明顯地提升了膠結料的內聚力和抗凍脹能力.

綜上所述，摻加一定量的SBS 能提高粗橡膠粉透水瀝青混合料的水穩定性，當SBS 摻量達到5%時，SBS 在瀝青基體中形成連續的三維交聯網絡結構，繼續增加SBS 摻量對透水瀝青混合料的水穩定性的改善效果有限，同時考慮到經濟成本因素，本文推薦SBS 最佳摻量為6%.

2.2 粗橡膠粉摻量影響

在混合料級配規格及級配、SBS 摻量及消石灰摻量相同的情況下，粗橡膠粉摻量對透水瀝青混合料的抗凍融性能有一定的影響.前期研究結果表明，透水瀝青混合料級配規格越小，其透水瀝青混合料的劈裂強度越低，因此本文針對PAC10 的抗凍融性能進行研究.圖2 展示了SBS 摻量為6%、消石灰摻量為2%時，粗橡膠粉摻量（5%～20%）對PAC10 的凍融劈裂強度及TSR 的影響.

由圖2 可知：隨著橡膠粉摻量增加，混合料的凍融劈裂強度有所提升，TSR 提升明顯，但是未凍融試件的劈裂強度會呈現下降的趨勢.當橡膠粉摻量從5%增加到10%，PAC10 的TSR 大幅度提升，未凍融試件的劈裂強度有所下降，但凍融劈裂強度提升明顯.粗橡膠粉吸收瀝青中輕質組分并溶脹，從而限制瀝青分子的運動，增加瀝青的黏滯阻力，進而增加瀝青的黏度，但是同時也使得瀝青質相對含量提高，導致混合料低溫抗拉性能變差，所以未凍融試件的劈裂強度下降，但是其凍融后試件的劈裂強度降低較少，從而使得TSR 提升[14].當粗橡膠粉摻量繼續增大到20%，混合料TSR 繼續增加，但是增速變緩.原因在于粗橡膠粉摻量過多時，使得多余粗橡膠粉微粒不能很好地被SBS 三維網絡包裹，并且由于粗橡膠粉吸收了更多輕質組分，瀝青變硬變脆，從而影響瀝青的黏結性能，使得凍融前試件的劈裂強度降低.凍融后的試件劈裂強度隨著粗膠粉摻量的增加也有所降低，但是降幅較小，導致TSR 值隨著粗膠粉摻量的增加而提高.說明粗膠粉的加入可以有效提升排水瀝青混合料的抗水損害性能.

圖2 粗橡膠粉摻量對PAC10 凍融劈裂性能的影響Fig.2 Effect of coarse crumb rubber content on freeze-thaw splitting performance

綜上，粗橡膠粉的摻入會使透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強度降低，但是會提高透水瀝青混合料的TSR 值，膠橡粉摻量存在一個最佳范圍，針對大孔隙透水PAC 混合料，其最佳用量應在10%左右.

2.3 最大公稱粒徑的影響

表2 列出了不同級配規格排水瀝青混合料的性能測試參數.4 種規格透水瀝青混合料的SBS 和粗橡膠粉摻量分別為3%和15%，PAC20 和PAC16的瀝青用量均為6.0%，PAC13 和PAC10 的瀝青用量則為5.5%.表中：MS 為馬歇爾穩定度（Marshall stability）；γf為毛體積相對密度；γt為最大理論相對密度.由表2 可知：集料的最大公稱粒徑越大，混合料的TSR 與劈裂強度越大；隨著最大公稱粒徑的減小，透水瀝青混合料的TSR、劈裂強度、MS、γf及γt都逐漸降低.

表2 不同級配規格透水瀝青混合料的性能試驗結果Tab.2 Performance test results for different types of PAC

圖3（a）展示了在理想瀝青混合料劈裂試驗中，試件在端部施加壓力后應力在xy平面上沿y軸方向上的分布情況.在試件頂端部位從上到下為逐步遞減的壓應力，達到一定的深度，y軸上的壓力由壓應力轉變為拉應力，且在試件中間部位均勻分布.圖3（b）展示了瀝青混合料試件在端部受壓后的開裂情況，在端部形成以一個楔形的受壓區域，在試件中 間部位產生裂紋.

圖3 劈裂試驗試件應力分布及開裂示意Fig.3 Stress distribution and cracking in splitting test

研究表明：骨料粒徑越大，其尺寸效應越明顯，所以試樣的受壓面積越大，楔體的破壞面積越大.同時混合料粒徑越大，粗骨料比例越高，越容易形成粗骨料嵌擠結構，且剪切破壞面抗變形阻力較大，粗骨料間抗剪切強度也越大[15].對于大粒徑透水混合料，其劈裂強度由端部壓縮剪切和內部拉力共同提供，而小粒徑透水混合料，由于端部受壓區較小，剪切面抗剪強度低，劈裂強度主要由抗拉強度決定.同時，大粒徑透水混合料抗壓強度高，延緩了邊緣壓碎的進程，提高抗劈裂的能力.雖然小粒徑透水瀝青混合料的瀝青膜厚度較大粒徑透水瀝青混合料的要大，試件內部受拉區域的抗拉強度要高，但是綜合來看，大粒徑混合料的TSR 與劈裂強度均大于小粒徑混合料.透水瀝青混合料的劈裂強度和劈裂強度比受混合料最大公稱粒徑的影響比較大.這與理想劈裂試驗模型基本假設不一致，因此傳統凍融劈裂實驗并不適用于大公稱粒徑混合料，針對大粒徑混合料的水穩定性應設計進一步的試驗驗證.

2.4 消石灰摻量影響

在前期凍融劈裂研究中，對破壞之后的馬歇爾試件斷裂面進行了觀察，發現馬歇爾試樣中存在較大的有色集料裸露區域，如圖4 所示.圖4 表明試件破壞大多位于有色集料和瀝青界面，說明有色集料和瀝青之間的黏附性比較差，影響了馬歇爾試件的劈裂強度和TSR.

圖4 不同級配規格混合料的凍融劈裂剖面Fig.4 Freeze-thaw splitting fractural surfaces of mixtures with different NMPS

本文選擇對TSR 與劈裂強度較低的PAC13 和PAC10 混合料作為研究對象，分析不同消石灰摻量對集料和膠結料界面黏附性的改善效果.

圖5 展示了不同消石灰摻量對PAC13 和PAC10混合料試件的凍融劈裂強度和TSR 的影響.其中，橫坐標標值依次分別表示級配規格、SBS 摻量、粗橡膠粉摻量及消石灰摻量，如：“PAC13，4%，15%，2%”表示SBS、粗橡膠粉、消石灰摻量分別為4%、15%、2%的PAC13 透水瀝青混合料.

由圖5 看出：在橡膠粉與SBS 摻量固定的情況下，將部分礦粉替代為消石灰后，摻加消石灰能有效地提高瀝青的劈裂強度及TSR.PAC10 與PAC13摻加2%消石灰后，混合料的TSR 值均較大幅度提高.然而，PAC13 未凍融試件劈裂強度略微降低，PAC10 試件則有所提升，兩種級配規格的混合料試件凍融劈裂強度均提升，這說明添加消石灰對凍融后試件的抗水損害能力提升更明顯，進而提高透水瀝青混合料的TSR 值.此外，在不摻加消石灰的情況下，8% SBS 改性瀝青可有效改善透水瀝青混合料的抗水損害性能，TSR 值超過87%.在消石灰摻加為1%時，PAC13 與PAC10 瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均有大幅度提升，而當摻加2%消石灰后，劈裂強度優于不摻加消石灰時，但是提升有限.

圖5 不同消石灰摻量對凍融劈裂強度的影響Fig.5 Influence of slaked lime contents on freeze-thaw splitting strengths

分析可知，由于消石灰的比表面積為700 m2/kg，而石灰巖礦粉的比表面積僅有300 m2/kg，所以較大的比表面積使瀝青與細分填料間的接觸面增大，提高了瀝青膠漿的內聚力，進而提高透水瀝青混合料的劈裂強度.同時，堿活性的消石灰能和瀝青中的有機酸反應生成強吸附性的鈣鹽，并且能活化集料表面，降低集料表面的負電荷與表面能，減小與氫鍵親和性，從而使集料表面不易被水所浸潤，提高了集料與瀝青間抵抗水剝離的能力[16].

綜上所述，在大孔隙透水瀝青混合料中用消石灰取代礦粉，可以有效提高瀝青膠漿的內聚力，有利于提高混合料的水穩定性.

2.5 級配的影響

本文針對PAC10 和PAC13 分別選取5 種級配，對PAC16 和PAC20 分別選取4 種級配來研究混合料級配對混合料抗水損害性能的影響，具體級配參數參見表1.所有混合料均采用6%SBS，10%粗橡膠粉復合改性瀝青，并測定排水瀝青混合料的未凍融劈裂強度、凍融劈裂強度及TSR.以各篩孔通過率的變化來代表級配的變化，采用灰關聯度分析法（grey relational analysis，GRA）研究各篩孔通過率的變化對劈裂強度與TSR 的影響.灰關聯值越高，代表比較對象和參考對象之間關聯程度越高[17].

本文分別對透水瀝青混合料的劈裂強度、凍融劈裂強度、TSR 值關于各篩孔通過率變化進行灰色關聯度統計分析，研究篩孔通過率與劈裂強度、TSR關聯的緊密程度（R值），具體結果如圖6 所示.

圖6 各篩孔通過率與劈裂強度、TSR 灰色關聯度結果Fig.6 Gray correlations between passing percentages of each sieve size，splitting strength and TSR

對于PAC10，除4.750 mm 篩孔外，其余各篩孔通過率與未凍融的劈裂強度關聯度較大，在1.180 mm篩孔處最大，接近0.85；對于凍融后劈裂強度，篩孔尺寸越小，其對凍融后的劈裂強度關聯度越大，0.075 mm 篩孔影響最大，這說明細集料對PAC10的抗水損害能力改善作用最大；而對于TSR，4.750 mm篩孔變化對其影響最大，其余小于4.750 mm 的篩孔變化的影響較小.對于PAC13，其篩孔越小，篩孔對劈裂強度的關聯度越小，在1.180 mm 篩孔處，關聯度最大.至于TSR，9.500 mm 與4.750 mm 的篩孔與TSR 的關聯度明顯大于其余較小篩孔.對于PAC16與PAC20，篩孔尺寸在4.750 mm 及以下時其變化對混合料的劈裂強度影響較大，PAC16 的4.750 mm及以下篩孔變化對TSR 影響顯著，而PAC20 各篩孔變化對TSR 影響相似，相關度均很高.

級配的變化會影響混合料中骨料、膠結料及空氣三相結構的分布變化，特別是混合料內部封閉孔隙、半連通孔隙以及連通孔隙的大小與比例，這就導致了混合料的水穩定性的差別.對于不同最大公稱粒徑的混合料，影響（未）凍融試件的劈裂強度和TSR 的關鍵篩孔不同，說明對于不同最大公稱粒徑混合料，影響其抗水損害性能的粗細集料界定是不一樣的，應根據具體情況具體分析.

總之，級配對混合料的影響很顯著，對于同一種粒徑的混合料，級配越細，其水穩定性越好，但是應在保障排水混合料的排水性能前提下去優化細化級配.

2.6 瀝青用量的影響

不同規格透水瀝青混合料級配不同，細集料含量不同，礦料的比表面積不同，導致所需瀝青含量也不同.圖7 展示了不同瀝青用量的對透水混合料凍融劈裂強度的影響.

圖7 不同瀝青用量的混合料凍融劈裂結果Fig.7 Freeze-thaw cracking results of mixtures with different asphalt contents

由圖7 可知：提高瀝青用量，并不能顯著提升混合料的抗水損害能力，且隨著最大公稱粒徑變小，增加瀝青用量對劈裂強度的改善由正相關變為負相關；提升瀝青用量對PAC20 提升明顯，也會增大PAC16 的劈裂強度；而對于PAC13 來說，瀝青用量對劈裂強度的影響很小，但是會降低PAC10 混合料的劈裂強度.

分析原因，在瀝青未達到最佳用量前，增加瀝青用量會使得瀝青與混合料骨料的接觸面積增多，瀝青膜厚度增加，這就使得瀝青的劈裂強度增加，當瀝青膜厚度在一定范圍內時，其抗水損害性能基本不會變化[18].當瀝青用量超過最佳用量后，富余的瀝青形成不了結構瀝青，成為自由瀝青，自由瀝青的黏結能力小于結構瀝青，所以會降低瀝青與集料的黏附性，降低劈裂強度，由此可以看出，PAC20 與PAC16的最佳油石比在6.0%左右，而PAC13 和PAC10 的最佳油石比在5.5%附近.但是瀝青用量對于瀝青凍融前和凍融后的瀝青與集料的黏結性能影響是一致的，在一定瀝青用量范圍內，瀝青用量的增加，并不會增大透水瀝青混合料的TSR 值，對透水瀝青混合料的抗水損害能力的改善有限.

總之，對于透水瀝青混合料來說，在一定瀝青用量范圍內，瀝青用量的改變對其水穩定性沒有太大影響，所以在混合料配合比設計時，最佳瀝青用量可以根據析漏和飛散實驗確定.

3 結 論

1）在透水混凝土中使用粗橡膠粉SBS 復合改性瀝青可以提高透水混合料的水穩定性.增加SBS和粗橡膠粉含量，可以改善透水瀝青的水穩定性能.雖然增加橡膠粉摻量會降低透水瀝青混合料的劈裂抗拉強度，但會增加TSR 值.綜合考慮透水瀝青水穩定性能和材料成本，建議添加6% SBS 和10%粗橡膠粉.

2）在透水瀝青混合料中，如果所用集料黏附性差，可以使用消石灰來部分代替礦粉，可有效提高瀝青膠漿的內聚力，改善其水穩定性能，本文中所采用消石灰摻量為2%.

3）級配組成對混合料性能影響顯著.對于PAC10，4.750 mm 篩孔為影響抗水損害性能的關鍵篩孔；對于PAC13，4.750 mm 與9.500 mm 篩孔為關鍵篩孔；對于PAC16，4.750 mm 及以下篩孔為關鍵篩孔；對于PAC20，各篩孔對混合料抗水損害性能影響程度相同.這為根據水穩定性性能來調整排水混合料級配提供了有效的理論指導.但是在調整級配時應兼具排水與抗水損害性能，應在保證多孔瀝青混凝土排水性能的前提下，對級配進行優化，提高抗水損害性能.

4）透水瀝青混合料的劈裂強度與集料性能、瀝青膜厚度、瀝青膠漿的抗拉強度和界面黏結強度有本質關系.但是本文沒有從微觀的角度考慮，有待進一步的深入研究.此外，通過對劈裂實驗分析，發現劈裂實驗對于大粒徑混合料的水穩定性評價并不準確，所以針對大粒徑混合料的水穩定性應該提出新的評價方法和評價指標.