老化后橡膠瀝青混合料高溫性能研究

彌海晨， 張娟， 郭平， 陳振華

(1.西安公路研究院， 陜西 西安 710065； 2.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司)

橡膠瀝青在路面工程的推廣應(yīng)用過程中，其主要性價比對比對象是SBS改性瀝青。道路工作者發(fā)現(xiàn)在高溫性能方面的研究中存在矛盾：一方面，室內(nèi)車轍試驗結(jié)果表明，橡膠瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度相比于SBS改性瀝青混合料尚存在一定的差距，而高溫穩(wěn)定性能一直是夏炎熱、夏熱區(qū)最為關(guān)注的一個路用性能指標(biāo)。一些建設(shè)單位因為對橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能存有疑慮，在公路建設(shè)過程中不敢貿(mào)然采用；另一方面，已有工程經(jīng)驗表明，橡膠瀝青路面并未出現(xiàn)大家擔(dān)心或預(yù)想的嚴(yán)重的車轍、推移等病害，甚至有些路段的車轍比SBS改性瀝青的還要輕微。而且橡膠瀝青路面在夏季出現(xiàn)輕微車轍以后，經(jīng)過一個冬季的使用，路面車轍不再發(fā)展或者發(fā)展非常緩慢，能夠持續(xù)保持良好的路面使用功能。因此，橡膠瀝青路面的高溫穩(wěn)定性能的好壞與其混合料車轍動穩(wěn)定度數(shù)值不完全一致，這一觀點(diǎn)也得到了國內(nèi)專家的普遍認(rèn)可。

該文通過橡膠瀝青、復(fù)合橡膠瀝青和SBS改性瀝青混合料的對比試驗，從混合料的老化性能以及混合料老化后高溫性能的變化情況，分析橡膠瀝青路面在實(shí)際工程長期使用中表現(xiàn)出較優(yōu)的高溫性能的原因。

1 原材料及老化試驗方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用加德士A-90#瀝青，各項技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中90#A級瀝青的技術(shù)要求。SBS改性瀝青為陜西某公司生產(chǎn)的成品改性瀝青，SBS改性劑用量為4.5%，瀝青各項技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中SBS(I-C)的技術(shù)要求。膠粉為四川某橡膠廠的30目膠粉。

橡膠瀝青加工工藝：加德士A-90#瀝青加熱到165 ℃，加入30目膠粉，21%外摻量，180 ℃下攪拌1 h。復(fù)合橡膠瀝青加工工藝：加德士A-90#瀝青加熱到165 ℃，同時加入2%SBS與17%外摻量膠粉，在180 ℃下剪切30 min，再攪拌30 min，最后在烘箱中溶脹30 min。

所用粗集料為陜西某石料廠生產(chǎn)，機(jī)制砂和礦粉由渭玉高速公路項目部采用的9.5～19 mm碎石自行加工生產(chǎn)。粗集料各技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對高速、一級公路表面層集料的要求，機(jī)制砂和礦粉各項技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

1.2 老化試驗方法

瀝青混合料老化性能的評價，有短期老化與長期老化。短期老化的方法有烘箱加熱法、延時拌和法、微波加熱法等。長期老化有加壓氧化法(PAV)、延時烘箱加熱法、紅外線、紫外線處理法等。

該文老化試驗方法為：短期老化試驗為瀝青混合料在 165 ℃烘箱加熱4 h，每小時均勻翻拌一次，然后成型試件；長期老化試驗為短期老化后成型的試件置于85 ℃的紫外線烘箱中恒溫保持120 h，然后將試件自然冷卻到室溫備用。

2 混合料類型的選擇

陜西省實(shí)體工程中采用的橡膠瀝青混合料級配類型主要為骨架密實(shí)型間斷級配，因此選用骨架密實(shí)型間斷級配作為主要級配類型進(jìn)行研究。該文選用級配的公稱最大粒徑為16 mm，其橡膠瀝青混合料簡稱為ARG-16。采用的SBS改性瀝青混合料為SMA-16，ARG和SMA的級配類似，不同點(diǎn)是ARG的0.15 mm和0.075 mm兩篩孔的通過率比SMA的略小。復(fù)合橡膠瀝青混合料(以下簡稱CR/SBSG)與橡膠瀝青混合料級配相同，用其作為對比對象，主要目的是研究相同級配下復(fù)合改性技術(shù)對橡膠瀝青混合料高溫性能的改善效果。

ARG和CR/SBSG主要參考陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計。SMA主要參考陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《瀝青瑪蹄脂碎石路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計。通過配合比設(shè)計最終確定的3種混合料礦料級配及最佳油石比見表1、2。

3 混合料抗老化性能

根據(jù)陳星的研究結(jié)論，可采用未老化、短期老化和長期老化后混合料的間接拉伸強(qiáng)度來評價混合料的抗

表1 3種混合料礦料級配

表2 3種混合料的最佳油石比

老化性能。該文間接拉伸試驗采用具有荷載與試件變形記錄裝置的自動馬歇爾試驗儀，試驗溫度(15±0.5) ℃，加載速率50 mm/min。3種混合料的間接拉伸試驗結(jié)果見表3。

表3 3種混合料老化性能試驗結(jié)果

該文采用短期老化系數(shù)b/a、長期老化系數(shù)c/a來比較不同瀝青混合料的短期與長期抗老化性能，老化系數(shù)越小表示瀝青混合料抗老化性能越好。由表3可知： ARG-16的短期、長期老化系數(shù)均小于SMA-16，說明膠粉的抗老化性能優(yōu)于SBS改性瀝青；CR/SBSG-16與ARG-16的老化系數(shù)相差不大，說明添加膠粉后混合料的抗老化性能較好。

分析橡膠瀝青混合料耐老化性能優(yōu)于其他瀝青混合料的主要原因為：① 膠粉吸收軟瀝青，保護(hù)瀝青免受老化，耐老化性能增強(qiáng)；② 膠粉中的炭黑對紫外線有屏蔽作用，膠粉中的炭黑一般占到30%左右，炭黑對紫外線有一定的屏蔽作用;③ 橡膠瀝青混合料中瀝青膜厚度大，起到一定的抗老化作用。該文中的混合料ARG-16瀝青膜厚度為11.1 μm，CR/SBSG-16為11.5 μm，SMA-16為8.2 μm，瀝青膜厚度增大可以起到一定的抗老化作用。

4 混合料老化后的高溫性能

ARG-16、CR/SBSG-16、SMA-16未老化、短期老化、長期老化后的單軸貫入試驗測得的抗剪強(qiáng)度及車轍試驗測得的動穩(wěn)定度見表4。

由表4可知：

(1) 從抗剪強(qiáng)度來看，老化后3種瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度均提高。橡膠瀝青混合料和復(fù)合橡膠瀝青混合料經(jīng)老化后抗剪強(qiáng)度顯著提高，而SMA混合料經(jīng)老化后抗剪強(qiáng)度提高不明顯。

表4 3種混合料老化前后高溫性能試驗結(jié)果

(2) 從動穩(wěn)定度來看，橡膠瀝青混合料經(jīng)老化后高溫性能得到增長，而復(fù)合橡膠瀝青混合料和SMA混合料經(jīng)老化后高溫性能衰減。分析原因如下：① 基質(zhì)瀝青老化后，高溫性能提高。已有研究表明，基質(zhì)瀝青的活性組分吸氧老化生成的極性含氧基團(tuán)會逐漸鏈接成高分子量的膠團(tuán)，使瀝青變硬、黏度增大；② 橡膠瀝青老化后，高溫性能提高。橡膠瀝青的老化分兩部分，膠粉的老化和基質(zhì)瀝青的老化。膠粉本身為交聯(lián)程度很好的聚合物，老化后性能變化不明顯，基質(zhì)瀝青老化后高溫性能提高。因此，老化后其混合料高溫性能提高；③ SBS改性瀝青老化后，高溫性能衰減。SBS改性瀝青的老化分兩部分，SBS改性劑的老化和基質(zhì)瀝青的老化。其中SBS改性劑在老化過程中發(fā)生裂解反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)破壞，老化后高溫性能衰減；基質(zhì)瀝青老化后高溫性能提高。由于SBS改性劑老化后的高溫性能衰減程度大于基質(zhì)瀝青的提高程度，因此，SBS改性瀝青老化后，其混合料高溫性能衰減；④ 復(fù)合橡膠瀝青老化后，高溫性能衰減。復(fù)合橡膠瀝青老化分3部分，膠粉、SBS改性劑和基質(zhì)瀝青同時發(fā)生老化。其中SBS改性劑老化后高溫性能衰減；膠粉老化后性能變化不明顯，基質(zhì)瀝青老化后高溫性能提高。由于基質(zhì)瀝青與膠粉老化引起的高溫性能提高不足以抵消SBS改性劑老化后高溫性能的降低，因此，復(fù)合橡膠改性瀝青短期老化后，其混合料高溫性能衰減。但由于膠粉的存在而使混合料老化后的衰減程度減緩，甚至在長期老化后，其混合料高溫性能反而較短期老化時提高。

綜上所述，在老化過程中：基質(zhì)瀝青高溫性能提高，橡膠粉由于抗老化性能好而高溫性能基本不變，SBS改性劑由于抗老化性能差而高溫性能降低。橡膠瀝青混合料中橡膠瀝青由基質(zhì)瀝青和橡膠粉組成，兩種材料老化后的綜合結(jié)果是橡膠瀝青混合料的高溫性能提高；SMA混合料中的SBS改性瀝青由基質(zhì)瀝青和SBS改性劑組成，SBS改性劑老化引起的高溫性能降低作用大于基質(zhì)瀝青老化引起的高溫性能提高作用，兩種材料老化后的綜合結(jié)果是SBS改性瀝青SMA混合料的高溫性能降低；復(fù)合改性瀝青混合料中復(fù)合改性瀝青由基質(zhì)瀝青、橡膠粉和SBS改性劑組成，SBS改性劑老化引起的高溫性能降低作用大于基質(zhì)瀝青老化引起的高溫性能提高作用，3種材料老化后的綜合結(jié)果是復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能降低。

5 結(jié)論

通過對橡膠瀝青混合料、復(fù)合橡膠瀝青混合料及SMA混合料的老化性能及老化后的高溫性能的研究，得到以下結(jié)論：

(1) 橡膠瀝青混合料抗老化性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(2) 橡膠瀝青混合料老化后高溫性能提高，復(fù)合橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料老化后高溫性能降低。

(3) 橡膠瀝青混合料老化后的高溫性能得到改善，可以解釋橡膠瀝青混合料路面在長期使用過程中高溫性能并不比SBS改性瀝青混合料路面差的工程現(xiàn)象。