橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究

吉澤中，劉嘉偉，徐凱

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.昆山交通發(fā)展控股集團有限公司，江蘇 蘇州 215300）

近年來，復(fù)合改性瀝青技術(shù)得到了人們廣泛的關(guān)注。橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青不僅能充分發(fā)揮橡膠粉、SBS改性劑的優(yōu)勢[1-2]，并且可以減少SBS摻量，降低改性成本，有效緩解廢輪胎導(dǎo)致的“黑色污染”[3-4]。但由于橡膠粉表面呈現(xiàn)出較大的惰性，與瀝青之間的相容性較差[5]，而且橡膠粉摻量低時改性效果不明顯，橡膠粉摻量高時瀝青粘度大，施工溫度高，施工和易性差[6-8]。本研究通過對復(fù)合改性瀝青的性能影響研究得出橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的最佳橡膠摻量，以及確定其合理的施工溫度，并與SBS改性瀝青混合料做對比驗證其路用性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青：雙龍70#道路石油瀝青，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對其性能指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果見表1；橡膠粉：廢舊輪胎橡膠粉，20目（0.45 mm），是以廢舊輪胎為原材料，在常溫下經(jīng)過粉碎、分離、除金屬、篩選、活化、脫硫等一系列工序處理后制成，其技術(shù)性能見表2；SBS改性劑：YH-791型，其技術(shù)性能見表3；相容劑：一種芳烴抽出油，蠟含量低，硫含量低，毒性小，揮發(fā)份低，不易抽出，閃點高，耐高溫性好，芳香烴含量高，可取代酯類油，其技術(shù)性能見表4；穩(wěn)定劑：主要成分硫磺，其技術(shù)性能見表5。

表1 70#基質(zhì)瀝青瀝青的主要性能指標(biāo)

表2 橡膠粉的技術(shù)性能指標(biāo)

表3 SBS改性劑的技術(shù)性能指標(biāo)

表4 相容劑的技術(shù)性能指標(biāo)

表5 穩(wěn)定劑的技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

（1）瀝青常規(guī)性能：依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用環(huán)球法測試瀝青的軟化點；采用標(biāo)準(zhǔn)針貫入瀝青試樣的深度（以0.1 mm計）測試瀝青的針入度；采用延度儀測定瀝青的延度，以表征瀝青在一定條件下的變形能力。

（2）瀝青高溫性能：采用破壞溫度（Fail temperature）來評價橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性能。美國SHRP（Strategic Highway Research Program）計劃采用DSR通過測量瀝青膠結(jié)料的G*和相位角（δ）來體現(xiàn)瀝青的粘性和彈性，該指標(biāo)能反映荷載、時間和溫度變化是瀝青流變性質(zhì)的變化狀態(tài)[9]。試驗采用破壞溫度來評價瀝青的高溫性能。破壞溫度數(shù)值越大，說明膠結(jié)料抵御高溫的性能越佳。

（3）瀝青低溫性能：PG分級是20世紀(jì)90年代美國SHRP（strategic highway research program）計劃中提出的瀝青性能分級體系，本文以PG低溫分級溫度為評價瀝青低溫性能。采用小梁彎曲蠕變（BBR）試驗測試勁度S和蠕變速率m。S反映材料的低溫性能，S值越大，彎曲流變性能越差。m反映材料的松弛能力，m值越大，松弛能力越強，m值大的材料當(dāng)遇到溫度急劇下降時，往往不易開裂，具有較好的低溫性能[10]。Superpave膠結(jié)料規(guī)范規(guī)定蠕變勁度S不能過大，松弛速率m不能太小。JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》要求，60 s的蠕變勁度 S≤300 MPa，m≥0.3。

（4）瀝青抗老化性能：試驗通過對長期老化后的橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗（35～50℃，步長為3℃），確定不同溫度下10 rad/s時的G*·sinδ。依據(jù)Superpave膠結(jié)料中的研究成果，規(guī)定G*·sinδ=5.0 MPa時的溫度為極限疲勞溫度FTf。FTf可以確定瀝青在一定時間內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞的溫度，其中極限疲勞溫度越小，表明復(fù)合改性瀝青的疲勞溫度區(qū)域越大，瀝青的抗老化性能越好[11]。

（5）空隙率法確定施工溫度：依據(jù)JTG E20—2011，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實方法，在不同擊實溫度下制作復(fù)合改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)試件，分析擊實溫度對空隙率指標(biāo)的影響，確定復(fù)合改性瀝青混合料理想的擊實溫度。

（6）瀝青混合料路用性能：依據(jù) JTG E20—2011，在（60±1）℃、（0.7±0.05）MPa條件下，進(jìn)行車轍試驗以檢驗混合料的高溫穩(wěn)定性；采用試驗溫度（-10±0.5）℃、加載速率50 mm/min，對小梁試件進(jìn)行彎曲試驗，評價混合料的低溫性能；試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，評價混合料的水穩(wěn)定性能。

2 橡膠粉摻量對橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青性能的影響

選取SBS摻量為3.5%、相容劑摻量為1.5%、穩(wěn)定劑摻量為0.6%、發(fā)育時間為4 h，對不同橡膠粉摻量的橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能測試。

2.1 常規(guī)性能指標(biāo)

不同橡膠粉摻量對橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能的影響如表6所示。

表6 橡膠粉摻量對橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能的影響

由表6可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點逐漸升高，當(dāng)橡膠粉摻量由10%增至15%時，軟化點由73.8℃升至85.9℃，提高了12.1℃；但當(dāng)橡膠粉摻量繼續(xù)增加時，改性瀝青的軟化點升高幅度逐漸變緩。橡膠粉摻量對改性瀝青的針入度影響也較大，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸降低，因為瀝青膠體的液態(tài)油分中增加了固態(tài)顆粒的橡膠粉，從而使瀝青的粘度增大、針入度下降，而當(dāng)橡膠粉摻量增加到一定值時，橡膠粉已經(jīng)達(dá)到飽和，體系中低分子油分已經(jīng)被吸收殆盡，使得分子質(zhì)量小的成分減少，因此體系的針入度變化減緩。此外，橡膠粉的摻入對橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫延度有損害，即對其低溫性能不利。隨著膠粉摻量的增加，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫延度逐漸減小，橡膠粉摻量由15%增至20%時，其橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的延度降低幅度非常顯著。這是因為橡膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹作用，不能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延度試件在受拉時，基質(zhì)瀝青比橡膠粉顆粒模量低，在拉伸方向產(chǎn)生較大的應(yīng)變，自由瀝青的大變形能力和橡膠顆粒的低流動能力的矛盾趨于尖銳，當(dāng)橡膠粉摻量逐漸增大，誘發(fā)膠粉顆粒與瀝青界面的應(yīng)力集中，結(jié)果就導(dǎo)致試件提前拉斷。綜合考慮，橡膠粉的最佳摻量為15%。

2.2 高溫性能

橡膠粉摻量分別為10%、15%、20%、25%，首先對4個橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青樣品進(jìn)行了溫度掃描試驗，根據(jù)車轍因子G*/sinδ隨測試溫度的變化規(guī)律建立車轍因子對數(shù)值[log（G*/sinδ）]-溫度T曲線，如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青車轍因子對數(shù)值-溫度曲線

根據(jù)圖1回歸擬合結(jié)果，計算G*/sinδ=1.0 kPa時的溫度，即為破壞溫度，結(jié)果見表7。

表7 不同橡膠粉摻量復(fù)合改性瀝青破壞溫度測試結(jié)果

由表7可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的破壞溫度先升高后降低，當(dāng)膠粉摻量為15%時，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的破壞溫度最高，高溫性能優(yōu)于其他摻量的復(fù)合改性瀝青。

2.3 低溫性能

以-12℃和-18℃時60 s的蠕變勁度S和m值來評價不同復(fù)合改性瀝青膠漿的低溫性能，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同改性瀝青的BBR試驗結(jié)果

從表8可以看出，隨著溫度的降低，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的S值明顯增大，m值明顯減小。在相同溫度下，S值隨著橡膠粉摻量的增加先減小后增大，在橡膠粉摻量為15%時達(dá)到最小值；m值隨著橡膠粉摻量的增加先增大后減小；在橡膠粉摻量為15%時達(dá)到最大值。根據(jù)瀝青的PG分級體系，摻量為20%時復(fù)合改性瀝青低溫分級溫度達(dá)到-22℃；而摻量為10%和15%時低溫復(fù)合改性瀝青低溫分級溫度可以達(dá)到-28℃，且摻量為15%時復(fù)合改性瀝青的低溫性能優(yōu)于摻量為10%的低溫性能。

2.4 抗老化性能

分別對不同橡膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗，對得到的曲線進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 長期老化疲勞因子與溫度的半對數(shù)關(guān)系

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同復(fù)合改性瀝青在G*·sinδ=5.0 MPa時極限疲勞溫度FTf，結(jié)果如表9所示。

表9 不同橡膠粉摻量復(fù)合改性瀝青的極限疲勞溫度測試結(jié)果

由表9可以看出，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的極限疲勞溫度隨著橡膠粉摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在橡膠粉摻量為15%時，復(fù)合改性瀝青的極限疲勞溫度達(dá)到最小值?？梢钥闯?，當(dāng)橡膠粉摻量為15%時，復(fù)合改性瀝青的疲勞溫度區(qū)域大于其他摻量的復(fù)合改性瀝青的疲勞溫度區(qū)域，瀝青的抗老化性能優(yōu)于其他摻量的復(fù)合改性瀝青的抗老化性。

3 基于混合料空隙率法確定混合料施工溫度

試驗混合料采用SMA-13級配，結(jié)合料采用橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青，所用的橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的橡膠粉的摻量為15%，SBS摻量為3.5%、相容劑摻量為1.5%、穩(wěn)定劑摻量為0.6%，SMA-13級配集料采用玄武巖。擊實溫度與體積指標(biāo)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 擊實溫度與體積指標(biāo)關(guān)系

由圖3可見，隨著成型溫度的升高，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青SMA-13混合料的毛體積密度逐漸增大；孔隙率逐漸減??；礦料間隙率VMA逐漸減小；瀝青飽和度VFA逐漸增大，穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，流值逐漸減小，各項體積指標(biāo)均隨著成型溫度的升高而趨向穩(wěn)定。從混合料的擊實回歸曲線顯示：要達(dá)到4%的設(shè)計空隙率，SMA-13合理擊實溫度應(yīng)為183℃。并且在相對較寬的溫度范圍內(nèi)，試件的空隙率變化不是很大，所以參照J(rèn)TGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和瀝青的試驗指標(biāo)，確定SMA-13混合料的施工溫度范圍為175～185℃。

4 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能驗證

根據(jù)SMA13混合料配合比設(shè)計結(jié)果，在180℃成型溫度下制作試件，然后對復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青SMA13瀝青混合料路用性能進(jìn)行對比研究，分析復(fù)合改性瀝青SMA13混合料路用性能。

4.1 高溫穩(wěn)定性

對SMA13瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗，結(jié)果見表10。

表10 車轍試驗動穩(wěn)定度

由表10可知，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青SMA-13的動穩(wěn)定度較SBS改性瀝青SMA-13有明顯的提升，達(dá)到9218（次/mm），升高了約87%，高溫性能得到明顯改善。

4.2 低溫抗裂性

對SBS改性瀝青混合料及橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料按規(guī)范要求成型車轍板試件，并切割小梁試件，在-10℃條件下進(jìn)行低溫彎曲試驗，結(jié)果如表11所示。

表11 小梁彎曲試驗結(jié)果

由表11可見，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料SMA-13的破壞應(yīng)變較SBS改性瀝青混合料SMA-13有小幅度提高，其低溫彎曲應(yīng)變可達(dá)3756.8 με，低溫性能較SBS改性瀝青混合料SMA-13提高約14%，符合JTG F 40—2004規(guī)范要求（破壞應(yīng)變≥2500 με）。

4.3 水穩(wěn)定性

為了驗證橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的抗水損害性能，在180℃的條件下成型馬歇爾試件，并對試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見表12和表13。

表12 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表13 凍融劈裂試驗結(jié)果

由表12、表13可見，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料SMA－13較SBS改性瀝青混合料SMA-13的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均有所提高，即水穩(wěn)定性得到提高，均符合 JTG F 40—2004規(guī)范要求（S0≥80，TSR≥80%）。

5 結(jié)論

（1）通過不同橡膠粉摻量對橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的性能研究得出，橡膠粉摻量為15%時，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的性能最優(yōu)。

（2）通過空隙率法，確定橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的施工溫度范圍為175～185℃。

（3）通過對混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性的試驗結(jié)果表明，相較于SBS改性瀝青混合料，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能得到提升。

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