废旧橡胶粉与SBS复合改性沥青混合料路用性能及应用技术

杨　光，申爱琴，陈志国，于丽梅

(1.长安大学,陕西　西安　710064;2.吉林省交通规划设计院,吉林　长春　130021；

3.吉林省交通科学研究所,吉林　长春　130012)



废旧橡胶粉与SBS复合改性沥青混合料路用性能及应用技术

杨光1,2，申爱琴1，陈志国3，于丽梅3

(1.长安大学,陕西西安710064;2.吉林省交通规划设计院,吉林长春130021；

3.吉林省交通科学研究所,吉林长春130012)

摘要：为系统研究废旧橡胶粉与SBS复合改性沥青(CR/SBSCMA)的路用性能与应用技术，围绕CR /SBSCMA的制备工艺，CR /SBSCMA混合料的设计方法以及高温性能、低温性能、水稳定性能、力学性能进行了全面的研究，结合在高速公路工程建设中的应用总结了关键施工技术。研究结果表明：密级配CR /SBSCMA混合料具有优良的路用性能和力学性能。相比SBS改性沥青混合料，其高温性能、低温性能提高幅度均较为明显，水稳定性也有一定的改善，且在高温与低温条件下均具有良好的力学性能。应用于寒冷地区既可以提高高温抗车辙性能，也可以改善低温柔韧性。在施工中应严格控制施工温度、存储工艺以及混合料的拌和、碾压等关键工艺，保证施工质量。

关键词：道路工程；CR /SBSCMA；应用技术；高温性能；低温性能；水稳定性；力学性能；施工技术；

0引言

当前我国经济社会发展进入新阶段，保护环境与节约资源已引起广泛重视。随着国家经济的快速发展，截止2014年底，我国汽车保有量达1.54亿辆，与此同时，我国废旧轮胎每年以14%的速度增加，造成了严重的“黑色污染”[1-2]。如何实现废旧轮胎的循环利用，节约资源，保护环境，成为我国目前亟待解决的问题。

研究及实践表明[3-10]，将废旧轮胎制成胶粉，作为改性剂加入沥青中制成改性沥青，不仅可以减少废旧轮胎的污染，保护环境，而且还可以有效地改善沥青的高低温性能、抗老化性能，降低噪声。但工程实践表明，橡胶粉单一改性沥青中胶粉掺量大，改性沥青黏度大，施工拌和、摊铺、碾压温度较高，施工质量难以控制，容易导致路面空隙率大，耐久性差。而热塑性丁苯橡胶(SBS)是一种建有塑料和橡胶特性的“新型三代合成弹性体”，可明显改善沥青的高低温性能、弹性性能及混合料的稳定性能、抗老化性能[11]。但受石油储量的限制，SBS的价格比较昂贵，一定程度上制约了SBS改性沥青的发展。

本文充分考虑SBS与废旧胶粉自身特点，系统研究废旧胶粉与SBS复合改性沥青(以下简称CR /SBSCMA)混合料的路用性能，包括高温性能、低温性能、水稳定性和力学性能，并从工程实践中总结CR /SBSCMA混合料关键施工技术，为其推广应用奠定基础。

1试验原材料

1.1基质沥青

基质沥青采用辽河90#，主要技术指标见表1，各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)中道路石油沥青A级技术要求。

表1　辽河90#基质沥青性能指标

1.2SBS

SBS采用中国某石化公司生产的YH-791型SBS，主要技术性能指标如表2所示。

表2　YH-791型SBS主要性能指标

1.3废旧胶粉

胶粉采用山东某橡胶厂生产的40目废旧轮胎胶粉，主要技术性能指标见表3。

表3　40目胶粉的主要技术指标

2CR /SBSCMA制备及性能指标

2.1制备工艺

根据胶粉与SBS复合改性沥青的特点，参考国内外的研究成果[12]，并经过科学合理的分析，本文配方采用内掺20%的40目胶粉和内掺沥青用量2%的SBS，具体制备工艺如下：

(1)将基质沥青快速升温至180～190 ℃。

(2)通过计量系统和物料添加系统投入规定计量的橡胶粉、SBS改性剂及添加剂，边加料边搅拌，进行充分溶胀，期间保持温度为180～190 ℃。

(3)将混合物料在美国DALWORTH高剪切胶体磨中高速剪切30～40 min，使橡胶粉颗粒和SBS在经过6级剪、磨工序后，分布更为均匀。

(4)剪切完成后，在175～185 ℃发育温度下，将经过研磨分散后的复合改性沥青发育60～90 min，使其具有相当活力的轻质油分渗透到改性剂中，或具有相当活力的稳定剂分子与改性剂及沥青硬组分发生键合，达到最好的发育效果，得到试验用的CR/SBSCMA。

2.2主要性能指标

经检测，制备的CR /SBSCMA主要性能指标如表4所示。

表4　常规性能指标

3CR/SBSCMA混合料的设计

3.1原材料性能

试验选用CR/SBSCMA，其中橡胶粉掺量20%，SBS掺量为2.0%，其主要技术指标见表4。选用SBS改性沥青(掺量5%)作为参照，性能指标见表5。

表5　SBS改性沥青性能指标

3.2级配类型选择

由沥青混合料的结构强度可知，要得到性能优良的沥青混合料必须具有两个条件[13]。

(1)主骨架充分嵌挤，形成骨架结构，以保证良好的内摩阻力；

(2)沥青胶浆应具有较大的黏结强度且充分填充主骨架的孔隙，使混合料密实。

对于CR /SBSCMA混合料设计而言，核心问题是级配的选择。国外学者认为橡胶沥青黏度大且内部存在较大的橡胶粉颗粒，从而在宏观上会影响沥青混合料中矿料的嵌挤状态，为适应橡胶沥青的这一特性，混合料设计中需减少细集料或矿粉的用量，增大矿料间隙率VMA，为橡胶沥青提供更大的填充空间，避免胶粉颗粒对集料嵌挤形成干涉作用。为此,国外橡胶粉改性沥青混合料级配主要是间断级配和开级配。

而本文采用的CR /SBSCMA，是通过胶体磨的高速剪磨作用，使橡胶颗粒和SBS进一步细化，保证橡胶粉颗粒和SBS更均匀地分布在沥青中，不会对沥青混合料的级配产生干涉，可适用于密级配。同时，考虑到我国北方寒冷地区目前高速公路沥青路面结构常用的级配类型，本文选择密级配SMA-16和AC-20进行混合料设计，CR /SBSCMA和SBS矿料级配曲线分别见表6、表7。

表6　CR /SBSCMA矿料级配

表7　SBS矿料级配

3.3油石比确定

CR/SBSCMA和SBS两种改性沥青混合料在最佳沥青用量下的马歇尔试验结果分别见表8、表9。

表8　CR /SBSCMA沥青混合料体积指标

表9　SBS沥青混合料体积指标

3.4高温稳定性试验研究

沥青混合料高温稳定性试验采用60 ℃车辙试验来评价，试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20—2011)进行。试验结果见图1。从图1中可以看出，相比SBS改性沥青混合料而言，AC-20型CR/SBSCMA混合料动稳定度平均值提高幅度为59%，SMA-16型CR /SBSCMA混合料动稳定度平均值提高幅度可达55%。可见，CR/SBSCMA可有效提高高温稳定性。

图1　动稳定度对比Fig.1　Dynamic stability comparison

3.5低温抗裂性试验研究

沥青路面开裂是导致北方寒冷地区沥青路面破坏的最主要病害，裂缝的出现会使水进入到路面结构中，导致路面结构承载力和使用寿命降低。试验中采用常用的低温弯曲试验方法评价沥青混合料低温变形能力，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20—2011)有关规定进行试验，将轮碾成型的试件切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁，试验温度-10 ℃，加载速率50 mm/min。图2 为不同沥青混合料低温小梁弯曲破坏应变平均试验结果。

图2　低温小梁弯曲破坏应变对比Fig.2　Failure strain comparison of bending test in low temperature

从图2中可以看出，相比SBS单一改性沥青混合料而言，AC-20型CR/SBSCMA混合料低温小梁弯曲应变提高幅度为143%，SMA-16型CR /SBSCMA混合料动稳定度提高幅度可达154%。可见，橡胶粉对于提高SBS改性沥青混合料的低温性能更为明显，应用于北方寒冷地区公路沥青路面工程中可有效改善沥青路面的低温抗裂性能。

3.6水稳定性试验研究

水稳定性也是CR /SBSCMA混合料应用比较关键的路用性能之一，尤其是北方寒冷地区，在水分及冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青黏附性降低，并逐渐丧失黏结力，沥青膜从石料表面脱落，导致沥青混合料掉粒、松散，形成坑槽。本试验按《公路工程及沥青混合料试验规程》(JTG E-20—2011)的规定，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。从图3的试验结果来看，CR/SBSCMA混合料的水稳定性满足规范要求。

图3　水稳定性试验结果Fig.3　Results of water stability test

3.7力学特性试验研究

(1)低温蠕变性能

蠕变柔量指标作为重要的设计参数，可以用于线弹性或非线弹性层状体系理论计算，用来评价沥青路面在温度及车辆重载作用下的低温抗裂性能。本文采用间接拉伸蠕变试验对CR/SBSCMA混合料以及SBS改性沥青混合料在0，-5，-10 ℃条件下的低温蠕变性能进行对比试验。

试验采用UTM动态伺服液压材料试验系统，试件尺寸为φ150 mm×50 mm，先使用Superpave旋转压实仪制作直径为150 mm，高为200 mm的沥青混合料圆柱体试件，而后将试件两端切割成直径150 mm，厚50 mm圆片，保证时间上、下两端面光滑、平行。试验对旋转压实仪成型的试件进行试压和调整，使芯样试件的密度符合马歇尔试验标准击实密度100%±1.0%的要求，然后进行试验。

试验步骤如下：

1)将试件置于环境箱中，在试验温度下维持在(3±1)h。

2)在2 000 N静荷载下作用1 000 s，记录固定荷载作用时间内试件横向、纵向形变规律。

蠕变柔量的计算公式如下：

(1)

沥青混合料在不同温度下的蠕变柔量试验数据如表10所示。

表10　不同温度下沥青混合料的蠕变柔量(单位：×10-5 MPa-1)

从表10蠕变柔量试验结果可以看出，无论是AC-20还是SMA-16沥青混合料，在相同温度条件下CR /SBSCMA混合料的蠕变柔量均高于SBS改性沥青混合料，对于沥青混合料而言，在恒定应力作用下，应变随时间和温度的变化而变化。蠕变柔量和蠕变劲度模量呈倒数关系，即:

(2)

式中，S(t)为沥青混合料的蠕变劲度模量；ε(t)为不同时间作用下试件的应变值，P为试件的蠕变荷载。沥青混合料蠕变柔量值较高，表明其在低温条件下劲度模量较小。可见，CR/SBSCMA混合料在低温条件下相同荷载作用时其柔韧性更好。

从图4蠕变柔量(-10 ℃)与低温性能(-10 ℃)关系图可以看出，小梁弯曲应变与蠕变柔量规律的一致性，即蠕变柔量越大的沥青混合料其低温性能也越好，相比SBS改性沥青混合料而言，CR/SBSCMA混合料具有更为优良的低温路用性能及力学性能。

图4　蠕变柔量与低温性能关系图Fig.4　Relation of creep compliance and low temperature performance

(2)高温动态模量

动态模量是表征沥青路面结构在动态荷载作用下动态响应规律性的重要参数，也是路面动力学特性分析的基础。沥青混合料的动态模量试验是在模拟汽车动荷载的作用条件下，在加载加速比较快的情况下(相当于静态加载速度的几十到几百倍)测定路面材料的模量。

试验方法按照T0738—2011沥青混合料单轴压缩动态模量试验进行。试件尺寸为φ100 mm×150 mm。试件成型方法与低温蠕变试验相同。本次试验采用UTM动态伺服液压材料试验系统，常应力控制方式，对圆柱体试件在轴向施加正弦荷载，在60 ℃温度和9个不同加载频率下测定两种沥青混合料的动态模量，评价60 ℃高温条件下的力学性能见图5。

图5　动态模量试验试件Fig.5　Specimen of dynamic modulus test

由图6不同频率下沥青混合料动态模量试验结果可以看出，在60 ℃高温频率相同的条件下，对于同一结构类型，CR/SBSCMA混合料的动态模量均要高于SBS改性沥青混合料，也就是说高温条件下，相同荷载作用时CR/SBSCMA混合料抵抗变形的能力好于SBS改性沥青混合料。这一点从图1两种沥青混合料的动稳定度对比也可以看出，无论是AC-20还是SMA-16，CR/SBSCMA混合料60 ℃ 的车辙动稳定度远高于SBS改性沥青混合料，即高温动态模量越高，抗车辙性能越好。

图6　不同频率下沥青混合料动态模量试验结果Fig.6　Dynamic modulus of asphalt mixture in different frequency

4应用关键技术

(1)储存要求

CR /SBSCMA的储存工艺是工程应用的关键控制工艺之一，为了避免离析，在应用中宜做到随到随用，高温下存储时间不宜超过3 d，如特殊情况需要储存超过3 d以上，需降温至160 ℃保存。

(2)施工机械配置

由于CR/SBSCMA黏度高、易离析，为满足CR/SBSCMA储存及混合料拌和工艺要求，施工时需要对以往应用的改性沥青混合料的施工机械设备进行改造，主要包括：增加立式沥青搅拌罐，减少复合改性沥青在施工及储存中的离析；增加沥青输送管道孔径，并在管道外壁增加保温措施，避免沥青在输送中因温度降低、黏度过大堵塞输送管道；改造拌和站温度控制设备，保证施工温度。

(3)施工控制要求

① 施工温度控制

温度是影响CR /SBSCMA混合料施工质量的重要因素，在混合料进行大面积摊铺前，根据试验段的试铺，应总结出了适宜的施工温度要求，并严格控制各工序温度。表11为北方寒冷地区CR/SBSCMA施工温度要求。

② 拌和工艺要求

由于CR/SBSCMA黏度较大，不易拌和，为保证混合料的拌和质量，需要适当延长混合料的拌和时间5～10 s，并保证每盘混合料的拌和质量按满负荷的75%控制。沥青输送管道内不易设置滤网，以便使CR/SBSCMA顺利通过，提高沥青输送效率；且应根据沥青泵的能力，采取由少到多、渐进式的拌料方式，以确定最佳的拌和能力，避免速度太快造成泵的损坏。

表11　施工温度要求

③ 碾压工艺要求

为保证混合料碾压质量，在压实过程中，每作业面至少应配置自重13 t以上的振动压路机4台和自重30 t以上的胶轮压路机2台，压实机械必须安装能够控制的雾化设备。同时，对碾压工序进行合理的控制，保证压路机作业有序，胶轮压路机紧跟振动压路机初压2遍，振动压路机紧跟摊铺机振动压路机高频低幅复压3～4遍，最后由双钢轮压路机静压1遍收面。

5结论

本文对CR /SBSCMA混合料的路用性能及力学性能进行了系统的试验研究，并结合工程应用对施工关键技术进行了总结。

(1)CR /SBSCMA可适用于密级配的混合料结构类型。

(2)密级配CR /SBSCMA混合料具有优良的路用性能和力学性能，相比SBS改性沥青混合料，其高温性能提高幅度最高可达59%，低温性能提高幅度更为明显，最高可达154%，且高温条件下具有较高的模量，低温条件下具有较好的柔韧性。

(3)将CR /SBSCMA混合料应用于寒冷地区可以提高高温条件下的抗车辙性能，同时还可以改善低温条件下的柔韧性，提高沥青路面的使用性能，进而解决高低温性能矛盾的问题。

(4)由于CR/SBSCMA材料的特殊性，对混合料施工要求较为严格，施工过程中除保证CR /SBSCMA的储存稳定性，还应严格控制施工温度和拌和工艺、碾压工艺，保证施工质量。

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Pavement Performance and Applied Technology for Crumb Rubber and SBS Compound Modified Asphalt Mixture

YANG Guang1,2， SHEN Ai-qin1，CHEN Zhi-guo3，YU Li-mei3

(1. Chang’An University，Shaanxi Xi’an 710064；2. Traffic Planning and Design Institute of Jilin Province,Jilin Changchun，130021；3. Traffic Science and Research Institute of Jilin Province，Jilin Changchun 130012)

Abstract：In order to systematiclly study the road performance and application technology for crumb rubber and SBS compound modified asphalt, the preparation technology of the crumb rubber and SBS compound modified asphalt (CR/SBSCMA), design method, high temperature performance, low temperature performance, water stability, and mechanical property are comprehensively conducted. Key construction technology are summarized through the engineering construction. The research results show that the dense gradation CR/SBSCMA mixture has good road performance and mechanical performance. Compared with SBS modified asphalt mixture, its high temperature performance and low temperature performance are relatively obvious improved, the water stability is also improved to a certain extent. And under the condition of high temperature and low temperature, CR/SBSCMA mixture has good mechanical properties, if used in freezing areas it can improve the high temperature rutting resistance and the flexibility at low temperature. In engineering construction, we should strictly control the construction temperature, storage technology and the mixture of mixing, rolling, such as key technology to guarantee the construction quality.

Key words：road engineering; crumb rubber and SBS compound modified asphalt; application technology; high temperature performance; low temperature performance; water stability performance; mechanical property; construction technique

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)04-0025-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.005

作者简介：杨光(1962-)，男，吉林长春人，汉族，研究员，在读博士.(yg9898@126.com)

基金项目：吉林省科技发展计划项目(20150204055SF)

收稿日期：2015-09-14