不同级配复合改性沥青混合料路用性能

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(1.长安大学公路学院， 陕西西安710064； 2.长安大学材料科学与工程学院， 陕西西安710064)

0 引言

沥青混合料高低温及抗疲劳性能的改善措施一直是国内外研究的重点，国内外众多学者对在沥青混合料中添加抗车辙剂的改性机理及改性沥青混合料相关路用性能做了大量的试验研究，得出抗车辙剂的加入能显著改善其高温性能，但对低温性能和疲劳性能改善不太明显的结论[1-3]。在橡胶粉改性方面，由于橡胶粉具有优良的弹性，在改善沥青混合料低温性能、抗疲劳以及抗老化性能方面表现出巨大的优势，但是在高温性能、水稳定性以及储存稳定性方面的表现还有待改善[4-6]。在复合改性沥青混合料方面，国内外学者对木质素与橡胶粉、青川岩沥青与橡胶粉，SBS与橡胶粉等复合改性剂对混合料性能的提升做了相关研究，得出添加复合改性剂比添加单一改性剂路用性能的改善效果更加明显的结论[7]。在橡胶粉和抗车辙剂复合改性方面，抗车辙剂和橡胶粉复合改性剂的掺入对沥青混合料高温稳定性改善最为显著，其耐疲劳性能甚至优于SBS改性沥青混合料，低温抗裂性和水稳定性能也均比单一加入抗车辙剂或橡胶粉时有一定的提升[8-9]。在级配研究方面，不同的级配对沥青混合料路用性能的优点表现不一样，粗级配更有利抗变形能力的提高，细级配更有利于抗裂性能、水稳以及抗疲劳性能的提升[10-12]。

但目前国内外学者对在不同级配下掺入抗车辙剂和橡胶粉复合改性沥青混合料路用性能的研究相对较少，主要停留在单一的复合改性方面，因此本文试验方案采用连续级配、间断级配和半间断级配应用在复合改性沥青混合料中，研究不同级配下复合改性剂中新型橡胶粉的最佳掺量、复合改性沥青混合料高低温性能和水稳定性能，为今后的工程实践提供理论依据。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料与级配

本文采用的改性剂为抗车辙剂和新型橡胶粉，其主要技术指标见表1、表2。

表1 抗车辙剂技术指标试验Tab.1 Main technicalindexes of Anti-Rut Agent

表2 新型橡胶粉技术指标Tab.2 Main technical indexes of New rubber powder

试验采用中海90#沥青，其各项技术指标如下表3所示，粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰石磨细矿粉，其各项技术均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求[13]。

表3 基质沥青的主要技术指标Tab.3 Main technical indexes of base asphalt

矿料级配根据《公路沥青路面施工技术规范》中AC-13，SMA-13沥青混合料矿料级配范围的要求，采用级配中值作为沥青混合料矿料组成，如表4所示。

表4 沥青混合料矿料级配Tab.4 Mineral aggregate gradation of asphalt mixture

1.2 试验方案

在连续级配和半间断级配下，分别采用干拌法加入0.4 %(与集料和沥青的质量总和之比)抗车辙剂和0、1.2 %、1.5 %、1.8 %新型橡胶粉，在间断级配中加入0.6 %抗车辙剂和0、1.2 %、1.5 %、1.8 %新型橡胶粉，通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验(TSR)以及48 h下的浸水马歇尔试验，评价其在不同级配和复合改性后混合料的高低温性能及水稳定性。

2 试验结果及分析

2.1 AC-13型连续级配复合改性沥青混合料的路用性能

在连续级配(AC-13)复合改性沥青混合料中，由马歇尔试验得到各掺量下的最佳油石比分别为4.3 %、4.5 %、4.6 %和4.7 %，首先通过车辙试验确定抗车辙剂最优掺量为0.4 %，由干拌法加入0.4 %抗车辙剂和不同掺量的新型橡胶粉，通过试验得到复合改性沥青混合料的动稳定度、最大破坏弯拉应变、残留稳定度和冻融劈裂比，以此来评价其在高低温性能和水稳定性方面的改善效果，最终确定新型橡胶粉的最佳掺量为1.5 %，试验结果见图1～图3。

2.1.1 高温稳定性

通过高温车辙试验，测定不同掺量下复合改性沥青混合料的动稳定度，得出其高温性能的试验结果，见图1。

由图1可以看出，连续级配下抗车辙剂掺量0.4 %保持不变，随着新型橡胶粉的掺量的加大，动稳定度呈现先增大后减小的趋势，且在新型橡胶粉含量为1.5 %时动稳定度最大，表明抗车辙剂和新型橡胶粉的加入能显著改善混合料高温性能，且在0.4 %抗车辙剂/1.5 %新型橡胶粉掺量时，混合料高温稳定性表现最优。

混合料高温稳定性呈现先增大后减小的趋势，主要是因为在抗车辙剂掺量一定时，新型橡胶粉的掺量比抗车辙剂大很多，由于新型橡胶粉并未与沥青完全反应，有一小部分直接填充在混合料的空隙中，加上其较好的弹性恢复能力，故较大程度的提高了沥青混合料的高温稳定性能。同时由于传统AC-13连续级配本身空隙就相对较少，且对沥青用量和温度较敏感，过多的新型橡胶粉会导致混合料遇车载滑移，高温抗车辙能力下降，故新型橡胶粉掺量1.5 %附近高温稳定性相对最优。

2.1.2 低温抗裂性

通过低温小梁弯曲试验得到沥青混合料最大弯拉应变，通过最大弯拉应变来评价混合料低温抗裂性，试验结果见图2(抗车辙剂0.4 %)。

图1不同掺量复合改性沥青混合料高温性能
Fig.1Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

图2不同掺量复合改性沥青混合料低温性能
Fig.2Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

在低温抗裂性方面，在0.4 %抗车辙剂最佳掺量下，随着新型橡胶粉掺量的增加，沥青混合料的破坏最大弯拉应变呈现逐渐上升的趋势，与基质沥青和单一添加抗车辙剂相比提升非常明显，说明新型橡胶粉能够较好的改善混合料低温性能，且与抗车辙剂复合改性能够较大程度上提升混合料抵抗高温变形和低温开裂的能力。

2.1.3 水稳定性

本文采用48 h下的浸水马歇尔试验和和能够较真实模拟实际路面水损害的冻融劈裂试验，得到残留稳定度和冻融劈裂比(TSR)，试验结果见图3(抗车辙剂0.4 %)。

图3 不同掺量复合改性沥青混合水稳定性能Fig.3 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

由图3可以看出，在连续级配下，改性后的沥青混合料与基质沥青混合料相比水稳定性能提升很小，这是由于沥青中的一部分轻质组分被新型橡胶粉吸收，沥青中的重质组分相对增加，一定程度上增强了沥青和集料的表面粘附性能，当新型橡胶粉的含量过高时，轻质组分被大量吸收，沥青四组分发生较大变化，减弱了沥青与集料的表面粘附性能，使得沥青混合料的水稳定性有一定程度的下降，使得改性后的沥青混合料水稳定性能提升不明显，但是远大于规范要求。

综上，推荐在连续级配下，复合改性剂的最优掺量为0.4 %抗车辙剂和1.5 %新型橡胶粉。

2.2 SMA-13型间断级配复合改性沥青混合料的路用性能

在间断级配SMA-13复合改性沥青混合料中，由马歇尔试验得到各掺量下的最佳油石比分别为4.4 %、4.6 %、4.7 %和4.8 %，首先通过车辙试验确定抗车辙剂最优掺量为0.6 %，由干拌法加入0.6 %抗车辙剂和不同掺量的新型橡胶粉，通过试验得到复合改性沥青混合料的动稳定度、最大破坏弯拉应变、残留稳定度和冻融劈裂比，以此来评价其在高低温性能和水稳定性方面的改善效果，最终确定新型橡胶粉的最佳掺量为1.8 %，试验结果见图4～图6(抗车辙剂为0.6 %)。

2.2.1 高温稳定性

通过高温车辙试验，测定不同掺量下复合改性沥青混合料的动稳定度，得出其高温性能的试验结果，见图4。

从图4可以看出，间断级配下抗车辙剂掺量0.6 %保持不变，随着新型橡胶粉的掺量的加大，动稳定度逐渐增大，且在新型橡胶粉掺量为1.8 %时动稳定度达到最大，主要是因为在抗车辙剂掺量一定时，新型橡胶粉吸附了一部分沥青，另一方面新型橡胶粉填充了间断级配混合料较多的空隙，进一步改善混合料高温稳定性，且故新型橡胶粉掺1.8 %时高温稳定性最优[14]。

2.2.2 低温稳定性

通过低温小梁弯曲试验测定沥青混合料最大弯拉应变，通过最大弯拉应变来评价其低温抗裂性，试验结果见图5(抗车辙剂为0.6 %)。

图4不同掺量复合改性沥青混合料高温性能
Fig.4Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

图5不同掺量复合改性沥青混合料低温性能
Fig.5Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

在低温抗裂性方面，在0.6 %抗车辙剂最佳掺量下，随着新型橡胶粉的掺量的增加，沥青混合料的破坏最大弯拉应变逐渐增加，与基质沥青及单一抗车辙剂改性沥青混合料相比提升非常明显，在新型橡胶粉掺量为1.8 %时约为基质沥青的两倍，表明复合改性沥青混合料在掺入新型橡胶粉时，低温条件下的抗变形能力逐渐变强，且新型橡胶粉掺量为1.8 %时低温稳定性最好。

2.2.3 水稳定性

采用48h下的浸水马歇尔试验和和能够较真实模拟实际路面水损害的冻融劈裂试验，得到残留稳定度和冻融劈裂比(TSR)，试验结果见图6(抗车辙剂为0.6 %)。

由图6可以看出，在间断级配下，随着新型橡胶粉掺入量的提高，改性沥青混合料与基质沥青混合料相比水稳定性提升有限，在新型橡胶粉掺量为1.8 %时，混合料水稳定能达到最大。这主要是由于在间断级配混合料中，过多的矿粉会使得矿料表面沥青膜变薄，导致复合改性剂的加入对其水稳定性提升不大[15]。

综上，故推荐间断级配沥青混合料复合改性剂最佳掺量为0.6 %抗车辙剂和1.8 %新型橡胶粉。

图6 不同掺量复合改性沥青混合水稳定性能Fig.6 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

2.3 半间断级配复合改性沥青混合料的相关性能

在半间断级配复合改性沥青混合料中，由马歇尔试验得到各掺量下的最佳油石比分别为4.1 %、4.3 %、4.4 %和4.5 %，首先通过车辙试验确定抗车辙剂最优掺量为0.4 %，由干拌法加入0.4 %抗车辙剂和不同掺量的新型橡胶粉，通过试验得到复合改性沥青混合料的动稳定度、最大破坏弯拉应变、残留稳定度和冻融劈裂比，以此来评价其在高低温以及水稳定性方面的改善效果，最终确定新型橡胶粉的最佳掺量为1.5 %，试验结果见图7～图9(抗车辙剂为0.4 %)。

2.3.1 高温稳定性

通过高温车辙试验试验，测定不同掺量下复合改性沥青混合料的动稳定度，得出其高温性能的试验结果，见图7

从图7可以看出，在高温稳定性方面，在抗车辙剂掺量0.4 %不变的情况下，动稳定度呈现先增大后减小的趋势，且在新型橡胶粉含量为1.5 %时动稳定度最大，相比基质沥青提升了大约六倍，且比单一抗车辙剂改性沥青混合料相比也提升了1.4倍，且优于连续级配和间断级配下混合料高温稳定性。

2.3.2 低温稳定性

通过低温小梁弯曲试验测定沥青混合料最大弯拉应变，通过最大弯拉应变来评价其低温抗裂性，试验结果见图8(抗车辙剂为0.4 %)。

图7不同掺量复合改性沥青混合料高温性能
Fig.7Hightemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

图8不同掺量复合改性沥青混合料低温性能
Fig.8Lowtemperatureperformanceofdifferentdosagecompositemodifiedasphaltmixture

由图8可知，在低温稳定性方面，在0.4 %抗车辙剂最佳掺量下，随着新型橡胶粉的掺量的增加，沥青混合料的破坏最大弯拉应变呈现逐渐增加的趋势，表明复合改性沥青混合料的在掺入新型橡胶粉后在低温条件下的抗变形能力逐渐变强，且新型橡胶粉掺量为1.8 %时低温稳定性相对最优。

2.2.3 水稳定性

采用48 h下的浸水马歇尔试验和能较真实的模拟实际路面水损害冻融劈裂试验得到残留稳定度和冻融劈裂比(TSR)，试验结果见图9。

图9 不同掺量复合改性沥青混合水稳定性能Fig.9 Water stability performance of different dosage composite modified asphalt mixture

由图9可以看出，在水稳定性方面，对于半间断级配复合改性沥青混合料，随着新型橡胶粉掺入量的提高，混合料的破坏弯拉应变和残留稳定度有一定程度的增长，相较基质沥青提升较明显。但是其TSR随着新型橡胶粉掺量的加大，呈现先增大后减小的趋势且提升不是非常明显，说明新型橡胶粉的掺量并不是越大越好[16]。

综上，故推荐半间断级配沥青混合料复合改性剂最佳掺量为0.4 %抗车辙剂和1.5 %新型橡胶粉。

3 不同级配最佳掺量混合料路用性能比较

复合改性沥青混合料在最佳改性剂掺量下以已经具备较好的路用性能，但不同的级配对其路用性能的改善效果不同，且差距明显，下面通过对以上三种不同级配复合改性沥青混合料路用性能的研究和对比，选出路用性能、经济性俱佳级配的复合改性沥青混合料。

3.1 高温性能试验结果对比

从图10可以看出，半间断级配下，复合改性沥青混合料在高温条件下抗车辙的能力明显优于间断级配和连续级配，半间断级配改性沥青混合料动稳定度约为间断级配改性沥青混合料的1.5倍，说明在改性剂最佳掺量下，级配对混合料的影响较大，且半间断级配在改善混合料的高温稳定性方面表现最优。

3.2 低温性能试验结果对比

从图11可以看出，间断级配下，改性沥青混合料在低温条件下抵抗沥青路面开裂的能力比连续级配和半间断级配更强，但优势不太明显，表明在改性剂最佳掺量下，级配对混合料低温抗裂性能的改善效果不太明显，且间断级配混合料在低温抗裂性方面表现最优。

图10最佳掺量复合改性沥青混合料高温性能
Fig.10Hightemperatureperformanceofoptimaldosagecompositemodifiedasphaltmixture

图11最佳掺量复合改性沥青混合料低温性能
Fig.11Lowtemperatureperformanceofoptimaldosagecompositemodifiedasphaltmixture

3.3 水稳定性能试验结果对比

从图12可以看出，连续级配和半间断级配下，混合料在抵抗沥青路面水损害方面的能力相当且优于间断级配，表明不同级配下改性沥青混合料抵抗水损害的能力有一定的差异，且以与工程实践比较相近的冻融劈裂比(TSR)作为比较可以得出，连续级配和半间断改性沥青混合料稍有优势。

图12 最佳掺量复合改性沥青混合水稳定性能Fig.12 Water stability performance of optimal dosage composite modified asphalt mixture

4 结论

本文通过沥青混合料高低温及水稳定性试验，分别从抗车辙掺量、橡胶粉掺量以及不同的级配类型等试验因素入手，在确定抗车辙剂最优掺量下，对新型橡胶粉掺量进行了详细研究，最终在得到复合改性剂最优掺量的前提下，通过对比三种不同级配下复合改性沥青混合料的路用性能，得出了相对最优级配及改性剂最优掺量：

① 基于不同掺量复合改性沥青混合料路用性能研究，提出了抗车辙剂/新型橡胶粉复合改性剂最优掺量：AC-13型连续级配和半连续级配分别为0.4 %抗车辙剂/1.5 %新型橡胶粉，SMA-13型间断级配为0.6 %抗车辙剂/1.8 %新型橡胶粉。

② 通过对比AC-13，SMA-13以及半连续级配混合料高温车辙试验结果，得出了复合改性剂最优掺量下半间断级配沥青混合料高温稳定性优于间断型SMA-13级配和连续型AC-13，且优势相对明显。

③ 在低温稳定性方面，间断型SMA-13级配表现最优，但与连续型AC-13级配和半间断级配相比优势不太明显，但都远远高于规范要求。在水稳定方面，半间断级配和AC-13型连续级配表现优于SMA-13型连续级配。

④ 综合以上分析结果，在最佳改性剂掺量下半间断级配高温稳定性明显优于AC-13型连续级配和SMA-13间断级配，同时具有较好的低温抗裂性能和水稳定性能，推荐半间断级配作为最优级配，且复合改性剂最佳掺量为0.4 %抗车辙剂/1.5 %新型橡胶粉。