橡胶粉与高模量复合改性沥青混合料性能研究

王军龙��

摘要：研究了橡胶粉和高模量剂掺量对SMA混合料综合路用性能的影响，并将其与SBS改性SMA混合料进行对比，采用双因素方差分析法研究了橡胶粉和高模量剂掺量变化对复合改性沥青混合料路用性能的影响。试验结果表明，基于橡胶粉与高模量剂复配技术所生产的SMA混合料，其综合路用性能可达到甚至超过SBS改性SMA混合料，该复合方案具有较好的技术优越性。

关键词：橡胶粉；高模量剂；复合改性沥青混合料；路用性能

中图分类号：U414.03 文献标志码：B

Abstract： The effect of rubber powder and high-modulus agent on general pavement performance of SMA mixture was studied and compared with that of SBS modified SMA mixture. Two-factor variance analysis method was applied to study the pavement performance of composite modified asphalt mixture affected by the mixing amount of rubber powder and high-modulus agent. Rubber powder and high-modulus agent modified asphalt mixture is proven to be advantageous in general pavement performance against SBS modified SMA mixture.

Key words： rubber powder； high-modulus agent； composite modified asphalt mixture； pavement performance

0 引 言

根据国内关于SMA沥青混合料的研究成果及工程应用的实践情况，目前主要采用SBS改性沥青和纤维改性剂生产SMA沥青混合料，SMA混合料的技术难点在于“三多一少”的骨架嵌挤结构，这对沥青、集料和施工技术提出了更高的要求[1]。研究表明，尽管SBS改性沥青所生产的SMA混合料具有高强且良好的变形协调性、优良的高温稳定性与抗剪能力以及耐疲劳等诸多良好的性能，但仍然存在不少问题。首先是成本问题，其次SBS改性沥青老化后变得硬脆，缺乏柔韧性，开裂以及疲劳裂缝等一些病害也屡见不鲜。大量研究表明，使用橡胶粉改性沥青不仅可以解决废旧橡胶轮胎污染环境的问题，也可有效改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能，同时提高沥青路面的柔韧性，延缓路面反射裂缝，增强路面除冰、降噪等功能[2-5]；另一方面，随着高模量沥青混合料在国省干线交叉口车辙处治和山区高速公路长大纵坡等一系列公路建设工程中的成功运用，其抗车辙和抗疲劳性能得到了业内的一致认可[6-7]。然而，采用橡胶粉或高模量剂生产的沥青混合料分别有其技术缺陷，目前鲜见采用橡胶粉与高模量剂复合改性方案生产SMA混合料的研究报道。本文将橡胶粉与高模量剂进行复配，充分利用这2种改性剂对沥青混合料技术性能的改善优势，以期实现减少SMA混合料工程造价、提高路面综合使用性能的目的。经室内试验和试验路验证，该方法具有较好的技术优越性，研究成果可为今后同类工程提供理论借鉴和研究思路。

1 原材料及配比

试验选用SK70重交通道路石油沥青和壳牌SBSI-B（SBS掺量为4.5%），经检测，沥青各项指标均满足现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F41—2004，以下简称《规范》）的相关技术要求[8]。橡胶粉是一种优良的沥青改性剂，可显著改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性。研究表明：橡胶颗粒粒径过大，其与沥青及其他粒径集料的粘附性差，容易造成橡胶颗粒松散和脱落，进而影响路面的耐久性；橡胶粉粒径越小，越容易均匀分散，在沥青中的硫化反应越充分，但也会增加工程造价。综合考虑，本研究采用的橡胶粉为实体工程中采用的泰华胶粉30目午轮胎胶粉，胶粉的筛分试验结果见表1。经室内试验筛选，初选的橡胶粉掺量（占沥青质量的百分比，下同）为18%、20%、22%、24%、26%、28%。

高模量剂采用PRM添加剂，由法国路面材料实业公司研发并生产，根据工程经验和厂家提供的添加比例，初选PRM掺量（占混合料质量的百分比，下同）为0.4%、0.6%、0.8%。

2 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料生产工艺

2.1 橡胶粉沥青制备

加热基质沥青到175 ℃后，加入预定质量的橡胶粉，为避免一次性加入橡胶粉过多而导致沥青温度下降过快，试验时控制橡胶粉的掺加速率为8 g·s-1，边加入橡胶粉边快速搅拌，使加入的橡胶粉能在短时间内与基质沥青混合均匀，并快速加热到所需的试验温度，待胶粉颗粒全部加入后，以4 500～5 000 r·min-1的剪切速率剪切45 min，然后在175 ℃下发育30 min。制成改性沥青之后，进行粘度、锥入度、软化点、弹性恢复率试验，结果如图1所示。

从图1可以看出：随着橡胶粉掺量增大，橡胶沥青的粘度呈二次函数关系减小，锥入度呈二次函数关系增大，橡胶粉掺量由18%增大到28%，橡胶粉改性沥青的粘度增大了2.5倍，锥入度减小了61%，可见增大橡胶粉掺量会导致施工难度增大，但可改善橡胶沥青的高温稳定性；随着橡胶粉掺量的增大，橡胶粉改性沥青的弹性恢复率呈先增大后减小的趋势，25%胶粉掺量时弹性恢复率出现峰值，软化点随橡胶粉掺量的增大而升高，橡胶粉掺量超过24%后软化点随橡胶粉掺量的升高幅度不明显。分析其原因，橡胶粉与基质沥青发生溶胀和硫化作用时吸收了沥青中的轻质组分，橡胶粉对基质沥青的网络填充和化学共混作用改变了沥青的胶体结构，起到了加筋和填充作用。

2.2 混合料级配

按照《规范》推荐的SMA沥青混合料的工程级配范围，并参考实体工程中选用的SMA-13试验级配，为减小橡胶粉颗粒对混合料级配的干涉作用，实体工程中减少了混合料中矿粉的比例，试验级配如表2所示。

2.3 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料配合比设计

按照《规范》中马歇尔法试验流程确定橡胶粉高模量剂复合改性沥青混合料的最佳油石比。试验时高模量剂的掺加方式采用“干法”工艺，PRM高模量剂对沥青混合料的增粘、改性作用主要在混合料拌和过程中发生，集料的加热温度、混合料拌和温度以及混合料拌和时间对高模量剂改性效果的发挥起着决定性作用[9]。通过方差分析研究混合料拌和温度和搅拌时间对高模量沥青混合料高温性能的影响，最终确定：集料加热温度为190 ℃～195 ℃，高模量剂与集料的干拌时间为90 s。混合料拌和时，先将预定质量的PMR改性剂和集料一起干拌90 s，使其在矿料中充分融化、分散均匀；然后再加入橡胶粉改性沥青，拌和60 s；最后加入矿粉，拌和60 s，总拌和时间为3.5 min。不同橡胶粉和PRM高模量剂掺量下复合改性SMA混合料马歇尔试验结果见表3。

表3中的试验结果表明：相同高模量剂掺量下，随着橡胶粉掺量的增加，复合改性沥青混合料的最佳沥青用量增大，马歇尔稳定度随橡胶粉掺量的增大而增大，试件内部处于拉压结合状态，由于SMA混合料有接近70%单一粒径粗集料，混合料抵抗破坏主要依靠沥青玛蹄脂结合料产生抗拉性能，可见增大橡胶粉掺量可提高复合改性沥青混合料在拉压复合应力作用下的抗破坏能力；相同橡胶粉掺量下，随着PMR高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度显著增大，而混合料油石比随PMR的增大变化并不明显；橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料的各项体积指标和力学指标均满足《规范》要求，采用马歇尔试验方法进行复合改性沥青混合料的配合比设计是合理可行的，这也说明本文确定的集料加热温度是合理的。

3 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料的路用性能

3.1 高温稳定性及温度敏感性

现行规范选取60 ℃车辙试验检测混合料高温性能，为了研究复合改性沥青混合料高温稳定性对试验温度的敏感性，本文车辙试验采用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃四个试验温度。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求进行车辙试验，试验结果见表4。

由表4可知：相同高模量剂掺量下，随着橡胶粉掺量的增大，复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度略有增加。方差分析结果表明，橡胶粉掺量对车辙试验动稳定度的影响P值小于005，可见橡胶粉作为改性剂掺加并没有显著改善复合改性沥青混合料的高温稳定性。其原因可能是：虽然橡胶粉在溶胀、硫化反应后形成了稳定的沥青-橡胶粉稳定体系，但随着橡胶粉掺量的增大，复合改性沥青混合料的最佳油石比增大，后者对温度的敏感性抵消了前者有利因素；随着高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料高温稳定性显著提高，同时车辙试验动稳定度对温度的敏感程度降低。方差分析结果表明，高模量剂掺量对车辙试验动稳定度的影响要比橡胶粉掺量显著。分析高模量剂对橡胶粉改性沥青混合料高温稳定性的改善机理：高模量剂高分子链在橡胶沥青中形成了的空间网络结构，限制沥青分子运动，高模量沥青中的弹性成分在较高温度时具有使沥青混凝土的变形部分恢复弹性的功能，相当于在沥青混合料内部多了一个应力缓冲层，起到了卸荷作用，因而降低了沥青混合料的车辙变形；此外，高模量剂的加入使沥青混合料的弹性模量增大，减少了不可恢复的残余变形，从而延缓了车辙的产生。相比SBS改性沥青混合料，0.6%、0.8%高模量剂掺量下复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度均远大于SBS改性沥青混合料，可见采用橡胶粉与高模量剂复合改性方案具有较好的技术优越性。

3.2 低温抗裂性

按照现行施工规范要求，采用低温小梁弯曲试验评价改性沥青混合料的低温抗裂性，试验方法参照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[10]

（简称《规程》）。试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm·min-1，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，试验结果见表5。

表5的低温弯曲试验结果表明：相同高模量剂掺量条件下，随着橡胶粉掺量的增大，复合改性沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变均增大，橡胶粉掺量对复合改性沥青混合料低温性能有显著影响。分析

主要原因有几点。一方面，橡胶粉的加入使沥青的粘度增大，温度敏感性降低，弹性变形能力提高，沥青胶浆劲度的改善对提高沥青混合料的低温抗裂性有重要影响，从而使橡胶沥青混合料的低温变形能力得到提高。另一方面，橡胶沥青混合料的橡胶沥青膜要比普通高模量沥青膜厚，而且橡胶沥青的松弛性能较好，使得橡胶沥青混合料具有很好的柔韧性；此外，橡胶粉与沥青间产生的吸附、扩散与键合作用，在粗集料的骨架之间起到了牢固粘结的作用， 结构沥青比重增大，使得复合改性沥青与集料之间的界面效应增强，沥青混合料中的各相材料通过各相间的界面结合成为整体，混合料整体性提高，从而使高模量沥青混合料的低温变形能力提高。橡胶粉掺量相同时，随着高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量增大，而弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势，适宜的高模量剂掺量为0.6%。分析其原因：适量的高模量剂掺入时，由于高模量剂的高分子链在沥青胶浆中形成网络结构，对橡胶沥青起到了加劲作用[14]，增强了混合料的劲度模量，同时提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性，混合料整体性提高；随着高模量剂掺量进一步增大，复合改性沥青混合料的柔韧性变差，复合改性沥青胶浆的轻度模量较大，施工和易性差，反而不利于SMA混合料骨架的形成，因此低温抗裂性降低。

3.3 水稳定性

按照现行施工规范要求，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性，试验方法参照现行《规程》执行，试验结果如图2、3所示。

图2、3的试验结果表明，随着橡胶粉掺量和高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比、马歇尔残留稳定度均呈先增大后减小的趋势，峰值劈裂强度对应的最佳橡胶粉和高模量剂掺量分别为22%、0.6%。

3.4 抗疲劳性能

疲劳试验采用中点加载简支梁弯曲试验法，加载采用应力控制方式，按照现行施工《规程》中的要求成型车辙板，切割成尺寸为40 mm×40 mm×250 mm小梁试件，在MTS材料试验机上进行加载，试验选用0.2、03、04、05四个应力比，支点间距为200 mm，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为连续式正弦波，这种加载方式下的疲劳寿命计算如式（1）所示，疲劳试验拟合结果如图4所示。

由图4可知：相同高模量剂掺量下，随着橡胶粉掺量的增大，疲劳试验拟合系数K值呈先增大后减小的趋势，n值呈先减小后增大的趋势，胶粉掺量为22%时K值出现峰值，n值出现最小值，K值越大，疲劳性能越好，n值越小，复合改性沥青混合料对应力水平的变化越不敏感，可见橡胶粉掺量对复合改性沥青混合料的抗疲劳性能有显著影响。分析其影响机理：一方面，增大橡胶粉掺量，复合改性沥青混合料的最佳油石比增大，混合料内部沥青膜厚度增大，柔韧性增强；当受到外界重复荷载时，橡胶颗粒在与沥青胶浆形成的共混体中通过银纹作用提高了混合料的整体柔性，橡胶粉改性沥青的柔性相当于在集料与沥青胶浆之间存在着一个应力吸收缓冲层，沥青胶浆产生较大的弹性变形，在混合料内部起到了卸荷作用。在一定范围内，随着橡胶粉掺量的增加，抗疲劳性能会有所提高，但是当橡胶粉掺量超过22%后，抗疲劳性能有所下降，这主要与橡胶粉分散的均匀程度有关，橡胶粉掺量越大，没有充分硫化的橡胶粉和集料得不到良好的粘附，在混合料内部聚集，形成软弱界面，诱发裂纹剪切带产生，界面粘结薄弱环节内部的微裂缝也相应地会多一些，宏观表现为疲劳试验双对数拟合曲线K值减小、n值先减小后增大的变化趋势。橡胶粉掺量相同，0.6%高模量剂掺量下的复合改性沥青混合料的疲劳试验双对数拟合曲线K值最大，同时n值最小，表明此时混合料抗疲劳性能最好。分析其原因，高模量剂的高分子链在复合改性沥青胶浆中所形成的网络结构加强了沥青胶浆与集料之间的粘附性，同时混合料整体模量的增大提高了复合改性沥青混合料的整体强度，但过多的高模量剂导致复合改性沥青混合料的柔韧性下降，混合料对应力水平的变化更加敏感，反而对其抗疲劳性能产生不利影响。

4 试验路铺筑

本课题依托甘肃省某高速公路沥青路面工程四合同段，在起点桩号为K12+750、终点桩号为K20+250的路段，采用22%橡胶粉与06%PRM高模量剂对沥青混凝土进行复合改性，铺筑4 cm厚复合改性沥青混凝土SMA-13上面层。工程实践证明，采用橡胶粉与高模量剂复配方案，不仅节约了施工成本，而且压实度、平整度等各项指标均符合设计要求。长达3年的试验路检测证明，该方法有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

5 结 语

（1）系统研究了橡胶粉和高模量剂掺量对SMA混合料综合路用性能的影响，并将其与SBS改性SMA混合料进行了对比。结果表明，基于橡胶粉与高模量剂复配方案所生产的SMA混合料，其综合路用性能可达到甚至超过SBS改性SMA混合料，推荐适宜的橡胶粉与PRM高模量改性剂掺配比例为22%橡胶粉（内掺）加0.6%高模量剂（采用“干法”工艺）。

（2）生产橡胶粉与PRM高模量复合改性沥青混合料时，控制集料加热温度为190 ℃～195 ℃，采用马歇尔法进行复合改性沥青混合料配合比设计，其各项体积指标和力学指标均满足规范要求。

（3）橡胶粉作为复合改性沥青混合料的改性剂并没有显著提高混合料的高温性能，而是显著改善了复合改性沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能。

（4）随着PRM高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料的高温稳定性提高，抗车辙能力对温度的敏感性降低，0.6%高模量剂掺量下，复合改性沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能最优。

参考文献：

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[8] JTG F41—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[9] 赵锡娟.高模量沥青混凝土材料组成及路用性能研究[D].西安：长安大学，2009.

[10] JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[责任编辑：王玉玲]