老化后橡胶沥青混合料高温性能研究

弥海晨， 张娟， 郭平， 陈振华

(1.西安公路研究院， 陕西 西安 710065； 2.广东交通实业投资有限公司)

橡胶沥青在路面工程的推广应用过程中，其主要性价比对比对象是SBS改性沥青。道路工作者发现在高温性能方面的研究中存在矛盾：一方面，室内车辙试验结果表明，橡胶沥青混合料的车辙动稳定度相比于SBS改性沥青混合料尚存在一定的差距，而高温稳定性能一直是夏炎热、夏热区最为关注的一个路用性能指标。一些建设单位因为对橡胶沥青混合料的高温稳定性能存有疑虑，在公路建设过程中不敢贸然采用；另一方面，已有工程经验表明，橡胶沥青路面并未出现大家担心或预想的严重的车辙、推移等病害，甚至有些路段的车辙比SBS改性沥青的还要轻微。而且橡胶沥青路面在夏季出现轻微车辙以后，经过一个冬季的使用，路面车辙不再发展或者发展非常缓慢，能够持续保持良好的路面使用功能。因此，橡胶沥青路面的高温稳定性能的好坏与其混合料车辙动稳定度数值不完全一致，这一观点也得到了国内专家的普遍认可。

该文通过橡胶沥青、复合橡胶沥青和SBS改性沥青混合料的对比试验，从混合料的老化性能以及混合料老化后高温性能的变化情况，分析橡胶沥青路面在实际工程长期使用中表现出较优的高温性能的原因。

1 原材料及老化试验方法

1.1 原材料

基质沥青采用加德士A-90#沥青，各项技术指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中90#A级沥青的技术要求。SBS改性沥青为陕西某公司生产的成品改性沥青，SBS改性剂用量为4.5%，沥青各项技术指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中SBS(I-C)的技术要求。胶粉为四川某橡胶厂的30目胶粉。

橡胶沥青加工工艺：加德士A-90#沥青加热到165 ℃，加入30目胶粉，21%外掺量，180 ℃下搅拌1 h。复合橡胶沥青加工工艺：加德士A-90#沥青加热到165 ℃，同时加入2%SBS与17%外掺量胶粉，在180 ℃下剪切30 min，再搅拌30 min，最后在烘箱中溶胀30 min。

所用粗集料为陕西某石料厂生产，机制砂和矿粉由渭玉高速公路项目部采用的9.5～19 mm碎石自行加工生产。粗集料各技术指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》对高速、一级公路表面层集料的要求，机制砂和矿粉各项技术指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

1.2 老化试验方法

沥青混合料老化性能的评价，有短期老化与长期老化。短期老化的方法有烘箱加热法、延时拌和法、微波加热法等。长期老化有加压氧化法(PAV)、延时烘箱加热法、红外线、紫外线处理法等。

该文老化试验方法为：短期老化试验为沥青混合料在 165 ℃烘箱加热4 h，每小时均匀翻拌一次，然后成型试件；长期老化试验为短期老化后成型的试件置于85 ℃的紫外线烘箱中恒温保持120 h，然后将试件自然冷却到室温备用。

2 混合料类型的选择

陕西省实体工程中采用的橡胶沥青混合料级配类型主要为骨架密实型间断级配，因此选用骨架密实型间断级配作为主要级配类型进行研究。该文选用级配的公称最大粒径为16 mm，其橡胶沥青混合料简称为ARG-16。采用的SBS改性沥青混合料为SMA-16，ARG和SMA的级配类似，不同点是ARG的0.15 mm和0.075 mm两筛孔的通过率比SMA的略小。复合橡胶沥青混合料(以下简称CR/SBSG)与橡胶沥青混合料级配相同，用其作为对比对象，主要目的是研究相同级配下复合改性技术对橡胶沥青混合料高温性能的改善效果。

ARG和CR/SBSG主要参考陕西省地方标准《橡胶沥青路面施工技术规范》进行配合比设计。SMA主要参考陕西省地方标准《沥青玛蹄脂碎石路面施工技术规范》进行配合比设计。通过配合比设计最终确定的3种混合料矿料级配及最佳油石比见表1、2。

3 混合料抗老化性能

根据陈星的研究结论，可采用未老化、短期老化和长期老化后混合料的间接拉伸强度来评价混合料的抗

表1 3种混合料矿料级配

表2 3种混合料的最佳油石比

老化性能。该文间接拉伸试验采用具有荷载与试件变形记录装置的自动马歇尔试验仪，试验温度(15±0.5) ℃，加载速率50 mm/min。3种混合料的间接拉伸试验结果见表3。

表3 3种混合料老化性能试验结果

该文采用短期老化系数b/a、长期老化系数c/a来比较不同沥青混合料的短期与长期抗老化性能，老化系数越小表示沥青混合料抗老化性能越好。由表3可知： ARG-16的短期、长期老化系数均小于SMA-16，说明胶粉的抗老化性能优于SBS改性沥青；CR/SBSG-16与ARG-16的老化系数相差不大，说明添加胶粉后混合料的抗老化性能较好。

分析橡胶沥青混合料耐老化性能优于其他沥青混合料的主要原因为：① 胶粉吸收软沥青，保护沥青免受老化，耐老化性能增强；② 胶粉中的炭黑对紫外线有屏蔽作用，胶粉中的炭黑一般占到30%左右，炭黑对紫外线有一定的屏蔽作用;③ 橡胶沥青混合料中沥青膜厚度大，起到一定的抗老化作用。该文中的混合料ARG-16沥青膜厚度为11.1 μm，CR/SBSG-16为11.5 μm，SMA-16为8.2 μm，沥青膜厚度增大可以起到一定的抗老化作用。

4 混合料老化后的高温性能

ARG-16、CR/SBSG-16、SMA-16未老化、短期老化、长期老化后的单轴贯入试验测得的抗剪强度及车辙试验测得的动稳定度见表4。

由表4可知：

(1) 从抗剪强度来看，老化后3种沥青混合料的抗剪强度均提高。橡胶沥青混合料和复合橡胶沥青混合料经老化后抗剪强度显著提高，而SMA混合料经老化后抗剪强度提高不明显。

表4 3种混合料老化前后高温性能试验结果

(2) 从动稳定度来看，橡胶沥青混合料经老化后高温性能得到增长，而复合橡胶沥青混合料和SMA混合料经老化后高温性能衰减。分析原因如下：① 基质沥青老化后，高温性能提高。已有研究表明，基质沥青的活性组分吸氧老化生成的极性含氧基团会逐渐链接成高分子量的胶团，使沥青变硬、黏度增大；② 橡胶沥青老化后，高温性能提高。橡胶沥青的老化分两部分，胶粉的老化和基质沥青的老化。胶粉本身为交联程度很好的聚合物，老化后性能变化不明显，基质沥青老化后高温性能提高。因此，老化后其混合料高温性能提高；③ SBS改性沥青老化后，高温性能衰减。SBS改性沥青的老化分两部分，SBS改性剂的老化和基质沥青的老化。其中SBS改性剂在老化过程中发生裂解反应，分子结构破坏，老化后高温性能衰减；基质沥青老化后高温性能提高。由于SBS改性剂老化后的高温性能衰减程度大于基质沥青的提高程度，因此，SBS改性沥青老化后，其混合料高温性能衰减；④ 复合橡胶沥青老化后，高温性能衰减。复合橡胶沥青老化分3部分，胶粉、SBS改性剂和基质沥青同时发生老化。其中SBS改性剂老化后高温性能衰减；胶粉老化后性能变化不明显，基质沥青老化后高温性能提高。由于基质沥青与胶粉老化引起的高温性能提高不足以抵消SBS改性剂老化后高温性能的降低，因此，复合橡胶改性沥青短期老化后，其混合料高温性能衰减。但由于胶粉的存在而使混合料老化后的衰减程度减缓，甚至在长期老化后，其混合料高温性能反而较短期老化时提高。

综上所述，在老化过程中：基质沥青高温性能提高，橡胶粉由于抗老化性能好而高温性能基本不变，SBS改性剂由于抗老化性能差而高温性能降低。橡胶沥青混合料中橡胶沥青由基质沥青和橡胶粉组成，两种材料老化后的综合结果是橡胶沥青混合料的高温性能提高；SMA混合料中的SBS改性沥青由基质沥青和SBS改性剂组成，SBS改性剂老化引起的高温性能降低作用大于基质沥青老化引起的高温性能提高作用，两种材料老化后的综合结果是SBS改性沥青SMA混合料的高温性能降低；复合改性沥青混合料中复合改性沥青由基质沥青、橡胶粉和SBS改性剂组成，SBS改性剂老化引起的高温性能降低作用大于基质沥青老化引起的高温性能提高作用，3种材料老化后的综合结果是复合改性沥青混合料的高温性能降低。

5 结论

通过对橡胶沥青混合料、复合橡胶沥青混合料及SMA混合料的老化性能及老化后的高温性能的研究，得到以下结论：

(1) 橡胶沥青混合料抗老化性能优于SBS改性沥青混合料。

(2) 橡胶沥青混合料老化后高温性能提高，复合橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料老化后高温性能降低。

(3) 橡胶沥青混合料老化后的高温性能得到改善，可以解释橡胶沥青混合料路面在长期使用过程中高温性能并不比SBS改性沥青混合料路面差的工程现象。