橡膠粉高粘改性排水瀝青混合料性能研究

劉洪磊 邵景干 姜帥 岳光華 徐琦 李文凱

摘 要： 選用SBS及橡膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性來(lái)制備高粘復(fù)合改性瀝青，以彌補(bǔ)瀝青路面因大孔隙路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來(lái)的性能不足。在2種70#基質(zhì)瀝青中分別摻入4.5%的SBS和0%、6%、8%、10%、12%、14%的橡膠粉制備橡膠復(fù)合改性瀝青，并對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行3大指標(biāo)、60 ℃動(dòng)力黏度、135 ℃布氏黏度試驗(yàn)得出，橡膠粉推薦摻量為10%～12%。對(duì)復(fù)合改性O(shè)GFC-13排水式瀝青混合料開展配合比設(shè)計(jì)及高溫性能、水穩(wěn)定性能、析漏及分散性能研究得出，SBS摻量固定為4.5%，橡膠粉摻量為12%時(shí)，2種橡膠復(fù)合改性瀝青混合料高溫抗車轍能力、抗磨耗能力性能最優(yōu)，橡膠粉摻量為10%時(shí)，2種橡膠復(fù)合改性瀝青混合料抗水損害能力性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 橡膠粉；高粘改性瀝青；礦料級(jí)配；油石比；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)： U416.217；TQ333.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1001-5922（2023）08-0004-05

Study on properties of high viscosity modified drainage

asphalt mixture of rubber powder

LIU Honglei1，SHAO Jinggan2，JIANG Shuai1，YUE Guanghua1;XU Qi1;LI Wenkai2

（1.Henan Goldroad Industrial Group Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan China;

2.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： SBS and rubber powder were used to prepare high viscosity composite modified asphalt by composite modification of matrix asphalt，so as to make up for the lack of performance of asphalt pavement due to the structural characteristics of large pore pavement.Rubber composite modified asphalt was prepared by mixing 4.5% SBS and 0%，6%，8%，10%，12% and 14% rubber powder into Shell and Donghaizai 70# matrix asphalt by a certain shear and stirring process.The three indexes of composite modified asphalt，dynamic viscosity at 60 ℃ and Brinell viscosity at 135 ℃ were tested.The recommended dosage of rubber powder is 10%-12%.Through the research on the mix ratio design，high temperature performance，water stability performance，leakage and dispersion performance of the composite modified OGFC-13 drainage asphalt mixture，it is concluded that when the SBS content is fixed at 4.5% and the rubber powder content is 12%，the Shell and Donghai rubber composite modified asphalt mixture has the best high temperature rutting resistance and abrasion resistance performance.When the content of rubber powder is 10%，Shell and Donghai brand rubber composite modified asphalt mixture has the best water damage resistance performance.

Key words： rubber powder；high viscosity modified asphalt；mineral aggregate grading；oil stone ratio；asphalt mixture；road performance

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）及橡膠粉（CRM）作為瀝青改性劑被廣泛應(yīng)用到路面工程當(dāng)中。SBS能夠增加瀝青當(dāng)中膠質(zhì)的占比，通過(guò)分子之間的相互作用，使瀝青膠體狀態(tài)向凝膠體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改善瀝青路面的高低溫性能，但SBS作為瀝青改性劑單價(jià)較高，一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。而橡膠粉（CRM）由廢舊輪胎制成，成本較低，不僅符合國(guó)家“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)作為一種改性劑能夠增加瀝青黏度，降低瀝青對(duì)溫度的敏感性，改善瀝青路面的路用性能。因此，研究選用OGFC開級(jí)配排水式瀝青混合料進(jìn)行研究，針對(duì)SBS和橡膠粉的特點(diǎn)，將2種改性劑共同摻入到基質(zhì)瀝青當(dāng)中進(jìn)行復(fù)合改性制得橡膠粉高粘 ?改性瀝青，通過(guò)對(duì)橡膠粉高粘改性瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及OGFC排水式瀝青混合料高溫抗車轍、抗水損害、析漏及飛散等試驗(yàn)研究，評(píng)價(jià)橡膠粉摻量對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響，為橡膠粉高粘改性排水瀝青混合料在工程中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

分別選用殼牌及東海牌70#A級(jí)道路石油瀝青開展研究，并參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)，2種瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.1.2 改性劑

本課題選用橡膠粉（CRM）及SBS分別對(duì)殼牌及東海牌70#A級(jí)道路石油瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。橡膠粉的粒徑為40 目，由河南金歐特實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)；SBS是型號(hào)為YH-791H 的熱塑性丁苯橡膠；由中國(guó)石油化工股份有限公司生產(chǎn)，橡膠粉及SBS 主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3所示。

1.2 橡膠粉復(fù)合改性瀝青

1.2.1 橡膠粉復(fù)合改性瀝青制備

參考文獻(xiàn)進(jìn)行橡膠粉復(fù)合改性瀝青制備[3-5]。東海牌、殼牌為基質(zhì)瀝青，SBS摻量為4.5%（占瀝青質(zhì)量），橡膠粉摻量分別為0%、6%、8%、10%、12%和 14%（占瀝青質(zhì)量）;2種改性劑均采用外摻法。橡膠粉復(fù)合改性瀝青制備流程：①將基質(zhì)瀝青在干燥鼓風(fēng)干燥箱中加熱到165 ℃成熔融狀態(tài)并保溫30 min；②將瀝青溫度升到190 ℃，4.5%的SBS加入到基質(zhì)瀝青當(dāng)中，用高速剪切機(jī)在300 r/min的轉(zhuǎn)速下高速剪切30 min；③再將摻量分別為0%、6%、8%、10%、12%、14%的橡膠粉加入，用高速剪切機(jī)在300 r/min的轉(zhuǎn)速下高速剪切30 min，剪切過(guò)程中瀝青溫度保持在190 ℃左右；④2種改性劑添加完畢后將瀝青試樣放在180 ℃的干燥鼓風(fēng)干燥箱中靜置發(fā)育2 h，最終制備成橡膠粉復(fù)合改性瀝青。

1.2.2 ?3大指標(biāo)

對(duì)制備好的橡膠粉復(fù)合改性瀝青參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）相關(guān)要求開展針入度、軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的針入度整體均呈降低趨勢(shì)，當(dāng)摻量超過(guò)12%時(shí)，針入度略有升高，這主要因?yàn)橄鹉z粉摻入后，瀝青中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)與橡膠粉相互融合，瀝青黏度增大，針入度不斷降低，當(dāng)橡膠粉摻量過(guò)大時(shí)，瀝青中的低分子組分占比不斷降低;故而針入度略有升高。隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，當(dāng)摻量超過(guò)10%后，升高趨勢(shì)變緩，表明橡膠粉的摻入能夠改善瀝青的高溫穩(wěn)定性能；隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的5 ℃延度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì);當(dāng)摻量超過(guò)10%后，瀝青延度均高于僅摻4.5% SBS的瀝青，表明大摻量的橡膠粉在瀝青中高溫剪切溶脹反應(yīng)后能夠溶解到瀝青當(dāng)中形成絲狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了瀝青的低溫延展性。

1.2.3 ??60 ℃動(dòng)力黏度

對(duì)制備好的橡膠復(fù)合改性瀝青參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）相關(guān)要求開展 60 ℃動(dòng)力黏度試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

由表5 可知，隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，這主要因?yàn)橄鹉z粉的摻入會(huì)在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了瀝青的流動(dòng)，增加了瀝青的黏度，摻量越大，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越致密，分子間的阻尼作用越顯著，黏度越大；當(dāng)摻量為8%時(shí)，2種復(fù)合改性瀝青的黏度均超過(guò)20 000 Pa·s，滿足了高粘瀝青黏度的要求；橡膠粉摻量超過(guò)12%后，瀝青黏度升高的趨勢(shì)變緩；橡膠粉摻量相同時(shí)，東海牌復(fù)合改性瀝青黏度均高于殼牌復(fù)合改性瀝青，表明東海牌瀝青的配伍性優(yōu)于殼牌。

1.2.4 ??135 ℃布氏黏度

布氏黏度決定瀝青混合料拌和、攤鋪及碾壓等施工溫度。對(duì)制備好的橡膠復(fù)合改性瀝青參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）相關(guān)要求開展 135 ℃布氏黏度試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青135 ℃布氏黏度均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，當(dāng)摻量小于10%時(shí)，增幅較緩，當(dāng)摻量超過(guò)10%，增幅較大，表明小摻量的橡膠粉對(duì)于瀝青的改性效果不顯著，但摻量過(guò)大時(shí)又會(huì)造成施工成本的增加。綜合上述發(fā)現(xiàn)，橡膠粉摻量在10%～12%時(shí)，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的相關(guān)性能均能得到很好改善，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，推薦10～12%橡膠粉的摻量對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。

1.3 玄武巖纖維

本課題選用的玄武巖纖維由鄭州登電集團(tuán)生產(chǎn)，規(guī)格型號(hào)分別為6 mm-17 με，它是一種礦物纖維，具有良好的韌性、分散性和化學(xué)穩(wěn)定性，其性能指標(biāo)如表7所示。

2 配合比設(shè)計(jì)

本課題選用OGFC-13開級(jí)配排水瀝青路面進(jìn)行研究，為增強(qiáng)礦料之間的粘接能力，選用偏堿性的10～15、5～10 、3～5 mm玄武巖碎石作為粗集料，細(xì)集料為玄武巖破碎而成的0～3 mm機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)制得；粗、細(xì)集料及礦粉相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004規(guī)定，OGFC-13礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表8所示。以殼牌橡膠粉復(fù)合改性瀝青為代表開展配合比設(shè)計(jì)，SBS及橡膠粉的摻量分別為4.5%、10%（占瀝青質(zhì)量）；OGFC-13混合料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

3 路用性能

分別選用殼牌及東海牌橡膠粉復(fù)合改性瀝青為OGFC-13混合料的膠結(jié)料，在SBS摻量為4.5%的前提下，分別對(duì)0%、6%、8%、10%、12%和14%摻量的橡膠粉OGFC-13混合料開展高溫抗車轍、抗水損害、析漏及飛散性能研究，并分析橡膠粉摻量對(duì)OGFC-13混合料性能的影響。

3.1 高溫穩(wěn)定性

本文選用車轍試驗(yàn)來(lái)分析不同橡膠粉摻量下2種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)殼牌、東海牌瀝青僅摻入 4.5% SBS 時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)小于3 000次/mm的規(guī)范要求；橡膠粉摻量相同時(shí)，東海牌橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能均優(yōu)于殼牌瀝青。隨著橡膠粉摻量的增加，2種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均逐漸增大， 當(dāng)橡膠粉摻量大于10%時(shí)，均超過(guò)3 000次/mm，當(dāng)橡膠粉摻量超過(guò)12%時(shí)，增幅降低，這主要因?yàn)橹挥谐渥愕南鹉z粉與瀝青產(chǎn)生溶脹作用才能保證復(fù)合改性后的瀝青有足夠的黏度，從而提高混合料的高溫抗塑性變形；從高溫性能方面考慮，橡膠粉的推薦摻量為12%。

3.2 水穩(wěn)定性

本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)分析不同橡膠粉摻量下2種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料的抗水損害能力，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，當(dāng)殼牌、東海牌瀝青僅摻入 4.5%SBS 時(shí)，混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂的試驗(yàn)結(jié)果均分別小于80%、75%改性瀝青混合料的要求。隨著橡膠粉摻量的增加，2種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂的試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)橡膠粉摻量為10%時(shí)，均達(dá)到峰值。從水穩(wěn)定性能方面考慮，橡膠粉的推薦摻量為10%。

3.3 飛散、析漏性能

本課題選用飛散、肯特堡析漏試驗(yàn)來(lái)分析不同橡膠粉摻量下2種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料的抗脫落散失能力，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，隨著橡膠粉摻量的增加，兩種OGFC-13復(fù)合改性瀝青混合料的飛散、析漏試驗(yàn)均逐漸降低，當(dāng)橡膠粉摻量大于12%時(shí)，降低趨勢(shì)變緩，表明橡膠粉的摻入能夠增加瀝青的黏度，增[LL]強(qiáng)了礦料之間的粘附能力，提升了OGFC-13瀝青路面的抗磨耗能力。從抗磨耗能力方面考慮，橡膠粉的推薦摻量為12%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)SBS摻量為4.0%時(shí)，隨著橡膠粉摻量的增加，殼牌、東海牌2種橡膠復(fù)合改性瀝青的針入度整體均逐漸降低，軟化點(diǎn)、60 ℃動(dòng)力黏度、135 ℃布氏黏度、均逐漸升高，5 ℃延度均呈現(xiàn)先降低后升高。綜合性能和經(jīng)濟(jì)性考慮，橡膠粉推薦摻量為10%～12%；

（2）當(dāng)SBS摻量為4.0%時(shí)，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠粉復(fù)合改性O(shè)GFC-13開級(jí)配排水瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均逐漸增大，浸水馬歇爾及凍融劈裂的均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，飛散、析漏試驗(yàn)均逐漸降低。從高溫及抗磨耗性能方面考慮，推薦橡膠粉摻量為12%，從水穩(wěn)定性能方面考慮，推薦橡膠粉摻量為10%。

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