橡塑合金改性瀝青及其混合料技術(shù)性能研究

劉郁貞,王志銳

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.同濟(jì)大學(xué) 交通學(xué)院 上海 200097)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，橡膠塑料產(chǎn)品的消耗量急劇上升，由此造成的橡膠、塑料廢棄物的數(shù)量也日益增多，以廢舊橡膠、塑料為主的“黑色污染”、“白色污染”問題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年起，我國每年僅因車輛輪胎報(bào)廢所產(chǎn)生廢舊橡膠輪胎已超過2億條，并且這一數(shù)據(jù)還在以每年5%的比例增長，生活消費(fèi)產(chǎn)生的廢舊聚乙烯塑料瓶每年超過7.5億只，橡膠塑料材料的年廢棄量已占據(jù)全球年固體垃圾總量的28%以上[1-3]。這些廢棄的橡塑材料如果得不到合理有效的處置，而是采取隨意拋棄的方式處理，不僅污染環(huán)境，更是一種極大的資源浪費(fèi)。廢舊橡塑材料的再生利用，是一項(xiàng)綠色環(huán)保、符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的廢舊材料循環(huán)利用綠色技術(shù)[4-7]。目前廢舊橡塑材料的循環(huán)利用主要包括焚燒能量回收、物理形態(tài)改變利用、化學(xué)再生利用3種技術(shù)途徑，其中將廢舊橡塑材料加工成橡塑合金，可廣泛地用于公路交通等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，既能有效實(shí)現(xiàn)廢舊橡塑材料循環(huán)利用，降低其對(duì)環(huán)境造成的污染，又可節(jié)約寶貴的不可再生資源，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，廢舊橡塑材料循環(huán)利用是綠色公路交通運(yùn)輸發(fā)展和實(shí)現(xiàn)公路行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然選擇，實(shí)現(xiàn)橡塑材料的循環(huán)利用，節(jié)約大量寶貴不可再生資源，減小環(huán)境污染，也是踐行“綠色公路”和資源節(jié)約的有力措施，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)外大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，將廢舊橡膠粉用于瀝青改性，可顯著改善瀝青路面的長期服役性能、延長使用壽命、提高服務(wù)質(zhì)量，尤其是顯著改善了瀝青路面的低溫抗裂性能、抗疲勞耐久性能，同時(shí)具有抗滑、噪音、除薄冰等優(yōu)勢[2-4]；將廢舊塑料應(yīng)用于道路瀝青的改性，能夠明顯提高瀝青路面的剛性并顯著減少瀝青路面的車轍變形，熱塑塑料從根本上改變?yōu)r青的熱塑性，具有比SBS改性瀝青優(yōu)異的高溫抗車轍性能和良好的抗疲勞性、抗老化性和耐久性，在高溫、交通量大、重載及超載比例高、長大縱坡等車轍易發(fā)地區(qū)路段有較好的適用性[6-8]。但是橡膠改性瀝青對(duì)瀝青混合料性能的改善主要得益于其較高的黏度和彈性恢復(fù)性能，對(duì)瀝青混合料高溫性能改善不突出，而廢舊塑料對(duì)瀝青混合料低溫性能改善不明顯，甚至過多的塑料摻量將導(dǎo)致瀝青混合料低溫性能衰減，此外，回收橡塑材料來源廣泛，導(dǎo)致產(chǎn)品的成分比較復(fù)雜、質(zhì)量良莠不齊，導(dǎo)致橡塑改性瀝青性能不穩(wěn)定，這一定程度限制了橡膠和塑料改性瀝青的推廣應(yīng)用[9-13]。文章提出將廢舊橡膠粉和回收塑料產(chǎn)品制備成橡塑合金，采用濕法改性工藝制備橡塑合金改性瀝青，以生產(chǎn)出高低溫性能兼顧的改性瀝青產(chǎn)品，并通過添加降黏劑、增塑劑、氟碳活性劑來提高橡塑合金改性瀝青的熱貯存穩(wěn)定性等性能，基于針入度指標(biāo)體系和Superpave瀝青膠結(jié)料PG分級(jí)體系研究橡塑合金改性瀝青的高低溫性能和流變特性，采用常規(guī)3大路用性能試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)探討橡塑合金改性瀝青的高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性，并對(duì)實(shí)體工程橡塑合金改性瀝青混合料使用性能進(jìn)行了跟蹤檢測，研究成果為大面積推廣應(yīng)用橡塑合金改性瀝青提供可靠的技術(shù)保障。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青為遼河石化生產(chǎn)的AH-70重交通道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)由北京燕山石化生產(chǎn)，型號(hào)為YH-802(SBS4402)，星型SBS改性劑的嵌段比S∶B=4∶6，主要技術(shù)參數(shù)如下：相對(duì)密度0.94 g/cm3，拉伸強(qiáng)度23.6 MPa，伸長率680%，灰分量<0.5%，回彈率47%。為了提高橡膠粉與基質(zhì)瀝青的相容性和分散均勻性，同時(shí)降低改性瀝青的粘度，采用市售深度脫硫活化的60目子午輪胎膠粉，其性能如下：細(xì)度60目，相對(duì)密度0.297 g/cm3，金屬含量0.02%，灰分3.4%，丙酮抽取物2.5%，炭黑含量32.6%，橡膠烴含量53.2%。采用中石化回收的低密度塑料(LDPE)，型號(hào)為7402，外觀為白色顆粒晶體，主要技術(shù)參數(shù)如下：相對(duì)密度0.97 g/cm3，粒徑0～3 mm，熔點(diǎn)145 ℃，拉伸強(qiáng)度25.8 MPa，收縮率3.5%。其余增塑劑、降黏劑、穩(wěn)定劑等均由市場購買。

表1 AH-70瀝青性能指標(biāo)Table 1 AH-70 asphalt performance indicators試驗(yàn)項(xiàng)目針入度/(0.1 mm)15℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃TFOT后性能質(zhì)量損失率/%針入度比/%15 ℃延度/cm10 ℃延度/cm試驗(yàn)結(jié)果73>10049.50.3465269.6規(guī)范要求60～80>100≥46±1≥61≥15≥6

1.2 試驗(yàn)方案

將廢橡膠粉(RP)、廢舊聚乙烯塑料(LDPE)、環(huán)氧脂肪酸接枝共聚物、油脂類增塑劑、氟碳脫硫活化助劑、降粘劑、硫磺穩(wěn)定劑做合理配方搭配，并進(jìn)行加工工藝調(diào)整，通過反應(yīng)性共混技術(shù)得到新型熱塑性彈性體橡塑合金材料。通過配方設(shè)計(jì)，調(diào)整廢膠粉和廢舊塑料的比例，可以得到適應(yīng)于不同實(shí)際工程需求的橡塑合金材料，試驗(yàn)變化橡膠粉摻量為9%、12%、15%(摻量為改性劑摻量占瀝青質(zhì)量百分比，下同)，LDPE摻量為瀝青質(zhì)量的2%、4%、6%，環(huán)氧脂肪酸接枝共聚物摻量為2%，油脂類增塑劑摻量為0.5%、降粘劑摻量為2.5%、氟碳脫硫活化助劑為0.8%、硫磺穩(wěn)定劑摻量為0.3%，為了實(shí)現(xiàn)了橡膠類和塑料樹脂類材料的反應(yīng)性共混，實(shí)現(xiàn)了分子鏈結(jié)合及化學(xué)增容改性，摻加了2%SBS改性劑。

1.3 橡塑合金改性瀝青制備

采用雙螺桿擠出機(jī)制備橡塑合金改性劑。將基質(zhì)瀝青脫水后加熱至175 ℃～180 ℃，加入SBS改性劑和橡塑合金改性劑(RP+LDPE)，開啟螺旋攪拌器以500 rad/min速率攪拌45 min，使改性劑分散均勻并且充分溶脹，邊攪拌邊加入油脂類增塑劑，接著升溫瀝青共混物溫度至180 ℃～185 ℃，以4 500 rad/min速率剪切60 min，使改性劑充分剪切磨細(xì)，剪切完成后一同加入環(huán)氧脂肪酸接枝共聚物、氟碳脫硫活化助劑和降粘劑，以500 rad/min速率攪拌30 min，最后加入硫磺穩(wěn)定劑，在175 ℃環(huán)境箱內(nèi)發(fā)育120 min，完成橡塑合金改性瀝青制備。

2 橡塑合金改性瀝青性能

2.1 針入度指標(biāo)體系性能

采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求的針入度試驗(yàn)、針入度指數(shù)試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度、離析48 h軟化點(diǎn)差試驗(yàn)、25 ℃彈性恢復(fù)率試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡塑復(fù)合金改性瀝青的高低溫性能和貯存穩(wěn)定性。針入度體系指標(biāo)試驗(yàn)方法、步驟及試驗(yàn)條件嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)和JTG F40-2004規(guī)范進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 橡塑合金改性瀝青針入度體系性能Table 2 Performance of rubber-plastic alloy modified asphalt penetration systemRP摻量/%LDPE摻量/%針入度/(0.1mm)針入度指數(shù)軟化點(diǎn)/℃延度/cm軟化點(diǎn)差/℃彈性恢復(fù)率/%2570.8265.422.31.275.494541.0271.818.41.979.36501.1373.915.52.183.42530.9768.425.51.782.5124471.1875.821.42.285.46441.3279.218.32.487.42491.087626.61.986.3154421.2781.222.52.388.56361.3486.419.22.691.3對(duì)照組5%SBS摻量 55.50.8167.428.51.878.4

由表2可知，在9%～15%橡膠粉與2%～6%LDPE摻量范圍內(nèi)，橡塑合金改性瀝青的25 ℃針入度為36～57(0.1 mm)，針入度指數(shù)大于0.82，軟化點(diǎn)高于65 ℃、最大軟化點(diǎn)達(dá)到了86.4 ℃，5 ℃延度為19.2～26.6 cm，48 h離析軟化點(diǎn)差為1.2 ℃～2.6 ℃，彈性恢復(fù)率為75.4%～91.3%，橡塑合金改性瀝青的針入度指標(biāo)性能基本滿足JTG F40-2004聚合物改性瀝青SBS(I-D)技術(shù)要求?？傮w上，隨著橡膠粉和LDPE摻量增大，橡塑合金改性瀝青的針入度減小，針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率顯著增大，同時(shí)48 h離析軟化點(diǎn)差增大， 5 ℃延度值隨橡膠粉摻量增大而緩慢增大，隨LDPE摻量增大而減小，因此LDPE對(duì)橡塑合金改性瀝青的高溫性能有顯著改善作用，增大橡膠粉摻量對(duì)橡塑合金改性瀝青的高低溫性能均有一定程度改善，而LDPE只是對(duì)橡塑合金改性瀝青的高溫性能有突出貢獻(xiàn)，過多的LDPE摻量將會(huì)對(duì)塑合金改性瀝青低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響，橡膠粉和LDPE摻量過多將導(dǎo)致橡塑合金改性瀝青48 h軟化點(diǎn)差不滿足JTG F40-2004軟化點(diǎn)差小于2.5 ℃的規(guī)范要求。為簡潔表述復(fù)配方案，RP摻量簡稱R粉，LDPE摻量簡稱L料，相較于5%SBS改性瀝青，9%R粉+4%～6%L粉、12%R粉+2%～6%L料、15%R粉+2%～4%L料這幾種橡塑合金改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度指數(shù)、彈性恢復(fù)率指標(biāo)明顯大于5%SBS改性瀝青，橡塑合金改性瀝青的軟化點(diǎn)基本達(dá)到70 ℃以上，彈性恢復(fù)率達(dá)到了85%、針入度指數(shù)約為1，表明橡塑合金改性瀝青有優(yōu)良的高溫性能和疲勞性能，橡塑合金改性瀝青混合料我國南方等高溫重載瀝青路面有較好的適用性。在9%R粉+2%L料、12%R粉+2%～4%L料、15%R粉+2%～4%L料共5種復(fù)配方案下，橡塑合金改性瀝青的5℃延度值大于20cm，滿足JTG F40-2004規(guī)范I-D聚合物(SBS)改性瀝青延度值大于20 cm規(guī)范要求，因此橡塑合金改性瀝青是高低溫性能兼顧的瀝青產(chǎn)品。

2.2 橡塑合金改性瀝青流變性能

按照Superpave瀝青膠結(jié)料PG等級(jí)技術(shù)要求(ASTM D6373)，采用彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)評(píng)價(jià)橡塑合金改性瀝青的流變特性，BBR試驗(yàn)和DSR試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程T 0627-2011、T0628-2011進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)結(jié)果Table 3 Bending beam rheological test (BBR) resultsRP摻量/%LDPE摻量/%-12 ℃-18 ℃-24 ℃S/MPamS/MPamS/MPam2156.70.363337.30.262493.70.24394189.30.321295.50.223539.40.2136228.40.303318.40.201693.10.1812125.50.402286.40.334416.50.274124167.70.378313.50.283479.30.2416186.60.346356.80.244518.40.2182104.40.443257.30.352358.50.272154119.40.412284.50.321394.40.2546157.50.381293.40.304482.40.233 對(duì)照組5%SBS摻量156.90.387287.80.321462.80.288

表4 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)結(jié)果Table 4 Dynamic shear rheology test (DSR) resultsRP摻量/%LDPE摻量/%64 ℃70 ℃76 ℃82 ℃δ/(°)G*/sinδ/kPaδ/(°)G*/sin δ/kPaδ/(°)G*/sin δ/kPaδ/(°)G*/sin δ/kPa266.76.6765.43.1264.42.0263.30.949464.57.4363.13.9362.52.3461.41.23663.27.9461.34.1360.62.7359.81.42264.57.6162.34.1261.52.3260.41.2412462.48.7161.84.7460.42.7159.71.63661.210.360.35.1459.23.0258.51.83262.78.4361.44.6560.52.7859.11.6515461.410.4560.15.5659.43.1258.41.82660.512.6558.56.1257.83.8956.42.12對(duì)照組5%SBS摻量66.76.7965.33.6464.22.1262.51.14

由表3可知，根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料低溫分級(jí)規(guī)范要求，彎曲梁流變?cè)囼?yàn)勁度模量S≤300 MPa，同時(shí)蠕變斜率m≥0.3，所有橡膠粉與LDPE配方橡塑合金改性瀝青在-12 ℃下滿足規(guī)范要求，但不滿足-24 ℃條件下的低溫PG分級(jí)要求。相同試驗(yàn)溫度，隨著LDPE摻量增大，蠕變斜率減小，同時(shí)勁度模量顯著增大，與針入度體系試驗(yàn)結(jié)果相類似，摻加LDPE對(duì)橡塑合金改性瀝青低溫性能有劣化影響。摻加較多橡膠顆粒能夠彌補(bǔ)LDPE改性劑對(duì)瀝青低溫性能的負(fù)面影響，15%R粉+2%L料、15%R粉+24%L料二種配方橡塑合金改性瀝青的應(yīng)力松弛性能及低溫柔性較5%SBS改性瀝青不同程度改善提升，其中，15%RP+2%LDPE配方的橡塑合金改性瀝青尤為突出，相較5%SBS改性瀝青有較小勁度模量和較大蠕變斜率，表明此配方橡塑合金改性瀝青低溫延展性和釋放荷載性能最優(yōu)，可應(yīng)用于瀝青混凝土路面抗疲勞層。

由表4可知，根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料高溫分級(jí)規(guī)范要求，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)抗車轍因子G*/sinδ大于1.0 kPa，且RTFOT老化后抗車轍因子G*/sinδ大于2.2 kPa，9種橡塑合金改性瀝青中除9%RP+2%LDPE外，其余8種橡塑合金改性瀝青的高溫PG分級(jí)都達(dá)到了82 ℃。隨著試驗(yàn)溫度升高，橡塑合金改性瀝青的相位角δ減小、抗車轍因子G*/sinδ均減小，總體上抗車轍因子G*/sinδ隨試驗(yàn)溫度增大呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低、相位角δ隨試驗(yàn)溫度增大呈線性關(guān)系降低，相位角δ越大，瀝青中的彈性成分越多，在重復(fù)荷載作用下彈性恢復(fù)性能越好、塑性變形量越小，抗車轍因子G*/sinδ越大，瀝青的抗變形能力越好，抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ越大，瀝青的高溫性能越好，瀝青高溫PG分級(jí)越高，9%R粉+4%～6%L料、12%R粉+2～6%L料、15%R粉+2～6%L料復(fù)配方案下，8種橡塑合金改性瀝青比5%SBS改性瀝青有更大的相位角δ和抗車轍因子G*/sinδ，橡塑復(fù)合改性瀝青有突出的高溫性能。尤其是15%R粉+4%L料、15%R粉+6%L料復(fù)配方案下，橡塑合金改性瀝青的64 ℃抗車轍因子大于10 kPa，達(dá)到了高模量瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可用于高溫重載道路長大縱坡路段或高速公路重車道。

綜上可知，橡塑合金改性瀝青有突出的高溫性能，即軟化點(diǎn)高于70 ℃，高溫PG分級(jí)達(dá)到 82 ℃，且64 ℃抗車轍因子大于10 kPa，橡塑復(fù)合改性瀝青一定程度兼顧了改性瀝青產(chǎn)品抗疲勞性能，低溫PG分級(jí)能夠達(dá)到-18 ℃，5 ℃延度大于20 cm，低溫性能與5%SBS改性瀝青相當(dāng)，同時(shí)熱貯存穩(wěn)定性良好，適合于工廠化或者現(xiàn)場加工使用。

參考JTG F40-2004針入度指標(biāo)技術(shù)要求和Superpave瀝青膠結(jié)料PG等級(jí)的技術(shù)要求(ASTM D6373)，結(jié)合不同LDPE 和橡膠粉摻量下橡塑合金改性瀝青的高低溫性能變化趨勢，本研究將LDPE的合理摻加量定為4%、6%，橡膠粉合理摻量定為12%、15%，對(duì)低溫性能要求較高時(shí)可適當(dāng)增加橡膠粉摻量，同時(shí)采用較低LDPE摻量。

3 橡塑合金改性瀝青混合料路用性能

3.1 馬歇爾試驗(yàn)

集料采用石灰?guī)r碎石和石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r磨制而成。試驗(yàn)采用AC-13礦料級(jí)配中值。利用布洛菲爾德黏度計(jì)測定135 ℃、175 ℃的不同溫度表觀黏度，將不同溫度條件下測定黏度繪制為黏溫曲線。按照J(rèn)TG F40-2004規(guī)定，以黏度為(0.17±0.02)Pa·s時(shí)溫度作為拌和溫度范圍；以(0.28±0.023)Pa·s時(shí)的溫度作為壓實(shí)成型溫度范圍。最終確定4種橡塑合金改性瀝青混合料拌和溫度為180 ℃～183 ℃，壓實(shí)溫度為177 ℃～180 ℃，5%SBS改性瀝青混合料拌和溫度為174 ℃～176 ℃，壓實(shí)溫度為172 ℃～175 ℃，橡塑合金改性瀝青拌和壓實(shí)溫度略高于SBS改性瀝青。按最緊密嵌擠狀態(tài)確定最佳油石比，最佳油石比及馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可見，橡塑合金改性瀝青混合料的最佳油石比相較于5%SBS改性瀝青混合料增大了0.3%～0.9%，這主要是橡塑合金改性瀝青的黏度高導(dǎo)致集料表面瀝青膜厚比較大的原因。橡塑合金改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于JTG F40-2004馬歇爾穩(wěn)定度大于8 kN的規(guī)范要求，12%R粉+6%L料、15%R粉+4%L料、15%R粉+6%L料摻配方案下，橡塑合金改性瀝青混合馬歇爾穩(wěn)定度比5%SBS改性瀝青混合料增大了0.4%～1.6% ，同時(shí)流值也相對(duì)較小。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Marshall test results改性瀝青膠結(jié)料類型油石比/%馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果馬歇爾穩(wěn)定度/kN流值/mm12%R粉+4%L料5.211.33.712%R粉+6%L料5.312.92.915%R粉+4%L料5.612.52.515%R粉+6%L料5.813.72.1對(duì)照組5%SBS摻量4.912.13.4

3.2 車轍試驗(yàn)

因高溫穩(wěn)定性不足所致的車轍、推移等病害是目前我國高等級(jí)公路的病害之首，溫度、荷載、荷載作用時(shí)間的耦合作用下，瀝青路面車轍形成最為迅速，瀝青路面出現(xiàn)車轍病害后，將嚴(yán)重影響到路面的行車舒適性和危及行車安全。采用50 ℃、60 ℃、70 ℃車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡塑合金改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，不同橡膠粉和LDPE含量的橡塑合金改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 橡塑合金改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Rubber-plastic alloy modified asphalt mixture rutting test results改性瀝青膠結(jié)料類型不同試驗(yàn)溫度車轍試驗(yàn)結(jié)果/(次·mm-1)50 ℃60 ℃70 ℃12%R粉+4%L料12 6906 9762 75812%R粉+6%L料14 7858 9643 98515%R粉+4%L料13 4987 6583 01215%R粉+6%L料15 4749 6574 357對(duì)照組5%SBS摻量9 5165 138764

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著橡塑合金改性劑中橡膠顆粒和LDPE含量的增大，橡塑合金改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不斷增大，橡膠顆粒摻量12%時(shí)，LDPE摻量由4%增大至6%，50 ℃、60 ℃、70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度增大了16.5%、28.5%、44.5%；橡膠顆粒摻量15%時(shí)，LDPE摻量由4%增大至6%，50 ℃、60 ℃、70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度增大了14.6%、26.1%、44.7%；當(dāng)LDPE摻量為4%時(shí)，橡膠顆粒摻量由12%增大至15%，50 ℃、60 ℃、70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度增大了6.4%、9.8%、9.2%；當(dāng)LDPE摻量為6%時(shí)，橡膠顆粒摻量由12%增大至15%，50 ℃、60 ℃、70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度增大了4.7%、7.7%、9.3%，可見增加3%橡膠顆粒摻量，橡塑合金改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高不超過10%， LDPE摻量對(duì)橡塑合金改性瀝青混合料的高溫性能的改善作用比橡膠顆粒顯著。相同試驗(yàn)溫度，4種橡塑合金改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于5%SBS改性瀝青混合料，12%～15%R粉+4%～6%L料復(fù)配方案，橡塑合金改性瀝青混合料在50 ℃、60 ℃、70 ℃試驗(yàn)條件下的動(dòng)穩(wěn)定度，橡膠與5%SBS改性瀝青混合料增大了33.4%～62.6%、35.8%～88.0%、261%～470.3%，橡塑合金改性瀝青混合料比5%SBS改性瀝青混合料表現(xiàn)出了更好的高溫性能優(yōu)勢，尤其是在超高溫條件下，橡塑合金改性瀝青混合料的高溫性能更加突出。試驗(yàn)溫度由50 ℃增加至70 ℃，12%R粉+4%L料、12%R粉+6%L料、15%R粉+4%L料、15%R粉+6%L料4種橡塑合金改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別衰減了78.3%、73%、77.7%、71.8%，而5%SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度衰減了92%，可見橡塑合金改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)溫度變化的敏感性更低，更適合應(yīng)用于瀝青路面抗車轍性能要求嚴(yán)苛的結(jié)構(gòu)層位。

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

瀝青路面低溫抗裂性能不足所產(chǎn)生的開裂病害，不僅影響了路面?zhèn)鬟f荷載的連續(xù)性，導(dǎo)致開裂處應(yīng)力集中，加速了路面破損，同時(shí)大氣降水涌入裂縫，在行車荷載作用下產(chǎn)生動(dòng)水壓力，加速瀝青膜從集料表面剝離，產(chǎn)生剝落、坑槽，甚至沖刷基層造成翻漿等嚴(yán)重病害。因此對(duì)于我國冬嚴(yán)寒、冬寒區(qū)，確保瀝青混合料有足夠的低溫抗裂性能一直是道路工作者致力解決的工程難題。本研究采用JTG F40-2004規(guī)范要求的-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)橡塑合金改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)加載速率為50 mm/min，結(jié)果見表7。

表7 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 low temperature trabecular bending results改性瀝青膠結(jié)料類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με勁度模量/MPa12%R粉+4%L料11.573 297.43 508.812%R粉+6%L料12.412 704.24 589.215%R粉+4%L料12.563 556.53 531.615%R粉+6%L料13.452 967.64 532.3對(duì)照組5%SBS摻量11.473 713.73 088.6

由表7可知，4種橡塑合金改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度大于5%SBS改性瀝青混合料，但是最大彎曲應(yīng)變指標(biāo)均小于5%SBS改性瀝青混合，12%R粉+4%L料、15%R粉+4%L料兩種橡塑合金改性瀝青混合料的最大彎曲應(yīng)變大于3 000 με，能夠滿足JTG D50-2017規(guī)范冬嚴(yán)寒區(qū)瀝青混合料彎曲應(yīng)變大于3 000 με規(guī)范要求，分析認(rèn)為，橡膠粉改性劑具有優(yōu)良的低溫延展性，而LDPE具有優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能，加入橡塑合金改性劑使得瀝青黏度顯著增大，能夠增加瀝青混合料的油石比，從而提高瀝青膠漿與集料的界面黏結(jié)強(qiáng)度、增加瀝青混合料的柔韌性，因此有效改善了瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度，也確保了瀝青混合料有足夠的低溫變形能力。采用12%R粉+4%L料、15%R粉+4%L料復(fù)配方案的橡塑合金改性瀝青能夠滿足我國北方等寒冷地區(qū)的低溫抗裂性能要求，而12%R粉+6%L料和15%R粉+6%L料橡塑合金改性瀝青混合料可滿足我國冬寒區(qū)和冬冷區(qū)瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變技術(shù)要求，可以認(rèn)為橡塑合金改性瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能。

3.4 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)

水損害是瀝青路面在水、荷載耦合作用下瀝青膜從集料表面剝離，產(chǎn)生剝落，瀝青混合料失去黏結(jié)力的過程，水穩(wěn)定性不足主要表現(xiàn)在瀝青混凝土出現(xiàn)麻面、坑槽等病害形式，對(duì)于我國高溫重載地區(qū)水損害問題已越來越引起道路工作者重視。本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)橡塑合金改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of water-immersed Marshall and freeze-thaw split test改性瀝青膠結(jié)料類型浸水馬歇爾殘留度MS0/%凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%12%R粉+4%L料97.696.412%R粉+6%L料97.395.615%R粉+4%L料99.897.315%R粉+6%L料98.497.4對(duì)照組5%SBS摻量95.294.1規(guī)范要求≥85.0≥80.0

由表8可知，經(jīng)歷凍融循環(huán)和浸水損傷后，4種橡塑合金改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR均大于95%，橡塑合金改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度均大于5%SBS改性瀝青混合料，可見

摻加橡塑合金改性劑后瀝青混合料表現(xiàn)出了優(yōu)良的水穩(wěn)定性，橡塑合金改性劑在我國多雨地區(qū)有較好適用性。

3.5 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)在Cooper NU-14疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為20 ℃，加載頻率為10 Hz偏正弦波，疲勞試驗(yàn)控制施加的4個(gè)應(yīng)變水平為300、500、750、900 με。在最佳瀝青用量條件下輪碾成型試板，采用SRC高精度雙面鋸切割尺寸為385 mm×65 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)終止條件為彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Four-point bending fatigue test results改性瀝青膠結(jié)料類型不同應(yīng)變水平的疲勞壽命及累積耗散能400 με600 με750 με900 μεNf/次D/JNf /次D/JNf /次D/JNf /次D/J12%R粉+4%L料 968 694198 673308 34599 881111 24645 33016 60917 88912%R粉+6%L料1 009 855224 798378 326108 764146 87949 86720 34820 36915%R粉+4%L料1 552 257 471 823 675 958 253 575 370 396 141 367 42 923 64 566 15%R粉+6%L料1 902 233 599 483 834 208 329 085 467 683 156 634 55 798 69 810 對(duì)照組5%SBS摻量1 109 045245 849390 945125 800199 43154 39020 95522 766

表9疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，相同應(yīng)變水平下，5種改性瀝青混合料疲勞壽命排序由大到小為：15%R粉+6%L料，15%R粉+4%L料，5%SBS改性瀝青，12%R粉+6%L料，12%R粉+4%L料。橡膠粉和LDPE摻量越大，橡塑合金改性瀝青混合料的疲勞壽命越大，累積耗散能大小排序與疲勞壽命一致。在400、600、750、900 με水平下，15%R粉+6%L料橡塑合金改性瀝青混合料的疲勞壽命比5%SBS改性瀝青混合料提高了40%、72.9%、85.7%、104.8%，同比15%R粉+4%L料比5%SBS改性瀝青混合料提高了71.5%、113.4%、134.5%、166.3%，15%R粉+6%L料橡塑合金改性瀝青混合料的累積耗散能比5%SBS改性瀝青混合料提高了91.9%、101.6%、159.9%、183.6%，同比15%R粉+4%L料比5%SBS改性瀝青混合料提高了143.8%、161.6%、188%、206.6%，應(yīng)變水平越高，15%R粉+6%L料、15%R粉+4%L料橡塑合金改性瀝青混合料相比SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命、累積耗散能提高幅度越大，摻加橡膠粉和LDPE對(duì)瀝青混合料的疲勞性能有明顯改善作用。

應(yīng)變水平越大，加載循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)越小，圖1建立了疲勞壽命與應(yīng)變水平之間的雙對(duì)數(shù)擬合關(guān)系，采用疲勞壽命(Nf)與應(yīng)變的雙對(duì)數(shù)擬合方程斜率n、截距K表征瀝青混合料的疲勞特性，由圖1可見，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)內(nèi)疲勞方程的負(fù)線性擬合優(yōu)化度R2大于0.95，在統(tǒng)計(jì)意義上二者相關(guān)性良好，疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。疲勞方程斜率n的絕對(duì)值越大，表明疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的變化越敏感，增大應(yīng)變水平后疲勞壽命衰減幅度越大，擬合

圖1 疲勞壽命與應(yīng)變水平雙對(duì)數(shù)回歸疲勞方程曲線Figure 1 Fatigue life and strain level double logarithmic regression fatigue equation curve

方程截距K越大，表明疲勞曲線線位越高，相同應(yīng)變水平下相應(yīng)的疲勞壽命越大，5種改性瀝青混合料疲勞方程擬合參數(shù)K由大到小排序?yàn)椋?5%R粉+6%L料，15%R粉+4%L料，5%SBS改性瀝青，12%R粉+6%L料，12%R粉+4%L料，K值排序與疲勞壽命大小相一致，擬合參數(shù)n絕對(duì)值大小排序K值排序相反，由此可見，15%R粉+6%L料和15%R粉+4%L料兩種橡塑合金復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平變化的敏感程度更低，更具有耐久性。

4 實(shí)體工程運(yùn)用

實(shí)體工程采用濕法改性工藝生產(chǎn)橡塑合金改性瀝青，橡塑合金改性劑主要配方為15%R粉+4%L料，橡塑合金改性瀝青混合料應(yīng)用于寧夏某高速公路中面層AC-20C，鋪筑長度為3 000 km，現(xiàn)場瀝青罐提取成品橡塑合金改性瀝青，經(jīng)檢測瀝青3個(gè)指標(biāo)如表10所示，由表10可見，濕法改性橡塑合金改性瀝青的3個(gè)指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果差別不大，軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)比室內(nèi)制備的橡塑合金改性瀝青略有提升。室內(nèi)生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)階段AC-20橡塑合金改性瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果見表11，由表11可見，橡塑合金改性瀝青的各項(xiàng)馬歇爾體積指標(biāo)和路用性能均滿足JTG D50-2017規(guī)范要求，橡塑合金改性瀝青有突出的高溫穩(wěn)定性，應(yīng)用于抗車轍、抗疲勞要求較高的瀝青路面中面層較為適宜，同時(shí)橡塑合金改性瀝青具有優(yōu)良的低溫抗裂性能。2019年1月份對(duì)試驗(yàn)段橡塑合金改性瀝青混凝土的使用狀況進(jìn)行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)使用2 a后的15%R粉+4%L料橡塑合金改性瀝青混凝土試驗(yàn)段幾乎沒有出現(xiàn)車轍、松散、疲勞開裂等結(jié)構(gòu)性損害，車轍變形量明顯小于相鄰SBS改性瀝青路段，橡塑合金改性瀝青試驗(yàn)段路面開裂也明顯減少，試驗(yàn)段取得了良好使用效果，這也證明橡塑合金改性劑值得推廣應(yīng)用，研究成果為橡塑合金改性瀝青推廣應(yīng)用提供借鑒。

表10 橡塑合金改性瀝青指標(biāo)檢測匯總Table 10 Rubber-plastic alloy modified asphalt index de-tection summary試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果4583.524.5SBS(I-D)規(guī)范要求30～60>60>20

表11 AC-20橡塑合金改性瀝青混合料性能Table 11 AC-20 rubber-plastic alloy modified asphalt mixture performance類別馬歇爾密度/(g·cm-3)馬歇爾穩(wěn)定度MS/kN空隙率VV/%礦料間隙率VMA/%瀝青飽和度VFA/%馬歇爾殘留穩(wěn)定度MS0/%凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)最大彎曲應(yīng)變/με滲水系數(shù)/(ml·min-1)檢測結(jié)果2.46214.53.8711.369.998.496.56 9933 67936規(guī)范要求—>83～6≥1360～75>85>80>3 000>2 800<120

5 結(jié)論

a.隨著橡膠粉和LDPE摻量增大，橡塑合金改性瀝青的針入度減小，針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率顯著增大，同時(shí)48 h離析軟化點(diǎn)差增大， 5 ℃延度值隨橡膠粉摻量增大而緩慢增大，隨LDPE摻量增大而減小，增大橡膠粉摻量對(duì)橡塑合金改性瀝青的高低溫性能均有一定程度改善，而LDPE只是對(duì)橡塑合金改性瀝青的高溫性能有突出貢獻(xiàn)，過多的LDPE摻量將會(huì)對(duì)塑合金改性瀝青低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

b.橡塑合金改性瀝青有突出的高溫性能，即軟化點(diǎn)高于70 ℃，高溫PG分級(jí)達(dá)到82 ℃，且64 ℃抗車轍因子大于10 kPa，橡塑復(fù)合改性瀝青一定程度兼顧了改性瀝青產(chǎn)品的抗疲勞性能，低溫PG分級(jí)能夠達(dá)到-18 ℃，5 ℃延度大于20 cm，低溫性能與5%SBS改性瀝青相當(dāng)，同時(shí)熱貯存穩(wěn)定性良好，適合于濕法改性工藝。

c.橡塑合金改性瀝青有優(yōu)越高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能，與5%SBS改性瀝青相比，橡塑合金改性瀝青疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平變化的敏感程度更低，更具有耐久性。

d.試驗(yàn)段中面層5%RP+4%LDPE橡塑合金改性瀝青混凝土在服役2 a后，沒有明顯的車轍、松散、疲勞開裂等結(jié)構(gòu)性損害，車轍變形量明顯小于相鄰SBS改性瀝青路段，橡塑合金改性劑值得推廣應(yīng)用，研究成果為橡塑合金改性瀝青推廣應(yīng)用提供借鑒。