SBS改性瀝青與橡膠改性瀝青作中面層材料的比較與選擇

郭昱濤，王 鑫，張業(yè)興，李勁薪，馬 霞，何茂勝，徐世法

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550004；3.北京建筑大學 北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心，北京 100044)

0 引 言

材料選擇是影響瀝青混凝土路面中面層性能的最重要因素，為避免因材料選擇不當導致路面病害，本文選擇中面層常用的SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青AC-20型混合料。SBS改性瀝青是以基質(zhì)瀝青為原料，加入一定比例的SBS改性劑，通過剪切、攪拌等方法使SBS均勻地分散于瀝青中，同時加入一定比例的專屬穩(wěn)定劑后形成的SBS共混材料，它利用SBS良好的物理性能對瀝青做改性處理[1-6]；橡膠改性瀝青是先將廢舊輪胎加工成為橡膠顆粒，再按一定的粗細級配比例進行組合，同時添加多種高聚合物改性劑，并在高溫條件下(180 ℃以上)充分拌合，與基質(zhì)瀝青充分熔脹反應后形成的改性瀝青膠結(jié)材料。2種材料相較于基質(zhì)瀝青均具有高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性、抗老化性、抗疲勞性、抗水損壞性等優(yōu)勢，在主干路面層中應用廣泛[7-10]。

路況調(diào)查及現(xiàn)場取芯發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土路面的主要病害仍集中于車轍及裂縫，并且中面層芯樣普遍有開裂現(xiàn)象。本文針對該現(xiàn)象，并且針對國內(nèi)外學者的研究最終選擇SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青AC-20瀝青混合料[11-14]，測試其體積指標，并通過車轍試驗、低溫小梁試驗、凍融劈裂試驗、四點彎曲試驗分別測試其高溫性能、低溫性能、水溫性能、疲勞性能，綜合評價其路用性能優(yōu)劣，為道路大修及養(yǎng)護工程推薦合適的中面層材料。

1 原材料

1.1 SBS改性瀝青

本文使用的SBS改性瀝青的技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青技術指標

1.2 橡膠改性瀝青

本文使用的橡膠改性瀝青的技術指標見表2。

表2 橡膠改性瀝青技術指標

1.3 礦粉

本文使用集料全部為石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，技術指標見表3。

表3 礦粉技術指標

1.4 集料

本文采用石灰?guī)r礦料進行試驗，并且按照規(guī)范要求對礦料的性能指標進行檢測，集料的技術指標見表4。

表4 石灰?guī)r細集料試驗結(jié)果及技術指標

1.5 級配

本次試驗采取的級配為中面層常用的AC-20型，調(diào)整通過率和中值以滿足規(guī)范要求，并參考實際生產(chǎn)常用級配。級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-20礦料級配曲線

2 體積指標及路用性能測試

結(jié)合工程實際經(jīng)驗，本次試驗選取油石比為6.0%，檢測該油石比下SBS改性瀝青、橡膠瀝青AC-20型混合料的各項體積指標，并測試其高溫性能、低溫性能、水溫性能及疲勞性能。

2.1 馬歇爾體積指標測試

對油石比為6.0%的2種瀝青混合料的體積指標進行檢驗，相關試驗結(jié)果見表5、6。

表5 SBS改性AC-20的體積指標

表6 橡膠改性AC-20的體積指標

2.2 路用性能指標測試

對油石比為6.0%的2種瀝青混合料的各項路用性能指標進行檢驗，相關試驗結(jié)果見表7、8。

表7 SBS改性AC-20的路用性能指標

表8 橡膠改性AC-20的路用性能指標

由體積指標及路用性能測試結(jié)果可看出，在該級配及油石比下，2種瀝青混合料的體積指標及路用性能滿足規(guī)范要求，需結(jié)合工程實際需求分析各項性能的優(yōu)劣。

3 材料比選

3.1 高溫性能比選

從表7、8中可以看到，橡膠改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度稍高于SBS改性瀝青混合料。橡膠顆粒在高溫狀態(tài)下與瀝青充分混合后，使瀝青軟化點提高，黏度增加，從而使高溫性能表現(xiàn)更優(yōu)；另一方面，橡膠顆粒體積會顯著變化，橡膠顆粒間的距離縮短，發(fā)生黏聚，形成交聯(lián)網(wǎng)絡。橡膠網(wǎng)絡間的相互作用限制了瀝青的流動，提高了瀝青的內(nèi)聚力，使瀝青的性能得到全面改善[15-16]。因此，SBS橡膠粉復合改性瀝青能夠在高溫條件下抵抗行車荷載的反復作用產(chǎn)生的變形，使瀝青的高溫性能得到了很大的提高，增強了瀝青混合料的抗車轍能力。

3.2 低溫性能比選

從表7、8中可以看出，橡膠改性瀝青混合料的最大彎曲應變高于SBS改性瀝青混合料，擁有更好的低溫抗開裂能力。由于橡膠改性瀝青中含有橡膠成分，這是苯乙烯和丁二烯的共聚物，其內(nèi)部分子之間的作用力相對較小，分子鏈連接比較松散，分子間容易發(fā)生流動變形[17]。而SBS是苯乙烯-丁二烯基的嵌段共聚物，由于苯乙烯段含量高，其硬度大，內(nèi)部分子鏈連接緊密，瀝青就表現(xiàn)為相對較硬。橡膠的可塑性使橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能更優(yōu)。此外，橡膠粉來自輪胎，其設計低溫性能要顯著優(yōu)于SBS改性劑。因此，在低溫條件下添加橡膠后的改性瀝青相對SBS改性瀝青具有更加良好的低溫變形能力。

3.3 水穩(wěn)定性能比選

SBS改性瀝青混合料凍融劈裂強度比大于橡膠改性瀝青混合料，其水穩(wěn)定性更優(yōu)。這主要是由于加入SBS后結(jié)構(gòu)比橡膠瀝青更穩(wěn)定，從而增加了瀝青與集料之間的黏附力，提高了瀝青膠漿的破壞強度。

3.4 疲勞性能比選

橡膠改性瀝青混合料的疲勞性能明顯優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，這在一定程度上也由于橡膠瀝青膠結(jié)結(jié)構(gòu)比SBS瀝青的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更具彈性，能夠承受較多次數(shù)的循環(huán)荷載。

4 結(jié) 語

通過上述指標對比分析，結(jié)果如下。

(1)對用作中面層材料的SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青AC-20混合料進行體積指標及路用性能測試，結(jié)果均滿足相關規(guī)范要求。

(2)橡膠改性瀝青AC-20混合料在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能方面均強于SBS改性瀝青混合料，當原路段車轍及開裂等病害嚴重時，應優(yōu)先使用橡膠改性瀝青混合料。橡膠顆粒在高溫狀態(tài)下與瀝青充分混合后，體積顯著變化，使其間距縮短，發(fā)生黏聚，形成交聯(lián)網(wǎng)絡，提高了瀝青的內(nèi)聚力，使瀝青的性能得到全面改善；且橡膠改性瀝青中含有橡膠成分，是苯乙烯和丁二烯的共聚物，與SBS改性瀝青相比較軟，其可塑性使橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能更優(yōu)。

(3)SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于橡膠改性瀝青混合料，當路段有較多水損害，對水穩(wěn)定性有較高要求時，可考慮使用SBS改性瀝青混合料。