水-熱作用下膠粉改性瀝青漢堡車轍高溫性能

鄭茂

(四川交投建設工程股份有限公司， 成都 610000)

采用橡膠粉對基質瀝青進行改性，既可以有效提高瀝青的路用性能，又可以充分利用廢舊橡膠輪胎，多年來一直是中外關于瀝青材料的研究熱點[1]。近年來，隨著技術的發展，膠粉改性瀝青成為僅次于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(styrene butadiene styrene triblock copolymer，SBS)改性瀝青的一種主要改性瀝青。

隨著橡膠瀝青應用的普及，關于橡膠瀝青混合料高溫穩定性的研究逐漸完善。施瑞欣等[2]研究了橡膠粉的細度以及礦料級配對橡膠瀝青混合料抗車轍性能的影響，并提出采用較大粒徑的橡膠粉能夠較好改善其高溫穩定性。陳振華[3]對比了三種橡膠瀝青混合料的高溫穩定性，結果發現添加高模量劑的橡膠瀝青混合料與復合橡膠瀝青混合料具有明顯優異的高溫性能。蔡駿等[4]研究了溫拌橡膠瀝青混合料的高溫性能，并確定了其合適的施工溫度。在目前現有的研究與應用中，橡膠瀝青混合料瀝青用量普遍較高，有時甚至超過普通瀝青混合料的50%。在較高油石比下，其高溫穩定性雖然較基質瀝青有所增長，但與SBS改性瀝青相比還有較大差距。在考慮高溫穩定性影響因子上，較多的研究涉及橡膠粉的種類、摻量以及級配因素，但很少考慮溫度與水等外界環境因子在試驗中的作用[5]；在試驗方法上，國內關于橡膠瀝青混合料高溫穩定性的研究，基本是采用國產車轍試驗方法，該試驗只能評價瀝青混合料在單一干燥環境下的抗車轍能力，而實際工程中由于瀝青路面會經受多重環境因素下的車輪碾壓作用[6-7]。因此關于評價橡膠瀝青在水-熱綜合條件下抗車轍性能，還存在較大的研究空間[8-9]。

此外，由于制備工藝的限制，橡膠瀝青中的膠粉與瀝青不相容，導致橡膠瀝青不能穩定存貯，生產、運輸和使用都不方便，也增加了質量控制的難度，這種缺點影響了瀝青混合料的路用性能，這阻礙了橡膠瀝青在國內外的進一步推廣與應用[10]。Terminal Blend膠粉改性瀝青(簡稱“TB膠粉改性瀝青”)是近年在美國發展起來的一種新型改性瀝青，其主要是由30目或者更細的膠粉顆粒改性，讓膠粉在瀝青制備過程中發生高溫脫硫反應，可以較快地分解并與瀝青相融合。該種改性瀝青在儲存穩定性和經濟性上有優勢，且具備環保意義，有較大研究價值。

結合中外現有研究來看，大部分研究均是針對橡膠類瀝青及其混合料的綜合路用性能評價，在其高溫穩定性能相關研究方面，大多是考慮瀝青及混合料本身種類等內因對其高溫穩定性的影響，而較少關注溫度與水等外界環境因子對實驗結果的影響[11-12]。而在實際瀝青路面中，由于雨水與車輪碾壓帶來的動水壓力會對瀝青混合料的性能造成較大損害。因此，若要通過室內實驗評價瀝青混合料在路面的真實高溫性能表現，需要將動水沖刷的外界因素考慮其中。在現有的業內實驗設備中，漢堡浸水車轍試驗能夠評價瀝青混合料高溫抗車轍和抗水損害綜合性能[13-15]。因此，現借助浸水漢堡車轍試驗，探究不同種類及摻量的橡膠類改性瀝青混合料在水-熱綜合作用下的高溫性能，能夠為車轍高發地區和高溫多雨地區道路的建設提供可靠的技術支撐，以期為地區經濟增長和社會可持續發展提供有力的保障，也能夠填補橡膠類改性瀝青在浸水條件下高溫性能方面的研究不足。

1 實驗材料與實驗方案

1.1 實驗材料

1.1.1 瀝青材料

實驗材料包括70#基質瀝青、普通橡膠瀝青、TB膠粉改性瀝青及TB復合改性瀝青。其中，瀝青材料均為試驗室配制，普通橡膠瀝青使用蘇州產30目膠粉；TB溶解性膠粉改性瀝青使用蘇州產60目膠粉。

由于對廢舊橡膠的使用，TB膠粉改性瀝青與傳統橡膠瀝青一樣具有良好的社會和環保效應。在性能上，國外既有的實驗室評價、加速加載試驗、現場試驗路等表明具有良好的高溫與低溫性能，并可穩定存貯和工廠化生產，具有比傳統橡膠瀝青更為良好的儲存穩定性(TB膠粉瀝青與傳統橡膠瀝青的對比如圖1所示)，工程應用成本也低于SBS改性瀝青和傳統橡膠瀝青。但膠粉在瀝青中深度脫硫降解后，將會導致改性瀝青的模量降低，彈性性能大幅降低，對力學性能產生不利影響。因此可考慮對TB膠粉改性瀝青進行復合改性，向脫硫降解后的膠粉-瀝青體系中加入少量聚合物、交聯劑之后，可獲得較好的彈性性質，使得混合料性能得以提升，這是關于TB瀝青混合料應用研究的重要方向。

圖1 TB溶解性膠粉改性瀝青與普通橡膠瀝青Fig.1 Terminal blend rubberized asphalt and traditional crumb rubber-modified asphalt

各類瀝青的改性劑摻量及制備工藝如表1所示。

1.1.2 集料

瀝青混合料(除橡膠瀝青混合料)均選用AC-13級配，而橡膠瀝青混合料采用ARAC-13。AC-13及ARAC-13級配情況如表2所示。AC-13混合料油石比統一采用5.0%，ARAC-13混合料油石比采用6.5%。

表1 膠粉改性瀝青摻量及制備工藝Table 1 Dosages and preparation technology of rubber asphalt

表2 AC-13及ARAC-13瀝青混合料的級配Table 2 Asphalt mixture gradation for AC-13 and ARAC-13

1.2 浸水漢堡車轍實驗方法

采用源自德國的漢堡車轍試驗方法。國外的大量研究和實踐認為，漢堡車轍試驗與公路實際路用性能相關性很好，該試驗可以在水浴條件下進行，試驗溫度可調，儀器精確性較高，能夠測定混合料的蠕變斜率、剝落斜率和車轍深度等指標，用以反映混合料的高溫性能和抗水損壞性能，實現評價瀝青混合料在水熱綜合作用下的高溫性能這一目標[16]。漢堡車轍實驗所用儀器及試模尺寸如圖2所示。實驗中，圓柱體試件高度控制在(62±1) mm，目標空隙率為7%±1%。實驗中，去除試驗結果變異系數大于15%和意外破壞試件，保證同一條件下獲取3個平行試驗結果。

圖2 漢堡車轍試驗儀及試件模具尺寸示意圖Fig.2 Hamburg wheel tracking tester and dimensions of the sample

漢堡車轍實驗在浸水條件下進行。參見AASHTO T324，水浴溫度一般采用40～50 ℃，經查閱資料，國外大多研究在進行表面層混合料車轍試驗時采用50 ℃，本文研究中混合料公稱粒徑為13 mm，通常用于表面層，因此確定采用水浴溫度為50 ℃。實驗中，采用鋼輪進行往復碾壓加載，最大加載次數為20 000次，最大允許車轍深度為20 mm，達到以上兩條件中任一條便停止實驗。

2 實驗結果與討論

利用浸水漢堡車轍試驗，對普通橡膠瀝青、TB溶解性膠粉改性瀝青、TB復合改性瀝青混合料的高溫性能進行對比分析。

2.1 橡膠瀝青混合料漢堡車轍實驗結果

采用ARAC-13級配，以6.5%油石比制備試件，進行漢堡車轍試驗，部分試驗前及實驗后的試件如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青混合料車轍試驗前后表觀圖Fig.3 Appearance of crumb rubber-modified asphalt mixture samples before and after Hamburg wheel tracking test

不同橡膠粉摻量的混合料漢堡車轍試驗曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，當膠粉摻量為5%～15%時，隨著橡膠粉摻量的增加，試件的浸水漢堡車轍試驗曲線逐漸變得更加傾斜，這表明在此摻量范圍內，瀝青混合料抗水損害性能會隨著摻量的提升而下降。而當膠粉摻量提高至20%時，試件的浸水漢堡車轍試驗曲線則最為平緩，這表明在此摻量下，橡膠瀝青混合料的抗水損性能為最優。

圖4 不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青混合料漢堡車轍 試驗曲線圖Fig.4 HWT test curve of crumb rubber-modified asphalt mixtures with different rubber dosages

橡膠瀝青與基質瀝青混合料的高溫性能對比如圖5所示。

橫軸中的5%、10%、15%、20%分別表示橡膠瀝青中的 不同膠粉摻量圖5 基質瀝青與不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青混合料 高溫性能對比Fig.5 High temperature performance comparison of base asphalt and crumb rubber-modified asphalt mixtures with different rubber dosages

從圖5中可以看出，混合料的抗蠕變速率隨橡膠粉摻量的提高呈現出先減小后增大的現象。橡膠粉摻量達到10%～15%時，抗蠕變速率達到最小值，此時混合料在蠕變階段抗車轍變形能力最差。當橡膠粉摻量小于15%時，隨著摻量的增加，抗蠕變速率隨摻量變化的敏感度在增高，表明橡膠粉摻量較小時，膠粉含量的變化對混合料高溫性能影響較小。當橡膠粉摻量大于15%時，隨著摻量的增加，抗蠕變速率增長較快，表明膠粉摻量的提升會明顯增強混合料在浸水條件下的高溫抗車轍性能。類似地，橡膠瀝青摻量從5%～20%變化的過程中，總變形速率數值先增大后減小。當摻量值小于15%時，增加橡膠粉用量會減弱混合料的抗變形能力；而當摻量大于15%時，增加橡膠粉用量會增強混合料的抗變形能力，混合料變形速率減慢。

瀝青膠體結構理論認為，膠體的流變學性質隨分散相在膠體中的濃度變化而變化，同時還與分散介質的黏度有關[17]。橡膠瀝青是分散相(溶脹橡膠粉)分散在分散介質(基質瀝青)中的膠體。橡膠瀝青作為一種分散體系，其性能主要由分散相和分散介質共同決定。當摻量低于15%時，改性瀝青分散體系的性能貢獻中分散介質(基質瀝青)貢獻占比更大，而分散相(溶脹橡膠粉)對整個分散體系的性能貢獻較小。當橡膠粉摻量在0～15%區間內變化時，橡膠顆粒越多越多，會改變瀝青與集料接觸時的界面分布狀況，降低瀝青與集料的粘結作用。在漢堡車轍實驗中體現為隨橡膠粉增加，混合料變形速率加快，抗車轍變形能力下降。

而當橡膠粉摻量在15%～20%時，混合料在水-熱綜合作用下的高溫性能隨膠粉摻量增加而增強。此時在橡膠瀝青中，分散相由橡膠粉及其吸附的瀝青組成，橡膠粉摻量越大，吸附的基質瀝青組分越多，則分散相體積濃度越大，會提高分散體系的黏度，改性瀝青軟化點增高，混合料抵抗變形的能力會增強[18]；分散介質包括自由瀝青和部分橡膠粉顆粒降解后溶解在瀝青中的低分子量成分。橡膠粉摻量越大，吸收的自由瀝青越多，特別是基質瀝青中的輕質組分會在膠粉溶脹過程中被吸收，輕質組分的減少會導致自由瀝青黏度增大，另外，部分膠粉顆粒降解后溶解在瀝青中的低分子量橡膠成分對自由瀝青有改性作用，也會增強自由瀝青部分的黏度。總體上，混合料抗變形能力會增強。

2.2 TB膠粉改性瀝青混合料漢堡車轍實驗結果

對TB膠粉改性瀝青混合料進行了浸水漢堡車轍實驗，試驗前后試件狀態如圖6所示。

圖6 TB膠粉改性瀝青混合料車轍試驗前后表觀圖Fig.6 Appearance of TB rubberized asphaltmixture samples before and after HWT test

不同TB膠粉摻量下的混合料漢堡車轍試驗曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，大體上，隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青混合料試件的漢堡車轍試驗曲線逐漸變得更加傾斜。這說明TB膠粉改性瀝青混合料在水熱綜合作用下的抗車轍性能會隨著TB膠粉摻量的增加而減弱。

圖7 不同TB膠粉摻量下的混合料漢堡車轍試驗曲線圖Fig.7 HWT test curve of TB rubberized asphalt mixtures with different rubber dosages

TB膠粉改性瀝青混合料與基質瀝青混合料的高溫性能對比如圖8所示。

橫軸中的5%、10%、15%、20%分別表示TB膠粉 改性瀝青中的不同TB膠粉摻量圖8 基質瀝青與不同膠粉摻量的TB膠粉改性瀝青 混合料高溫性能對比Fig.8 High temperature performance comparison of base asphalt and TB rubberized asphalt mixtures with different rubber dosages

從圖8可知，隨著TB膠粉摻量增高，抗蠕變速率的總體變化趨勢是在減小，表明混合料在蠕變階段抗車轍能力的減弱；TB膠粉摻量5%的TB瀝青混合料抗蠕變速率值比基質瀝青混合料降低約15%；TB膠粉摻量從5%～15%變化過程中，抗蠕變速率值變化幅度較小，基本處于600～630次/mm的區間范圍，變化幅度在5%以內；當TB膠粉摻量增至20%，抗蠕變速率值有較大程度的減小，相較基質瀝青混合料數值降低近40%。

隨著TB膠粉摻量增高，總變形速率的變化趨勢是在增大，且其增大幅度也在變大，表明混合料在漢堡車轍試驗全過程中抗車轍能力在減弱；橡膠粉摻量較高時，改變膠粉摻量對TB瀝青混合料總變形速率指標的影響更為顯著。

TB膠粉的加入會導致溶解性膠粉改性瀝青混合料在水-熱綜合作用下的高溫性能降低，高溫變形速度增大。根據此前研究[19-21]，膠粉在瀝青中深度脫硫降解后，將會導致基質瀝青的模量降低，瀝青變軟，同時彈性性能大幅降低，對力學性能產生不利影響；TB膠粉成分的存在，會改變基質瀝青與集料接觸時的界面分布狀況，會降低瀝青與集料的黏結作用，水會更容易侵入瀝青和集料界面導致瀝青剝落，造成混合料黏結力衰減迅速，在漢堡車轍試驗過程中就會出現車轍變形速度快的現象；此外，TB膠粉與瀝青的反應過程中，發生物質交互作用，膠粉在瀝青中發生物理溶脹的過程中會吸收瀝青中的輕質組分，而膠粉會釋放出炭黑等礦物填料到瀝青相中。瀝青輕質組分的喪失會導致瀝青與集料之間黏結力的減弱，也會造成混合料在水-熱綜合作用下的抗車轍能力減弱。

2.3 TB復合改性瀝青混合料漢堡車轍實驗結果

TB膠粉改性瀝青雖然經過脫硫降解，提高了改性體系的存貯穩定性，但由于高溫脫硫降解會大幅降低了改性瀝青的力學性能，在水-熱綜合作用下的抗車轍變形能力甚至低于基質瀝青混合料。為了提高TB膠粉改性瀝青的性能，加入線型SBS改性劑對其進行復合改性，研究TB復合改性瀝青混合料的高溫性能。與基質瀝青一樣，TB膠粉改性瀝青混合料采用AC-13級配，以5.0%油石比制備試件，進行漢堡車轍試驗，試驗前后試件表觀如圖9所示。

圖9 TB+SBS復合改性瀝青混合料車轍試驗前后表觀圖Fig.9 Appearance of TB+SBS composite modified asphalt mixture samples before and after HWT test

不同TB+SBS復合改性瀝青混合料的漢堡車轍試驗曲線圖及其與TB膠粉改性瀝青混合料的高溫性能對比分別如圖10和圖11所示。

從圖11中可以看出，對于固定膠粉摻量下的TB+SBS復合改性瀝青混合料,在1%～3%范圍內，隨著SBS摻量增高，抗蠕變速率的總體變化趨勢均在增大，表明混合料的抗車轍能力隨著SBS摻量的增加而增強，從圖6中試件的車轍深度對比中也能得到與此一致的結論。隨著SBS摻量的增加， 抗蠕變速率的增大幅度也在變大，表明SBS 改性劑摻量較高時，變化改性劑摻量對該指標的影響更為顯著。

在15%TB膠粉摻量下，總變形速率隨SBS摻量(1%～3%)的增加而減小，在1%和2%SBS摻量下的總變形速率值非常接近，僅相差約2%。當SBS摻量增加至3%時，總變形速率值減小較多，相比1%SBS摻量時減小了約26.6%。在20%TB膠粉摻量下，也有類似的變化趨勢：1%與2%SBS對混合料高溫性能的影響相差很小，當SBS摻量達到3%時，才有明顯的改善作用。

圖10 TB+SBS復合改性瀝青混合料漢堡車轍試驗曲線圖Fig.10 HWT test curve of TB+SBS composite modified asphalt mixtures

圖11 TB膠粉改性瀝青混合料與不同TB+SBS復合改性瀝青混合料高溫性能對比Fig.11 High temperature performance comparison of TB rubberized asphalt mixture and TB+SBS composite modified asphalt mixture

總體看來，線型SBS的加入，極大地提高TB改性瀝青混合料在水-熱作用下的抗車轍性能。當橡膠粉摻量小于20%時，TB+SBS復合改性瀝青混合料的高溫性能隨橡膠粉摻量增加而增強，在20%橡膠粉摻量下混合料高溫性能較優。在蠕變階段，TB膠粉瀝青混合料的抗蠕變速率隨著橡膠粉摻量增高而減小，但TB+SBS復合改性瀝青混合料抗蠕變速率隨橡膠粉摻量增高而增大。這說明線型SBS的摻入完全改變了TB膠粉瀝青的體系，提高了瀝青混合料的高溫性能。在蠕變階段，SBS成分的改性作用占主導作用，SBS網格體系的存在能限制瀝青的自由流動，增強瀝青黏度，阻止水對瀝青膜的侵入。在水不能進入集料和瀝青界面的情況下，TB膠粉成分的存在也能對混合料高溫性能有所幫助。

3 結論

采用浸水漢堡車轍實驗，對橡膠瀝青、TB溶解性膠粉改性瀝青及得出以下主要結論。

(1)對于普通橡膠瀝青，當橡膠粉的摻量不超過15%時，膠粉摻量的增加會導致瀝青混合料浸水條件下高溫性能的下降；當橡膠粉摻量大于15%時，瀝青中的橡膠粉逐漸變為分散相，橡膠粉摻量越大，吸附的基質瀝青組分越多，則分散相體積濃度越大，會提高分散體系的黏度，改性瀝青軟化點增高，混合料抵抗變形的能力會增強。普通橡膠瀝青的橡膠粉摻量推薦采用內摻20%。

(2)對于TB膠粉改性瀝青，混合料在水-熱綜合作用下的高溫性能隨TB膠粉摻量的增加而降低。不宜將TB瀝青混合料直接用于高溫多雨地區瀝青路面中上面層。

(3)對于TB+SBS復合改性瀝青，線型SBS的加入，能明顯提高TB改性瀝青混合料在水-熱作用下的抗車轍性能。在TB+SBS復合改性瀝青中，推薦橡膠粉摻量采用內摻20%，20%TB+SBS復合改性瀝青混合料高溫性能隨SBS摻量的增加而增強，可根據性能需要和成本控制綜合選定SBS的摻量。