WTR/APAO復合改性瀝青混合料性能研究

(1.湖南省鼎同工程科技有限公司， 湖南 湘潭 411100； 2.湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司， 湖南 長沙 410000； 3.湖南中大檢測技術集團有限公司， 湖南 長沙 410006； 4.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

0 引言

瀝青路面因其平整度高、施工快、低噪音及易維修等優(yōu)點而廣泛用于高等級道路[1-2]。但我國幅員遼闊，地理氣候條件差異大，交通荷載的增加使現有的瀝青道路面臨著裂縫、車轍等病害問題。應用聚合物對瀝青進行改性是提高瀝青混合料性能、減少瀝青路面病害的有效手段之一。

根據以往研究，廢膠粉(Waste Tire Rubber，簡稱WTR)不但能提高瀝青的性能，同時還能使廢舊輪胎得到再利用[3-4]。但單一WTR改性瀝青存在著儲存穩(wěn)定性差等缺點，制約了WTR在瀝青改性領域的應用，因而本文應用熱塑性樹脂類改性劑(Amorphous Poly Alpha Olefin，簡稱APAO)與WTR對瀝青進行復合改性。APAO改性劑與瀝青具有較好的相融性，且可顯著改善瀝青及瀝青混合料的性能[5-7]。以往研究表明，WTR/APAO改性瀝青具有良好的高、低溫性能，離析程度低且抗老化性能好[8-9]?；谝酝鶎TR/APAO復合改性瀝青所做的研究，對其進行AC-13C型瀝青混合料面層的路面性能研究，同時與基質瀝青、WTR單一改性瀝青混合料進行對比分析，深入探究WTR/APAO對瀝青混合料性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗采用70#瀝青作為基質瀝青。改性劑分為2種:一種是80目國產WTR；另一種是APAO，其熔點為295 ℃，密度為1.4 g/cm3。粗、細集料的來源均為瀝青道路常用的石灰?guī)r。

本文主要研究WTR/APAO改性瀝青混合料的高、低溫性能、水穩(wěn)定性能及疲勞性能。瀝青混合料的高、低溫性能分別通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗、間接拉伸(劈裂)試驗評價，浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗用于瀝青混合料水穩(wěn)定性的研究。另外，間接拉伸疲勞試驗用于測定混合料的疲勞性能。

2 改性瀝青制備工藝及常規(guī)性能

首先將基質瀝青預熱至165 ℃，待瀝青加熱至流體狀態(tài)后，將溫度升高至180 ℃。往基質瀝青中加入改性劑后,在180 ℃條件下以2 000 r/min的轉速旋轉攪拌20 min。然后應用高速剪切儀在5000 r/min轉速下充分剪切60 min，使改性劑與瀝青充分融合。最后，以1 000 r/min速度旋轉攪拌20 min去除氣泡。本文選取70#基質瀝青、15%WTR改性瀝青、12%WTR+4%APAO和15%WTR+4%APAO復合改性瀝青作為研究對象?；|瀝青及2種不同摻量的WTR/APAO復合改性瀝青常規(guī)性能如表1所示。

表1 瀝青常規(guī)性能指標類別針入度(25 ℃,100 g ,5 s)/(0.1 mm)延 度(5 ℃, 5 cm/min)/cm軟化點(TR&B)/℃布氏黏度(180℃)/(Pa·s)彈性恢復(25 ℃)/%基質瀝青69.7>15050.20.5412.712%WTR+4%APAO36.4 5.467.24.074.015%WTR+4%APAO33.2 7.471.22.2682

3 WTR/APAO改性瀝青混合料性能研究

本研究選用AC-13C型密級配的級配形式。按m(10～20檔)∶m(5～10檔)∶m(石屑)∶m(礦粉)=0.24∶0.4∶0.27∶0.09的比例確定AC-13C的級配。4種瀝青混合料的最佳油石比由試件的體積指標、馬歇爾試驗的穩(wěn)定度和流值等參數計算所得，分別為5.3%(15%WTR+4%APAO)、5.1%(12%WTR+4%APAO)、5.1%(15%WTR)、4.6%(70#基質瀝青)。

3.1 WTR/APAO復合改性瀝青混合料高、低溫性能

如圖1a所示，復合改性瀝青混合料的馬歇爾模數均高于基質瀝青混合料與WTR單一改性瀝青混合料的，且12%WTR+4%APAO混合料的馬歇爾模數最大?？纱笾屡袛?種WTR/APAO改性瀝青可顯著改善混合料的高溫抗變形能力。如圖1b所示,相比于基質瀝青，改性瀝青混合料的DS(動穩(wěn)定度)有明顯的增強。15%WTR、12%WTR+4%APAO和15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的DS分別是基質瀝青的2.9倍、3.4倍和4.5倍。與單一摻量的15%WTR改性瀝青混合料相比，12%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的DS增加了17%，15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的DS增加了56%。

圖1 馬歇爾穩(wěn)定度和車轍試驗結果

綜上所述，APAO對WTR單一改性混合料的高溫抗永久變形能力有明顯的提升效果，其復合改性瀝青混合料具有較優(yōu)良的高溫性能。綜合來看15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的高溫性能是最為突出的。

由圖2a可知，相比于基質瀝青混合料，3種改性瀝青混合料的RT分別增強了13.3%(15%WTR)、27%(12%WTR+4%APAO)和16%(15%WTR+4%APAO)。與WTR單一改性瀝青混合料相比，在低溫條件下APAO的添加依然能夠增加WTR/APAO 混合料的RT。如圖2b、圖2c所示，隨著改性瀝青的應用，εT有不同幅度的減小。與基質瀝青相比，ST分別增加了26.7%(15%WTR)、48.9%(12%WTR+4%APAO) 和39.8%(15%WTR+4%APAO)。結果表明，雖然APAO 增強了WTR/APAO 混合料的強度，但其變形能力卻有一定的減弱。

圖2 間接拉伸試驗結果

上述結果表明，改性瀝青混合料有著較強的劈裂抗拉強度，但在低溫下的應變能力較弱，低溫下的應變能力與低溫抗裂性能有較好的關聯。隨著APAO的摻加，WTR/APAO瀝青混合料的低溫抗裂性能的增強并不十分顯著。因而，不建議WTR/APAO復合改性瀝青混合料應用于我國高寒地區(qū)。

3.2 WTR/APAO復合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能

浸水前、后馬歇爾試件的穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度(IRS)的結果如圖3a所示，凍融前、后的劈裂抗拉強度和凍融劈裂試驗強度比(TSR)結果如圖3b所示。由圖3a可知，改性劑的應用明顯增強了混合料的IRS，混合料的水穩(wěn)定性得到了提高。同時可以發(fā)現WTR/APAO改性瀝青混合料的IRS要明顯強于WTR單一改性瀝青混合料的，說明APAO的添加對混合料的水穩(wěn)定性能有著積極作用。值得注意的是，15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性最佳。由圖3b可知，TSR的整體規(guī)律與IRS相似，但各種混合料之間的差距具有擴大趨勢，說明凍融循環(huán)試驗更能顯著體現瀝青混合料水穩(wěn)定性能的變化。與基質瀝青相比，12%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的TSR僅提高了2.13%，而15%WTR+4%APAO改性瀝青無論在浸水條件還是在凍融循環(huán)作用下對混合料水穩(wěn)定性的提高都是十分顯著的，其中15%WTR+4%APAO改性瀝青的水穩(wěn)定性是最好的(IRS為94.7%，TSR為97.8%，2項指標均為各類混合料

圖3 浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗結果

中的最高值)。綜上所述，15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料在2種條件下均有優(yōu)異的水穩(wěn)定性。

3.3 WTR/APAO復合改性瀝青混合料疲勞性能

由圖4可知，改性瀝青混合料的疲勞次數均高于基質瀝青的，說明改性瀝青有利于瀝青混合料疲勞性能的提升。改性瀝青混合料的疲勞次數分別是:15%WTR+4%APAO(1 531次)、15%WTR(781次)、12%WTR+4%APAO(441次)。研究結果表明，2種改性劑對瀝青混合料的抗疲勞性能均有一定幅度的提升，其中15%WTR+4%APAO摻量時的增長幅度最為明顯。15%WTR+4%APAO復合改性瀝青混合料的疲勞性能分別是基質瀝青和單一摻量15%WTR改性瀝青的4.73倍和1.97倍。由此可見，15%WTR+4%APAO摻量時的復合改性瀝青混合料的疲勞性能提升效果最明顯。

圖4 間接拉伸疲勞試驗結果

4 結論

1) 相比于基質瀝青混合料及單一WTR復合改性瀝青混合料，APAO/WTR復合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及抗永久變形能力均有一定程度的提升。12%WTR+4%APAO復合改性瀝青混合料的馬歇爾模數顯著增加，15%WTR+4%APAO改性瀝青混合料的抗車轍能力有較大的改善。

2) 凍融劈裂試驗表明，WTR/APAO復合改性瀝青混合料的低溫劈裂抗拉強度相比于基質瀝青混合料有所增加，APAO有助于提升改性瀝青混合料的低溫劈裂抗拉強度。

3) 間接拉伸疲勞試驗研究表明，當摻量為15%WTR+4%APAO時瀝青混合料的疲勞性能顯著提升。

綜合各項試驗研究結果，WTR/APAO復合改性瀝青混合料比較適用于溫熱地區(qū)的高等級路面。