沥青马蹄脂碎石混合料的制备及其性能

沈 凡，任 莉，赵明宇，陆 超，郭 凯

1.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430074;2.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 400070;3.湖北省公路工程咨询监理中心，湖北武汉 430030

0 引言

SMA(Stone Mastic Asphalt)混合料是具备骨架密实型结构的路面材料，近年来，已广泛应用于桥面铺装工程中，较之其它类型沥青混合料路用性能更好，有着明显的应用优势［1-2］.但是，由于桥梁的服役条件特殊，导致SMA在桥梁的应用中出现不同程度的病害(局部拥包、局部疲劳裂缝)，综合分析病害产生的原因，主要有以下两点:①桥面的使用条件温度较高，SMA铺装层易发生永久变形;②车辆超载严重，材料设计指标不足，出现疲劳裂缝［3-5］.因此，需要结合病害原因增加SMA路面的高温稳定性能和耐疲劳性能，避免病害产生.

橡胶高粘高弹改性沥青是在基质沥青的基础上，采用橡胶粉、SBS及增粘、增塑等组分进行复合改性制备而成的一种高性能改性沥青，具备优异的温度稳定性及粘韧性能，在排水路面及应力吸收层中都得到了成功应用［6-7］.若能将橡胶高粘高弹改性沥青应用于SMA路面，则混合料的温度稳定性能及抗疲劳性能必将有一定改善.此外，本文采用的橡胶粉为废旧轮胎磨细制备而成，具有一定的环保意义.

本文拟进行橡胶高粘高弹改性沥青配方优化设计，利用高粘高弹改性沥青制备SMA沥青混合料，与使用普通改性沥青SMA、普通高粘SMA的路用性能进行对比.

1 原材料及实验方法

1.1 橡胶高粘高弹改性沥青制备及实验方法

基质沥青选用重交70#道路沥青(AH-70)，技术指标如表1所示.SBS采YH-791线形SBS，嵌段比S/B为30/70;橡胶粉采用0.425 mm(40目)橡胶粉;增粘改性组分为石油类树脂;增塑改性组分为酯类化合物，无色油状液体，与沥青有良好的相容性.

采用FLUKO公司生产的FM300型实验室高速剪切分散乳化机(转速范围为300～11 000 r/min)配合加热保温套进行沥青改性实验.首先将基质沥青加热到185℃，依次缓缓加入橡胶粉、SBS、增粘组分、增塑组分，并持续剪切1 h，保持温度为180～200℃，剪切速率为3 000～5 000 r/min，将剪切后的沥青放置在165℃的烘箱中继续溶胀发育2 h，得到橡胶高粘高弹改性沥青.

表1 70#基质沥青技术指标Table 1 The performance of 70#asphalt

1.2 SMA制备及实验方法

分别采用SBS改性沥青、普通高粘沥青、橡胶高粘高弹改性沥青制备SMA沥青混合料，各类沥青性能指标如表2所示，石料选用优质的湖北通山玄武岩，填料为石灰石矿粉，纤维为深圳海川科技有限公司生产的聚酯纤维.

表2 SBS改性沥青、橡胶高粘高弹改性沥青指标Table 2 The performance of SBS modified asphalt，high viscosity and high elastic modified asphalt

按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中SMA的设计方法，制备三组油石比相同的SMA-13沥青混合料，依据《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JTG E20-2011)进行浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度、低温小梁弯曲4项路用性能测试;并以现象学法为基础，采用MTS材料试验机进行控制应力的三点弯曲疲劳测试，加载方式为10 Hz半正弦波，实验温度15℃.

2 橡胶高粘高弹改性沥青的制备及性能

本研究在经验范围内变化各改性组分的掺量进行改性沥青制备，并测试橡胶高粘高弹改性沥青的软化点、针入度、延度(5℃)、弹性恢复(5℃，25℃)、60℃粘度、180℃粘度指标的变化规律［8-9］，实验数据如表3所示.

由表3中A-1、A-2和A-3组的实验结果可知，在复合改性的条件下，随着SBS改性剂掺量的增加，软化点升高、针入度降低、延度增加、弹性恢复增加、粘度升高，SBS改性剂在本文复合改性体系中对各大指标的影响规律明显，为重要改性组分.但是，随着SBS掺量的不断增加，各大指标变化趋于平缓，这是由于沥青中的SBS分子链在高速剪切作用下形成网络，性能的提升存在极值，数据表明，在本研究的改性体系中，SBS掺量在6%时改性效果最好.

通过B-1和B-2组的实验结果可知，橡胶粉主要影响橡胶高粘高弹改性沥青的5℃弹性恢复及180℃粘度指标，随着橡胶粉掺量的增加，5℃弹性恢复能力明显增强，表现出明显的低温柔韧性.另外，高温(180℃)粘度明显增加，这易导致高粘SMA在施工过程中出现混合料离析及压实度不足的情况，因此，通过本实验可知，为防止用于SMA的橡胶高粘高弹改性沥青高温粘度过大，需要控制改性组分中橡胶粉的用量.

表3 不同改性组分配方对橡胶高粘高弹改性沥青性能的影响Table 3 The influence of difference formula on performance of high viscosity and high elastic modified asphalt

通过C-1和C-2组实验结果可知，增粘组分的加入主要影响改性沥青的60℃粘度，其掺量由1%增大到3%，60℃粘度增加了32%，增粘效果非常明显.本研究所用的增粘树脂的软化点达到110℃，比基质沥青的软化点高两倍以上，与基质沥青混溶后增加，在钢箱梁SMA路面的高温服役条件下具有优异的热稳定性能，提高沥青混合料抗永久变形能力.

通过D-1和D-2组的实验结果可知，增塑组分1%、2%、3%的情况下，针入度分别为47.5、53、56.5，影响规律明显，但增塑组分对其他各项指标的影响并无规律性.另外，所有实验组的25℃的弹性恢复都超过95%，说明在本改性体系下的改性沥青具备优异的弹性恢复性能，应用于SMA中可影响路面的抵抗疲劳能力.

综上所述，配方优化后的橡胶高粘高弹改性沥青具备优异的低温柔韧性及粘弹性能，可以提升沥青混凝土抵抗高温变形及抗疲劳能力，满足制备SMA对沥青的基本要求.

3 SMA性能比较与分析

3.1 路用性能

路用性能测试结果如表4所示.研究结果表明，采用橡胶高粘高弹改性沥青制备的SMA材料各项路用性能最优.其中，水稳定性能达到路面基本要求，且高于SBS及高粘沥青路面，水稳定性能优异;采用橡胶高粘高弹改性沥青制备的SMA路面高温稳定性能明显高于SBS及高粘SMA路面，且70℃动稳定度下降仅为16.2%，而SBS和高粘SMA路面70℃动稳定度下降分别为51%及38.6%，说明橡胶高粘高弹改性沥青明显改善了SMA路面的高温稳定性;由于橡胶粉增加了沥青的低温柔韧性，因此橡胶高粘高弹改性沥青的低温小梁弯曲实验结果最优，表现出优异的低温性能.

表4 采用不同沥青制备的SMA-13路用性能Table 4 The pavement performance of SMA prepared by difference asphalt

3.2 疲劳性能

疲劳性能的实验结果如表5及图1所示.

表5 采用不同沥青制备的SMA-13疲劳方程Table 5 The fatigue equation of SMA prepared by difference asphalt

图1 采用不同沥青制备SMA-13 S-N散点图Fig.1 The S-N scatter diagram of SMA prepared by difference asphalt

结果表明，采用橡胶高粘高弹改性沥青的SMA混合料的疲劳寿命值高于SBS及高粘沥青SMA，疲劳寿命最长;n值反应的是材料对载荷变化的敏感程度，3种不同改性沥青制备的SMA混合料中橡胶高粘高弹改性SMA的n值最小，说明其随着疲劳载荷的增加，疲劳寿命降低最小.因此，橡胶高粘高弹改性沥青改善了SMA混合料的疲劳特性，使SMA具备更优异的抗疲劳性能.

4 结语

a.橡胶粉对橡胶高粘高弹改性沥青的弹性恢复性能及高温粘度影响较大，考虑到在SMA应用过程中的施工性能，必须控制橡胶粉用量，但橡胶粉用量少会导致弹性恢复性能变差，在SMA中应用需要对胶粉掺量进行优化.

b.橡胶高粘高弹改性沥青在服役温度区间表现出优异的粘弹性能，软化点达到92℃，5℃弹性恢复达到86%，60℃粘度达到62 000 Pa·s.

c.采用橡胶高粘高弹改性沥青的SMA沥青路面抵抗高温车辙及抗疲劳性能优于普通SBS及高粘沥青路面.

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