橡膠對瀝青及混合料性能影響研究

李榮鋒

（佛山市高明區(qū)城市重建和項(xiàng)目代建中心，廣東佛山 528200）

0 引言

橡膠作為一種優(yōu)良的瀝青改性劑，橡膠改性瀝青在高溫流變、低溫流變、抗老化性和抗疲勞性等路用性能上有良好的表現(xiàn)。不同于常用的SBS、SBR等改性添加劑，橡膠作為一種石化產(chǎn)品，與瀝青同屬于高分子有機(jī)材料，根據(jù)相似相溶原理，兩者具有一定的親和性[1]。橡膠的加入，不僅可以提高瀝青混合料的路用性能，還能夠?qū)徑猸h(huán)境壓力、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展等取得良好效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。國外對橡膠瀝青混凝土研究較早，已經(jīng)取得一部分成果，南非60%以上道路瀝青使用橡膠瀝青，而且路面的熱穩(wěn)定性與低溫性能都較好[5]。目前中國已有多條道路鋪設(shè)試驗(yàn)段，但對橡膠瀝青與基質(zhì)瀝青之間性能對比研究較少，對橡膠改性瀝青混合料路用性能也少有了解。因此，本文采用針入度、軟化點(diǎn)、延度、針入度指數(shù)以及彈性恢復(fù)等指標(biāo)分析評價(jià)橡膠改性瀝青并與基質(zhì)瀝青做對比。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評價(jià)橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性能等，從而全面研究橡膠對瀝青及其混合料性能的影響，為橡膠瀝青的研究推廣打下基礎(chǔ)。

1 1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 1 原材料

（1）礦料。本試驗(yàn)所采用粗、細(xì)集料均為玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r礦粉。粗、細(xì)集料及礦粉檢測試驗(yàn)方法參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ058-2004)[6]，經(jīng)試驗(yàn)測定其質(zhì)量指標(biāo)均符合《公，路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[7]。

（2）基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青采用殼牌AH-70#瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 052-2000）[8]和試驗(yàn)方法測定各項(xiàng)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求，各項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 殼牌70#瀝青技術(shù)要求

（3）橡膠粉。橡膠粉采用某公司生產(chǎn)的60目優(yōu)質(zhì)橡膠粉，其各項(xiàng)指標(biāo)所需滿足要求參照ASTM D6114[9]，規(guī)范要求與橡膠試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。橡膠摻量為橡膠質(zhì)量與橡膠瀝青質(zhì)量之比，試驗(yàn)所選摻量分別為12%、15%、18%、21%、24%。

表2 橡膠粉技術(shù)要求

1.2 橡膠改性瀝青及其混合料制備方法

1.2.1 1橡膠改性瀝青制備方法

110℃下烘干膠粉中水分，采用高速剪切儀邊攪拌邊加入橡膠粉，速度由慢至快，先1 000 rpm轉(zhuǎn)速攪拌10 min，再4 000 rpm攪拌60 min，攪拌溫度控制在180±5℃使橡膠粉充分均勻分散于基質(zhì)瀝青中，得到橡膠改性瀝青。

1.2.2 橡膠改性瀝青混合料制備方法

橡膠改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料級配均采用AC-16C。瀝青混合料通過成型馬歇爾試件計(jì)算各組試件的礦料間隙率、密度、瀝青飽和度、空隙率，最后將成型的試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，得到最佳油石比，基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比為4.5%，橡膠摻量為18%的橡膠改性瀝青混合料最佳油石比為6.2%。橡膠改性瀝青混合料馬歇爾成型方法與基質(zhì)瀝青混合料成型方法并無差別，只是拌合溫度與壓實(shí)溫度要求更高，拌合溫度控制在170℃左右，壓實(shí)溫度控制在160℃左右。特別注意橡膠改性瀝青混合料的初凝時(shí)間較長，試件需室溫養(yǎng)生5 d后方能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。AC-16C級配見表3。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）采用針入度、軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)評價(jià)橡膠改性瀝青的高溫性能，采用低溫延度與當(dāng)量脆點(diǎn)評價(jià)橡膠改性瀝青的低溫性能，采用針入度指數(shù)PI評價(jià)橡膠改性瀝青的溫度敏感性，采用彈性恢復(fù)性能指標(biāo)用來反映改性瀝青彈性增加的程度。

（2）分別采用車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲疲勞試驗(yàn)以評價(jià)橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性能。

2 橡膠對瀝青性能的影響研究

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及參考大量文獻(xiàn)，試驗(yàn)選取5個(gè)摻量，分別為12%、15%、18%、21%、24%。對基質(zhì)瀝青改性并采用相關(guān)試驗(yàn)方法研究橡膠對瀝青性能的影響，確定橡膠最佳摻量。不同橡膠摻量對基質(zhì)瀝青改性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2.1 高溫性能

基質(zhì)瀝青經(jīng)橡膠粉改性后，針入度降低，軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)升高，結(jié)果表明瀝青改性后高溫性能得到提高。橡膠粉摻量為18%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)最高；摻量為21%時(shí)，針入度最低。

2.2 低溫性能

基質(zhì)瀝青經(jīng)橡膠粉改性后，延度增加，表明改性瀝青在低溫狀態(tài)下具有較強(qiáng)的變形能力；同時(shí)當(dāng)量脆點(diǎn)降低，可以有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性。延度在摻量為21%時(shí)達(dá)到最高，而當(dāng)量脆點(diǎn)在摻量為18%時(shí)達(dá)到最低值。

2.3 溫度敏感性

基質(zhì)瀝青經(jīng)橡膠粉改性后，針入度指數(shù)升高，溫度敏感性降低，摻量為18%時(shí)，達(dá)到最高值。

2.4 彈性恢復(fù)

基質(zhì)瀝青經(jīng)橡膠粉改性后，彈性恢復(fù)性能逐步提高。

表3 AC-16C級配組成

表4 不同摻量橡膠改性瀝青技術(shù)結(jié)果

綜合各種性能，并考慮到路面壓實(shí)與經(jīng)濟(jì)性，推薦橡膠改性瀝青采用18%的橡膠粉摻量，其綜合性能最佳。

3 橡膠對瀝青混合料性能的影響研究

采用橡膠摻量為18%的橡膠改性瀝青成型試件，分別進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性等性能的研究，并與基質(zhì)瀝青混合料做對比，研究評價(jià)橡膠對瀝青混合料性能的影響程度。

3.1 高溫穩(wěn)定性分析

采用車轍試驗(yàn)，測得動(dòng)穩(wěn)定度以研究評價(jià)橡膠改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

表5可以看出：添加18%橡膠粉后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有較大提高，表明橡膠粉的添加有利于提高基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

3.2 低溫抗裂性分析

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度選用-15℃，測試試件的破壞應(yīng)變和勁度模量等指標(biāo)，用以研究評價(jià)橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6顯示：改性后瀝青混合料破壞應(yīng)變有了較大的提高，但勁度模量有所增長。破壞應(yīng)變顯示橡膠改性瀝青混合料低溫抗裂性要優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，但勁度模量數(shù)據(jù)卻顯示低溫抗裂性較差，這是由于橡膠粉的添加會(huì)增加瀝青粘性，導(dǎo)致低溫抗彎拉強(qiáng)度提高，因此破壞勁度模量反而增加。

3.3 水穩(wěn)定性分析

對瀝青混合料分別采取浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，利用殘留穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度比評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)顯示無論是殘留穩(wěn)定度還是凍融劈裂強(qiáng)度比，橡膠改性瀝青混合料均有交大提升，這表明橡膠粉的添加可以有效增加瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4 抗疲勞性分析

采用15℃小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，利用疲勞次數(shù)研究評價(jià)橡膠改性瀝青混合料的抗疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 瀝青混合料小梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明橡膠改性瀝青混合料抗疲勞性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，這是由于橡膠粉的加入可以使增強(qiáng)混合料的柔韌性，從而提高疲勞壽命。

4 4 結(jié)論

通過采用針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)，研究橡膠對基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、溫度敏感性以及彈性回復(fù)等性能的影響，并進(jìn)一步利用車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)、15℃小梁彎曲疲勞試驗(yàn)對橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行了全面深入的研究。主要結(jié)論有：

（1）基質(zhì)瀝青經(jīng)過橡膠粉改性后，高溫性能提高、低溫延度增加、溫度敏感性降低、彈性恢復(fù)能力提高。在此基礎(chǔ)上平衡各種性能，確定橡膠粉添加比例為18%時(shí)，其綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

（2）橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性等路用性能都好于基質(zhì)瀝青混合料。

[1]王偉.橡膠瀝青混合料高溫性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[2]李培蕾.橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究[D].陜西西安:長安大學(xué),2012.

[3]史經(jīng)春.不同級配橡膠瀝青混合料疲勞性能研究[J].湖南交通科技,2014,40(3):38-40.

[4]黃衛(wèi)東,王 翼,高川,等.橡膠瀝青混合料的疲勞性能[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(11):1482-1486.

[5]柳芒英.橡膠粉改性瀝青及其混合料路用性能研究[D].江蘇南京:南京林業(yè)大學(xué),2009.

[6]JTJ058-2004,公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[8]JTJ052-2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[9]ASTMD6114,Standard Specification for Asphalt-Rubber Binder[S].AJneriean Soeiety for Testing and Materials,1997.