橡胶对沥青及混合料性能影响研究

李荣锋

（佛山市高明区城市重建和项目代建中心，广东佛山 528200）

0 引言

橡胶作为一种优良的沥青改性剂，橡胶改性沥青在高温流变、低温流变、抗老化性和抗疲劳性等路用性能上有良好的表现。不同于常用的SBS、SBR等改性添加剂，橡胶作为一种石化产品，与沥青同属于高分子有机材料，根据相似相溶原理，两者具有一定的亲和性[1]。橡胶的加入，不仅可以提高沥青混合料的路用性能，还能够对缓解环境压力、推动可持续发展等取得良好效果，具有重要的现实意义[2-4]。国外对橡胶沥青混凝土研究较早，已经取得一部分成果，南非60%以上道路沥青使用橡胶沥青，而且路面的热稳定性与低温性能都较好[5]。目前中国已有多条道路铺设试验段，但对橡胶沥青与基质沥青之间性能对比研究较少，对橡胶改性沥青混合料路用性能也少有了解。因此，本文采用针入度、软化点、延度、针入度指数以及弹性恢复等指标分析评价橡胶改性沥青并与基质沥青做对比。在此基础上，进一步评价橡胶改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及抗疲劳性能等，从而全面研究橡胶对沥青及其混合料性能的影响，为橡胶沥青的研究推广打下基础。

1 1 试验原材料及方法

1.1 1 原材料

（1）矿料。本试验所采用粗、细集料均为玄武岩，矿粉采用石灰岩矿粉。粗、细集料及矿粉检测试验方法参照《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2004)[6]，经试验测定其质量指标均符合《公，路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[7]。

（2）基质沥青。基质沥青采用壳牌AH-70#沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG 052-2000）[8]和试验方法测定各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，各项质量技术指标见表1。

表1 壳牌70#沥青技术要求

（3）橡胶粉。橡胶粉采用某公司生产的60目优质橡胶粉，其各项指标所需满足要求参照ASTM D6114[9]，规范要求与橡胶试验数据见表2。橡胶掺量为橡胶质量与橡胶沥青质量之比，试验所选掺量分别为12%、15%、18%、21%、24%。

表2 橡胶粉技术要求

1.2 橡胶改性沥青及其混合料制备方法

1.2.1 1橡胶改性沥青制备方法

110℃下烘干胶粉中水分，采用高速剪切仪边搅拌边加入橡胶粉，速度由慢至快，先1 000 rpm转速搅拌10 min，再4 000 rpm搅拌60 min，搅拌温度控制在180±5℃使橡胶粉充分均匀分散于基质沥青中，得到橡胶改性沥青。

1.2.2 橡胶改性沥青混合料制备方法

橡胶改性沥青混合料与基质沥青混合料级配均采用AC-16C。沥青混合料通过成型马歇尔试件计算各组试件的矿料间隙率、密度、沥青饱和度、空隙率，最后将成型的试件进行马歇尔稳定度试验，得到最佳油石比，基质沥青混合料最佳油石比为4.5%，橡胶掺量为18%的橡胶改性沥青混合料最佳油石比为6.2%。橡胶改性沥青混合料马歇尔成型方法与基质沥青混合料成型方法并无差别，只是拌合温度与压实温度要求更高，拌合温度控制在170℃左右，压实温度控制在160℃左右。特别注意橡胶改性沥青混合料的初凝时间较长，试件需室温养生5 d后方能进行后续试验。AC-16C级配见表3。

1.3 试验方法

（1）采用针入度、软化点与当量软化点评价橡胶改性沥青的高温性能，采用低温延度与当量脆点评价橡胶改性沥青的低温性能，采用针入度指数PI评价橡胶改性沥青的温度敏感性，采用弹性恢复性能指标用来反映改性沥青弹性增加的程度。

（2）分别采用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验、小梁弯曲疲劳试验以评价橡胶改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及抗疲劳性能。

2 橡胶对沥青性能的影响研究

根据工程经验以及参考大量文献，试验选取5个掺量，分别为12%、15%、18%、21%、24%。对基质沥青改性并采用相关试验方法研究橡胶对沥青性能的影响，确定橡胶最佳掺量。不同橡胶掺量对基质沥青改性试验结果见表4。

2.1 高温性能

基质沥青经橡胶粉改性后，针入度降低，软化点、当量软化点升高，结果表明沥青改性后高温性能得到提高。橡胶粉掺量为18%时，改性沥青软化点与当量软化点最高；掺量为21%时，针入度最低。

2.2 低温性能

基质沥青经橡胶粉改性后，延度增加，表明改性沥青在低温状态下具有较强的变形能力；同时当量脆点降低，可以有效提高沥青混合料的低温抗裂性。延度在掺量为21%时达到最高，而当量脆点在掺量为18%时达到最低值。

2.3 温度敏感性

基质沥青经橡胶粉改性后，针入度指数升高，温度敏感性降低，掺量为18%时，达到最高值。

2.4 弹性恢复

基质沥青经橡胶粉改性后，弹性恢复性能逐步提高。

表3 AC-16C级配组成

表4 不同掺量橡胶改性沥青技术结果

综合各种性能，并考虑到路面压实与经济性，推荐橡胶改性沥青采用18%的橡胶粉掺量，其综合性能最佳。

3 橡胶对沥青混合料性能的影响研究

采用橡胶掺量为18%的橡胶改性沥青成型试件，分别进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性等性能的研究，并与基质沥青混合料做对比，研究评价橡胶对沥青混合料性能的影响程度。

3.1 高温稳定性分析

采用车辙试验，测得动稳定度以研究评价橡胶改性沥青混合料的高温抗车辙性能，试验结果见表5。

表5 沥青混合料车辙试验结果

表5可以看出：添加18%橡胶粉后，沥青混合料的动稳定度有较大提高，表明橡胶粉的添加有利于提高基质沥青混合料的高温稳定性

3.2 低温抗裂性分析

采用低温小梁弯曲试验，试验温度选用-15℃，测试试件的破坏应变和劲度模量等指标，用以研究评价橡胶改性沥青混合料的低温抗裂性，试验结果见表6。

表6 沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

表6显示：改性后沥青混合料破坏应变有了较大的提高，但劲度模量有所增长。破坏应变显示橡胶改性沥青混合料低温抗裂性要优于基质沥青混合料，但劲度模量数据却显示低温抗裂性较差，这是由于橡胶粉的添加会增加沥青粘性，导致低温抗弯拉强度提高，因此破坏劲度模量反而增加。

3.3 水稳定性分析

对沥青混合料分别采取浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，利用残留稳定度与劈裂强度比评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见表7。

表7 沥青混合料浸水马歇尔与冻融劈裂试验结果

数据显示无论是残留稳定度还是冻融劈裂强度比，橡胶改性沥青混合料均有交大提升，这表明橡胶粉的添加可以有效增加沥青混合料的水稳定性。

3.4 抗疲劳性分析

采用15℃小梁弯曲疲劳试验，利用疲劳次数研究评价橡胶改性沥青混合料的抗疲劳性能，试验结果见表8。

表8 沥青混合料小梁弯曲疲劳试验结果

试验结果表明橡胶改性沥青混合料抗疲劳性能明显优于基质沥青混合料，这是由于橡胶粉的加入可以使增强混合料的柔韧性，从而提高疲劳寿命。

4 4 结论

通过采用针入度、软化点、延度等指标，研究橡胶对基质沥青的高温稳定性、低温抗裂性、温度敏感性以及弹性回复等性能的影响，并进一步利用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验、15℃小梁弯曲疲劳试验对橡胶改性沥青混合料进行了全面深入的研究。主要结论有：

（1）基质沥青经过橡胶粉改性后，高温性能提高、低温延度增加、温度敏感性降低、弹性恢复能力提高。在此基础上平衡各种性能，确定橡胶粉添加比例为18%时，其综合性能达到最优。

（2）橡胶改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性等路用性能都好于基质沥青混合料。

[1]王伟.橡胶沥青混合料高温性能研究[D].上海:同济大学,2008.

[2]李培蕾.橡胶沥青混合料配合比设计及路用性能研究[D].陕西西安:长安大学,2012.

[3]史经春.不同级配橡胶沥青混合料疲劳性能研究[J].湖南交通科技,2014,40(3):38-40.

[4]黄卫东,王 翼,高川,等.橡胶沥青混合料的疲劳性能[J].同济大学学报,2009,37(11):1482-1486.

[5]柳芒英.橡胶粉改性沥青及其混合料路用性能研究[D].江苏南京:南京林业大学,2009.

[6]JTJ058-2004,公路工程集料试验规程[S].

[7]JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[8]JTJ052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[9]ASTMD6114,Standard Specification for Asphalt-Rubber Binder[S].AJneriean Soeiety for Testing and Materials,1997.