橡胶沥青混合料抗老化性能分析

韩敏慧

(中交路桥南方工程有限公司，北京 101100)

0 引 言

目前橡胶沥青混合料的抗老化性能缺乏深入的研究，大部分的研究仅针对橡胶沥青胶结料的抗老化性能展开。何亮[1]等研究发现普通橡胶沥青在TFOT短期老化下抗老化性能好，一些流变性指标与沥青老化趋势相反，并将这归因于橡胶沥青的颗粒核心在老化过程中有着较强的继续溶胀反应，认为橡胶沥青模拟短期老化的试验温度与实际施工温度，建议试验温度为180 ℃。李宁利等通过红外光谱分析可知，橡胶沥青的老化主要有两部分，一是基质沥青的热氧老化，二是橡胶粉的脱硫降解[2]。向丽也有类似的研究结论：老化是胶粉与沥青两者之间的协同作用[3]。此外，胶粉与沥青可能重新发生交联反应，缓和了橡胶沥青体系性能的衰退[4]。徐东通过对橡胶沥青混合料老化再生及路用性能的研究，发现间断级配橡胶沥青混合料较连续级配橡胶沥青混合料耐老化更佳，老化后橡胶沥青混合料的高温稳定性得到增强[5]。

SHRP(Strategic Highway Research Program)计划中规定沥青混合料抗老化性能应包括老化后沥青混合料的力学性能。目前，国内对橡胶沥青短期、长期老化后的高温性能有一定研究，但对ARG橡胶沥青混合料老化后的性能研究相对不足[6]。鉴于此，本文进行了橡胶沥青混合料的老化性能研究。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料及配合比设计

1.1.1 原材料

本试验所用基质沥青为加德士90#沥青，改性剂为4303星型SBS改性剂，橡胶粉为30目货车斜交轮胎橡胶粉。橡胶沥青混合料各矿料筛分结果见表1。

1.1.2 级配

针对骨架密实结构型间断级配橡胶沥青混合料(Asphalt Rubber Gap Gradation Mixture，以下简称ARG)特点，选取3种沥青混合料进行对比。

(1)陕西省工程实际中常用的SBS改性沥青SMA混合料。

表1 各种矿料筛分结果

(2)间断级配的复合橡胶沥青混合料(CR/SBS Gap Gradation Mixture，以下简称CR/SBSG)。

(3)连续级配的橡胶沥青混合料(Asphalt Rubber Continuous Gradation Mixture，以下简称ARC)。

3种级配类型混合料的矿料级配范围见表2。

表2 各种矿料筛分结果

1.1.3 配合比

参照《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》、陕西省地方标准《橡胶沥青路面施工技术规范》、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。上述3种混合料的最佳油石比见表3。

表3 各种混合料的最佳油石比

1.2 试验方案

本文分别采用短期老化、长期老化的车辙试验[7]、单轴贯入试验以及间接拉伸试验综合评价ARG橡胶沥青混合料的抗老化性能。短期老化和长期老化试验过程见图1、2。

2 试验结果与分析

2.1 间接拉伸强度研究

分别采用未老化、短期老化和长期老化试验成型的试件，通过间接拉伸试验来评价老化前后的间接拉伸强度，试验结果见表4。

表4 橡胶沥青混合料抗老化性能比较

采取老化系数b/a、c/a指标来评价不同橡胶沥青混合料老化前后的力学性能，老化系数越大，表示老化程度越深，由表4中老化前后的间接拉伸强度及老化系数可知：

图1 橡胶沥青混合料短期老化试验

图2 混合料长期老化试验

(1)4种橡胶沥青混合料老化前后的变化规律一致，短期老化后间接拉伸强度大于长期老化。主要原因在于短期老化时沥青轻质组分减小，沥青混合料变硬，故此时黏结力达到最大；随着长期老化，沥青质遭到破坏，黏结力减小，故混合料性能降低[8-9]。

(2)在4种橡胶沥青混合料中，ARG-16的老化系数最小，抗老化性能最优。其中，ARG-16的短期、长期老化系数分别为ARC-16的51%、50.7%，这是由于ARC-16缺乏足够的间隙容纳胶粉颗粒，限制了胶粉对橡胶沥青混合料的改性效果。

(3)对于老化系数而言，ARG-16的短期、长期老化系数分别低于采用SMA沥青混合料的31.5%及31.3%，说明ARG-16的抗老化性能优于SMA沥青混合料，即橡胶沥青的抗老化效果更佳。

(4)老化试验前，CR/SBSG-16的间接拉伸强度最大，短期、长期老化系数分别低于SMA沥青混合料19.6%、20%，但略高于ARG-16，故复合胶粉的掺入对橡胶沥青混合料的抗老化性改善效果不佳。

综上，ARG-16的抗老化性能优于ARC-16、SMA混合料和CR/SBSG-16。分析主要原因为：橡胶粉的加入，在高温作用下吸收沥青中的轻质组分发生溶胀，沥青中胶质含量增多；废旧橡胶粉主要由卡车轮胎粉碎而成，其中含有部分抗老化剂、炭黑等成分，有效提高了橡胶沥青的抗老化性；胶粉增加了沥青膜的厚度，对抗老化性也起到一定作用。本试验中ARG-16沥青混合料膜厚度为10.9 μm，ARC-16为9.5 μm，CR/SBSG-16为11.7 μm，SMA-13为9.0 μm。由此可知，沥青膜厚度大可以起一定的抗老化作用。

2.2 高温稳定性研究

在上述基础上进行橡胶沥青混合料老化后高温稳定性能研究，分别对3种级配混合料进行高温性能试验，抗剪强度及动稳定度见表5。老化前后的高温性能指标如图3所以。

表5 老化后高温性能试验结果

图3 橡胶沥青混合料老化前与老化后的高温性能

由表5及图3可知：

(1)老化后3种间断级配沥青混合料的抗剪强度均得到提高。ARG-16的动稳定度提升，但CR/SBSG-16、SMA-16沥青混合料的动稳定度降低。ARG-16混合料老化后的高温性能提升。

(2)复合改性胶粉的掺入显著提高了间断级配老化后橡胶沥青混合料的动稳定度，抗剪强度也有一定提升，即橡胶改性胶粉的掺入对老化后的高温性能具有显著改善作用。

(3)ARG-16橡胶沥青混合料老化后高温性能改善显著，而SMA-16混合料与CR/SBSG-16复合橡胶沥青混合料老化后的高温性能有衰减趋势，主要原因可能是：基质沥青的由于老化作用，沥青有变硬趋势，粘度增大，软化点上升，导致其高温性能有所提高。SBS改性沥青老化后，高温性能衰退。SBS改性剂由于热氧老化，分子链被破坏，析出更多的沥青轻质组分，这两种变化没有达到平衡状态，SBS改性剂的破坏程度远大于基质沥青的老化程度，综合对比使得SBS改性沥青老化后高温性能衰退。复合橡胶沥青老化后，性能有所衰减。CR/SBS在老化过程中，废胶粉、SBS改性剂和基质沥青3种物质同时发生老化，其老化前后性能变化很大程度取决于3种物质之间的平衡关系。三者老化的综合作用使其老化后高温性能略有增加，主要是胶粉相及基质沥青两者综合老化提高程度略大于SBS相老化衰退程度。橡胶沥青老化后，高温性能有所提高。在热氧作用下，废橡胶粉中的炭黑、抗氧化剂等活性组分可改善沥青的抗老化性能，但不能完全抵消基质沥青自身在热氧化作用下的老化，故沥青相的高温性能仍会提高，即老化后橡胶沥青及其混合料高温性能提高。

3 结 语

针对不同级配的橡胶沥青混合料，进行抗老化性能的研究，得到结论如下：

(1)ARG-16沥青混合料的间接拉伸强度高于连续级配ARC-16沥青混合料，故间断级配的橡胶沥青混合料抗老化性优于连续级配，更适用于高等级橡胶沥青路面。

(2)复合改性胶粉的掺入显著改善了橡胶沥青混合料老化后的高温性能，而抗老化性能略低于未掺胶粉的橡胶沥青混合料。应结合路面气候特性及轴载交通，综合选择橡胶沥青类型。

(3)橡胶沥青混合料短期及长期老化后的高温性能得到改善，而SMA混合料和复合橡胶沥青混合料老化后高温性能有所衰减。对比分析，ARG型橡胶沥青混合料抗老化性能最优。