溫拌橡膠改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

南永鋒

（張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，張家口 075000）

隨著交通行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)道路的要求也越來(lái)越高，為了能夠滿足當(dāng)前交通發(fā)展的需求，必須從道路材料方面著手，研發(fā)出性能更加優(yōu)良的道路建筑材料。1843 年英國(guó)開(kāi)始研究橡膠瀝青并申請(qǐng)了研究專利[1]。 美國(guó)在1940 年開(kāi)始研究橡膠瀝青。 繼美國(guó)之后，澳大利亞、印度、法國(guó)和南非等國(guó)也開(kāi)始研究橡膠瀝青， 通過(guò)科研工作者們的共同努力，橡膠瀝青開(kāi)始出現(xiàn)在工程實(shí)際中[2]。 大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1） 橡膠瀝青比基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出更低的溫度敏感性[3]。 （2）由于橡膠瀝青本身的結(jié)構(gòu)特性，使其具有更好的抗老化性能[4]。 （3）不同類型級(jí)配對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，開(kāi)級(jí)配的混合料具有較好的耐久性，密級(jí)配的混合料具有較好的抗低溫開(kāi)裂的能力[5]。 （4）橡膠瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫特性[6]。 國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)于20 世紀(jì)70 年代末開(kāi)始橡膠瀝青方面的探索，從此開(kāi)啟了橡膠瀝青路面研究的開(kāi)端，其研究重點(diǎn)主要是橡膠粉和瀝青發(fā)生溶脹后，改性瀝青粘度的變化情況，以及改性瀝青混合料路用性能的對(duì)比分析[7]。 通過(guò)這些基本研究，中國(guó)的橡膠瀝青路面于1981 年在江西順利鋪筑，這是我國(guó)對(duì)橡膠瀝青應(yīng)用的開(kāi)端[8]。

隨著對(duì)橡膠瀝青研究的不斷深入，人們開(kāi)始關(guān)注到橡膠瀝青在拌合及壓密過(guò)程中溫度過(guò)高的問(wèn)題。 因此，需要找到合理的解決措施來(lái)降低瀝青混合料拌和及施工溫度。 研究發(fā)現(xiàn)，溫拌劑可以使混合料降低20℃～30℃拌合及壓實(shí)溫度， 這種大幅度降溫，對(duì)于橡膠瀝青來(lái)說(shuō)意義重大。 本文為了研究橡膠瀝青中摻入溫拌劑后是否對(duì)其路用性能產(chǎn)生影響， 開(kāi)展溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的研究，其結(jié)果對(duì)于溫拌橡膠瀝青混合料的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 原材料及混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能

（1）溫拌橡膠瀝青制備

用于制備溫拌橡膠瀝青的主要原材料是基質(zhì)瀝青、溫拌劑和橡膠粉，基質(zhì)瀝青選擇東莞某瀝青有限公司產(chǎn)的埃索70 號(hào)A 級(jí)石油瀝青， 其技術(shù)性能見(jiàn)表1。 溫拌劑選擇常州某路面改性材料有限公司產(chǎn)的改性蠟類XT-W2 型固體溫拌劑， 其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。 橡膠粉目數(shù)采用80 目，主要是由汽車輪胎粉碎之后經(jīng)過(guò)分離、除金屬、篩選活化和脫硫等一系列工序加工而成。

表1 埃索70#A 級(jí)道路石油瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表2 XT-W2 型溫拌劑技術(shù)指標(biāo)

用于制備溫拌橡膠改性瀝青的制備工藝流程圖如圖1 所示。 為了確定溫拌劑和橡膠粉的摻量范圍，采用控制單一變量法，將制備好的含有不同摻量溫拌劑（W）和橡膠粉（R）的溫拌橡膠瀝青進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

圖1 溫拌橡膠瀝青制備工藝流程圖

表3 溫拌橡膠瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

從表3 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)， 橡膠粉摻量為18%時(shí)，隨溫拌劑摻量的增加，改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)先增加后降低，延度和旋轉(zhuǎn)粘度逐漸降低，彈性恢復(fù)逐漸增加；當(dāng)溫拌劑摻量為3%時(shí)，隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)、延度、旋轉(zhuǎn)粘度和彈性恢復(fù)逐漸增加。 綜合改性瀝青的各方面性能結(jié)果表現(xiàn)，采用溫拌劑摻量3%、橡膠粉摻量18%的組合進(jìn)行改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)。

（2）集料性能

試驗(yàn)選用石料共分為5 檔：1# （13.2～16 mm）、2#（9.5 ～13.2 mm）、3#（4.75 ～9.5 mm）、4#（2.36 ～4.75 mm）、5#（0.075～2.36 mm），其中1#、2#、3# 為玄武巖礦料，4#、5#為石灰?guī)r礦料，填料選擇石灰?guī)r礦粉。 各檔集料的技術(shù)性質(zhì)都滿足技術(shù)規(guī)范要求。

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)證實(shí)， 間斷級(jí)配SMA 的配合比設(shè)計(jì)更適合于溫拌橡膠瀝青，本文采用AR-SMA型級(jí)配，見(jiàn)表4；該類型的級(jí)配是在SMA 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的， 粗集料用量也在70%左右， 減少了SMA 混合料中的0.075 mm 通過(guò)率， 混合料中不再加纖維，骨料間隙依靠橡膠瀝青與細(xì)集料構(gòu)成的馬蹄脂填充。 混合料試驗(yàn)中采用5%SBS 改性瀝青混合料作為對(duì)照組， 其級(jí)配設(shè)計(jì)采用AC-13 型級(jí)配，見(jiàn)表5。

表4 AR-SMA-13 型級(jí)配

表5 AR-AC-13 型級(jí)配

根據(jù)以上2 組級(jí)配， 在預(yù)估油石比的基礎(chǔ)上，以0.3%的差值取5 個(gè)試驗(yàn)油石比， 進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。 AR-SMA-13 型級(jí)配的油石比取值為：6.3%、6.6%、6.9%、7.2%、7.5%，SBS 改性瀝青的油石比取值為：4.4%、4.7%、5.0%、5.3%、5.6%。 根據(jù)試驗(yàn)得到的馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)綜合得出溫拌橡膠改性瀝青混合料的最佳油石比為6.8%，SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比為5.2%。

2 瀝青混合料性能

為了評(píng)價(jià)溫拌橡膠改性瀝青混合料的性能，本文做了大量室內(nèi)試驗(yàn)，以同摻量橡膠粉的橡膠瀝青和5%SBS 改性瀝青作對(duì)比， 分析了溫拌橡膠改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 高溫性能

目前用來(lái)預(yù)估瀝青路面高溫指標(biāo)的車轍試驗(yàn)，主要使用車轍試驗(yàn)儀使試件在車輪荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生推移、流動(dòng)剪切變形，其目的是模擬在夏季高溫條件下，測(cè)定路面在車輛荷載下，混合料抵抗永久變形的能力，以動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其高溫性能。 車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表6 可以看出，溫拌橡膠改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于SBS 改性瀝青和橡膠瀝青，是SBS 改性瀝青混合料的1.9 倍， 相對(duì)橡膠瀝青提高了30.2%，說(shuō)明溫拌劑明顯提高了橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.2 低溫性能

瀝青混合料通常具有熱粘彈性， 當(dāng)溫度較高，且降溫速率較慢時(shí)，瀝青混合料內(nèi)部的溫縮應(yīng)力會(huì)因?yàn)閼?yīng)力松弛而自動(dòng)變小， 不影響路面的使用質(zhì)量。 但在氣溫較低，溫度下降速度快的環(huán)境中，瀝青路面表現(xiàn)出彈性材料的特性，溫縮應(yīng)力無(wú)法通過(guò)應(yīng)力松弛而消失，從而使溫縮應(yīng)力不斷集聚，路面最終出現(xiàn)溫縮斷裂。 選取試驗(yàn)環(huán)境為-10℃，施荷速率為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表7 可以看出， 從破壞應(yīng)變方面看，SBS 改性瀝青的破壞應(yīng)變最大，其次是橡膠瀝青，溫拌橡膠瀝青破壞應(yīng)變最小，說(shuō)明SBS 改性瀝青的低溫抗變形能力最好，加入溫拌劑后橡膠瀝青的低溫抗變形性能變差。從勁度模量上看，3 種瀝青混合料勁度模量大小分別為溫拌橡膠改性瀝青＜橡膠瀝青＜SBS改性瀝青，說(shuō)明加入溫拌劑后降低了橡膠瀝青的低溫柔韌程度， 使瀝青在低溫條件下變得更加脆硬，低溫下更容易產(chǎn)生破壞。

2.3 水穩(wěn)定性

導(dǎo)致路面產(chǎn)生水損的因素有3 方面：一是排水問(wèn)題，二是材料特性問(wèn)題，三是生產(chǎn)工藝問(wèn)題，其中路面用料性能是決定路面抗水損的根本因素。 在評(píng)價(jià)混合料的抗水損能力時(shí)， 需要考慮2 方面因素：一是瀝青和石料的黏結(jié)能力，采用水煮法、水浸法等試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試； 二是混合料的承受水損強(qiáng)度，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次選用浸水馬歇爾試驗(yàn)法，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抵抗水損能力，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表8 可以看出，3 種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度從大到小為：SBS 改性瀝青＞溫拌橡膠瀝青＞橡膠瀝青，說(shuō)明溫拌橡膠瀝青具有良好的抗水損害和剝落能力，溫拌劑在一定程度上提高了橡膠瀝青的水穩(wěn)定性，已基本接近于SBS 改性瀝青混合料。

2.4 疲勞性能

影響瀝青混合料疲勞壽命主要有2 大類：第一類是作用荷載和環(huán)境因素；第二類是瀝青混合料本身的因素。 在工程實(shí)際中，如果路段確定，那么其外界環(huán)境狀況等基本確定，此時(shí)決定混合料疲勞壽命的主要因素是混合料本身的特性。 利用美國(guó)MTS810 材料試驗(yàn)機(jī)， 選擇四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)分析溫拌橡膠瀝青混合料的疲勞壽命。 試驗(yàn)溫度取15℃，為得到疲勞特性方程，試驗(yàn)過(guò)程中取0.3、0.4、0.5、0.6 等4 個(gè)應(yīng)力比， 以反映不同的車輪荷載條件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

根據(jù)表9 疲勞試驗(yàn)結(jié)果， 采用應(yīng)力控制模式下的疲勞方程（1）進(jìn)行歸納分析得到其疲勞方程的參數(shù)。

式中：Nf為疲勞壽命；K 為應(yīng)力、疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的截距；n 為應(yīng)力、 疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的斜率；σ/S 為應(yīng)力比。

對(duì)3 種不同的瀝青混合料按照控制應(yīng)力模式下的疲勞壽命方程進(jìn)行線性回歸分析得到其對(duì)應(yīng)的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命方程如表10 所示。

表9 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表10 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表10 可以看出，3 種瀝青混合料的線性回歸相關(guān)系數(shù)R2均大于95%， 說(shuō)明得到的疲勞壽命方程能夠較好地表示瀝青混合料在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命。 通過(guò)對(duì)比分析3 種瀝青混合料的疲勞壽命方程可以發(fā)現(xiàn)，同樣條件下橡膠瀝青的疲勞壽命最大， 溫拌橡膠改性瀝青的次之，SBS 改性瀝青的最小。 斜率n 能夠反映應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響，n的絕對(duì)值越小， 說(shuō)明荷載變化對(duì)疲勞壽命影響越小。 3 種混合料中，溫拌橡膠改性瀝青和SBS 改性瀝青混合料疲勞壽命受荷載變化影響最小，橡膠瀝青影響較大。 溫拌劑加入后雖然一定程度上降低了橡膠瀝青的疲勞壽命，但也削弱了路面荷載變化對(duì)路面疲勞壽命的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)溫拌橡膠改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）3 種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大小為溫拌橡膠改性瀝青＞橡膠瀝青＞SBS 改性瀝青，溫拌劑顯著改善了橡膠瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

（2）從破壞應(yīng)變和勁度模量結(jié)果可知，3 種瀝青混合料低溫性能為溫拌橡膠改性瀝青＜橡膠瀝青＜SBS 改性瀝青，溫拌劑對(duì)于橡膠瀝青混合料的低溫產(chǎn)生不利影響，低溫時(shí)更易產(chǎn)生破壞。

（3）3 種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度從大到小為SBS 改性瀝青＞溫拌橡膠瀝青＞橡膠瀝青，溫拌劑提高了橡膠瀝青的水穩(wěn)定性，接近于SBS 改性瀝青混合料。

（4）溫拌劑對(duì)于橡膠瀝青混合料的疲勞壽命存在不利影響，但同時(shí)降低了路面荷載變化對(duì)疲勞壽命的影響。