经济型低胶粉掺量橡胶沥青混合料路用性能研究

徐鸥明，张 鸿，曹志飞，李明月，何义华

(1. 长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710061；2. 长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

近年，废旧轮胎再生利用得到了普遍关注。制成胶粉应用于道路工程不仅可以大量消耗废旧轮胎，缓解环保压力，同时还可改善沥青混合料性能，因而在国内外都得到了广泛应用[1-2]。湿法是其利用主要形式，国内外学者也纷纷对胶粉细度、外形、加工工艺和添加剂等对橡胶沥青性能、流变特性和老化后性能的影响进行了广泛研究[3-9]。影响橡胶沥青和混合料性能另一因素是胶粉掺量，不同机构和部门认识却存在很大差异。作为橡胶沥青应用最为广泛的美国也是如此，如亚利桑那州和加利福利亚州都要求制备橡胶沥青时胶粉掺量应不低于沥青质量的20%[10]；美国联邦公路局在其指南里也要求橡胶沥青中胶粉掺量不低于15%；而佛罗里达州却认为10%～15%的胶粉掺量制备出的橡胶沥青已完全可以满足工程使用要求[11]。国内在橡胶沥青的应用过程中，常用掺量为18%～20%。大的掺量意味着橡胶沥青黏度会增大，用于混合料时沥青膜厚度也会变大，沥青用量相比基质沥青会明显增大，导致成本增加。同时，胶粉掺量越高，需要提高改性和存储温度，容易造成沥青老化。为了改善高粘弹橡胶沥青混合料的压实问题，矿料普遍选择间断级配[12]，也无形中增大了沥青用量。针对此问题，笔者基于连续密级配沥青混合料，采用低的胶粉掺量，制备橡胶沥青，测试其混合料高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能，并与常规胶粉掺量(18%)沥青混合料和普通沥青混合料进行比较，以期探索低掺量橡胶沥青在连续密级配沥青混合料中的应用，为工程应用提供参考。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

试验选用韩国SK90#道路石油沥青,按照JTJ E20 — 2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验。SK90#沥青主要技术指标如表1，满足规范要求。

表1 SK90#沥青主要技术性质

1.1.2 集 料

试验所用集料为优质石灰岩集料，干燥、洁净、无杂质，其主要技术指标如表2，满足高速公路及一级公路表面层用集料质量要求。

表2 集料主要技术性质

1.1.3 矿 粉

矿粉为石灰岩磨制，其主要技术性质如表3。

表3 矿粉主要技术性质

1.1.4 废旧橡胶粉

试验采用常温粉碎加工的40目废旧橡胶粉，其主要技术性质如表4、表5。

表4 废旧橡胶粉主要技术性质

表5 橡胶粉筛分结果

1.1.5 胶粉改性沥青

制备步骤：首先将基质沥青加热到180 ℃，待温度稳定后加入40目胶粉，掺量为沥青质量7%；然后保持温度进行搅拌，先低速搅拌，待胶粉全部加入后，再逐步提高搅拌速度至5 000 r/min，搅拌60 min。同时，为了与常规胶粉掺量比较，还制备了掺量18%的橡胶沥青。

按照JTJ E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程对制备的橡胶沥青主要技术性质进行测试，结果如表6。

表6 低掺量橡胶沥青主要技术性质

表6表明：掺加胶粉的两种橡胶沥青针入度减小、软化点增大，运动黏度增大，且掺量越高变化越明显；两种橡胶沥青均表现出离析倾向，掺量越大，软化点差值越大；低掺量胶粉橡胶沥青储存稳定性显著好于常规掺量橡胶沥青。

1.2 沥青混合料组成设计

1.2.1 级配的确定

沥青混合料采用AC-13，参照工程经验，其级配如表7。

表7 沥青混合料级配

1.2.2 最佳油石比

根据选定的级配，通过马歇尔试验，测试体积参数和力学性质，确定使用基质沥青、低掺量橡胶沥青、常规掺量橡胶沥青的混合料最佳油石比分别为4.9%、5.3%和5.5%。

1.2.3 路用性能

根据确定的最佳油石比成型试件，分别进行车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性试验和疲劳试验。

2 结果与分析

2.1 车辙试验

采用不同沥青的混合料进行车辙试验，结果如表8。

表8 车辙试验结果

表8表明，两种橡胶沥青混合料车辙深度均小于普通沥青混合料，而动稳定度均显著高于普通沥青混合料。这表明，尽管降低胶粉掺量会影响混合料高温稳定性，但对比基质沥青，掺加7%胶粉也改变了沥青的胶体结构，使得橡胶沥青黏度增大，高温抗变形能力增强。

2.2 低温弯曲试验

采用不同沥青的混合料进行低温弯曲试验，结果如表9。

表9 低温弯曲试验结果

由表9可以看出，7%胶粉掺量橡胶沥青混合料抗弯拉强度和破坏应变相比常规胶粉掺量橡胶沥青混合料略有降低，而弯曲劲度模量增大，但比普通沥青混合料仍显示出较好的低温性能。这是因为，橡胶粉加入沥青后虽然会吸附其轻质油分，削弱其变形能力，但溶胀后的橡胶粉具有良好的储能和变形能力，又在一定程度上弥补了沥青胶体体系的变形能力。同时，胶粉的储能作用，会耗散外界荷载损伤，赋予了整个胶体一定的自愈合能力。因此，胶粉的掺入改善了沥青混合料低温变形能力。

2.3 水稳定试验结果

1)浸水马歇尔试验残留稳定度

采用不同沥青的混合料进行稳定度试验，结果如表10～表11。

表10 浸水马歇尔试验残留稳定度试验结果

由表10可以看出，低胶粉掺量橡胶沥青混合料具有较高的残留稳定度，好于常规胶粉掺量橡胶沥青混合料和普通沥青混合料。这是因为，一方面，胶粉掺入沥青中吸附轻质组分膨胀，改变沥青胶体结构，使沥青变稠，黏度增大，但改性后的沥青粘附力降低；另一方面，橡胶沥青的黏度较大，使得其沥青膜厚度增加，又在一定程度上增加了水将沥青膜从石料上剥离下来的难度。因而，橡胶沥青混合料的浸水马歇尔稳定度实际上是上述两种作用平衡结果，掺量越大，黏度增加越明显，粘附性衰减也大，对水稳定性影响也大。此外，采用较高掺量时，胶粉不易充分溶胀，橡胶沥青弹性较大，会影响混合料密实度，也会对水稳定性有影响。

2)冻融劈裂试验的残留强度比

按照确定的最佳油石比成型标准马歇尔试件，双面击实50次，采用不同沥青的混合料进行冻融劈裂试验，结果如表11。

表11 冻融劈裂试验的残留强度比

由表11可以看出，采用低掺量橡胶沥青混合料冻融劈裂试验残留强度比与普通沥青混合料相当，但显著好于常规胶粉掺量橡胶沥青混合料。这是因为，溶胀后的橡胶粉在沥青-胶粉体系中具有一定储能作用，可以耗散外界施加的荷载，这对于试件成型是不利的，但对后期抵抗荷载变形有好处。当采用较低掺量胶粉时，能够减小试件成型过程中的回弹影响。

2.4 疲劳试验

采用不同沥青的混合料进行三分点疲劳试验，结果如表12。

表12 疲劳试验结果

由表12可以看出：采用橡胶沥青的混合料疲劳寿命显著提高，掺量越高提高越明显；采用低胶粉掺量橡胶沥青的混合料疲劳寿命低于常规胶粉掺量沥青混合料，但高于普通沥青混合料；应力与疲劳寿命在单对数坐标上呈线性关系，k′值越大，初期疲劳寿命越高；n′为疲劳曲线斜率，值越大，曲线越陡，疲劳寿命对应变水平变化越敏感；低胶粉掺量橡胶沥青混合料k′小于常规胶粉掺量，但高于普通沥青混合料；而低胶粉掺量橡胶沥青混合料n′值介于常规胶粉掺量和普通沥青混合料之间。由此可见，尽管降低胶粉掺量会影响混合料疲劳寿命，但相比使用普通沥青，仍然对疲劳寿命有改善。

综上所述，掺加7%胶粉的橡胶沥青储存稳定性优于常规胶粉掺量橡胶沥青，且最佳沥青用量也有一定降低。初步估算1 t普通沥青混合料、7%胶粉改性橡胶沥青混合料和常规胶粉掺量沥青混合料成本分别约710、850、910元，采用低掺量相比普通沥青混合料材料每吨成本增加约20%，但性能有明显改善，而比常规胶粉掺量橡胶沥青混合料每吨成本降低7%，具有良好的经济性。

3 结 论

1)低胶粉掺量橡胶沥青与常规胶粉掺量橡胶沥青相比基质沥青针入度降低、软化点和黏度增大，但低胶粉掺量橡胶沥青的存储稳定性要显著优于常规胶粉掺量橡胶沥青。

2)低胶粉掺量橡胶沥青高温性能、低温性能和疲劳性能相比常规胶粉掺量沥青混合料有一定降低，但仍然优于普通沥青混合料。

3)低胶粉掺量橡胶沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度优于常规沥青混合料和常规胶粉掺量沥青混合料，但冻融劈裂残留强度比略低于普通沥青混合料，并好于常规胶粉掺量沥青混合料。

4)相比常规胶粉掺量橡胶沥青，低胶粉掺量橡胶沥青储存稳定性提高，而沥青用量降低，路用性能仍有一定改善，具有较好的技术经济性。