天然屑粒式橡胶改性沥青最佳掺配研究

胡小华，王 辉，罗再军，王海波，肖泽洪

(1.沪昆高速公路潭市互通工程建设项目部，湖南湘潭 411400;2.长沙理工大学，湖南长沙 410114;3.湖南省海威特公路检测技术咨询有限公司，湖南长沙 410022;4.湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南长沙 410022)

0 引言

湖南气候环境湿热及气温变化大，沥青路面容易产生车辙、水损害、裂缝等病害，为提高路面使用性能，涌现出了许多路面新材料、新技术。本文依托沪昆高速公路水府庙旅游连接线工程，以美国SHRP性能等级试验为研究手段，通过对天然屑粒式橡胶改性沥青(Superflex)与基质沥青掺配后的高低温性能综合评价与分析，确定Superflex的最佳掺配，以提高其路用性能，并为天然屑粒式橡胶改性沥青的工程应用提供参考。

1 原材料

本试验采用基质沥青为中海70号A级基质沥青，其材料的性能均符合我国规范规定的技术要求。Superflex是一种由天然沥青、天然橡胶、炭黑、聚合物和石油沥青等浓缩制成的母体改性剂，常温下呈黑色固体状，有很大的黏度，其主要技术指标如表1。

表1 天然屑粒橡胶浓缩改性沥青主要技术指标

实验室Superflex的制备方法是试验前将基质沥青和改性剂分别加热熔融至流态，然后将改性剂按12%、15%、18%剂量慢慢加入基质沥青中，经初步搅拌后，用高速剪切机剪切并经高温发育后制得试验试样。

2 高温动态剪切流变试验分析

动态剪切流变试验在美国SHRP规范中用于分析沥青高温性能和疲劳性能。Superpave性能等级规范中通过测试沥青胶结料的复数剪切模量G*和相位角δ，用车辙因子指标G*/sinδ，即损失剪切柔量J"的倒数，来表示沥青结合料的抗车辙变形能力，G*/sinδ越大，表征结合料的高温抗车辙能力越强。用相位角反映沥青胶结料粘性成分和弹性成分的比例，通过施加在沥青胶结料上应力与应变响应时间滞后来度量;相位角越大，其应变相对于应力响应越滞后，粘性成分就越大，据此以相位角来分析沥青胶结料的粘弹性的变化。

试验采用美国产DSR－4000动态剪切流变仪，试验角频率 ω=10 rad/s(1.59 Hz)，应变值 γ=12%，样品厚度1 mm，直径25 mm。试验试样为70号A级基质沥青、3种剂量的Superflex改性沥青共4种原样沥青和经RTFOT老化后的沥青。试验温度从52℃起，以6℃间隔进行升温试验，原样沥青和RTFOT老化沥青试验结果如图1和图2。

图1 原样沥青车辙因子、相位角随温度变化图

图2 RTFOT老化沥青车辙因子、相位角随温度变化图

由图可以看出，无论原样沥青还是经RTFOT老化后的沥青，经Superflex改性后的沥青车辙因子明显增大，且掺量越大其车辙因子越大，表明其高温性能越好;对相位角的分析表明，相同温度下改性后的沥青相位角都明显小于基质沥青相位角，且随着Superflex掺量的增大，相位角呈减小趋势，表明其弹性成分增大，更有利于提高沥青的高温稳定性和耐久性;从变化的幅度来看，车辙因子掺量12%到15%的增幅明显大于掺量15%到18%，相位角在12%到15%减幅明显，而15%的相位角和18%的相位角基本相当。按SHRP性能规范技术标准，原样沥青的车辙因子不小于1.0 kPa、老化沥青的车辙因子不小于2.2 kPa来推算得到各种沥青胶结料的临界温度如表2，可知，在基质沥青中掺加Superflex改性沥青后，15%的掺量临界温度提高近10℃，提高幅度达15%，高温抗车辙性能得到明显提高;对比不同掺量下临界温度的增长幅度可以看出，12%至15%的增幅是15%至18%的增幅的1倍，超过15%后性能改善效果放缓。

表2 PG临界温度

比较老化前后不同沥青材料的相位角的变化，可以看出:经RTFOT短期老化后的沥青试样的相位角都小于原样沥青的相位角，说明沥青老化后，随着沥青中轻质油分的挥发，沥青逐步变稠变硬，弹性成分增强，粘性成分减弱，温度敏感性下降，高温抗车辙能力进一步提高。不同掺量的相位角的比较可知，15%掺量的相位角与18%掺量基本相当，有些测试温度下甚至小于18%的掺量，由此可推断掺量超过15%后，并没有增加沥青胶结料弹性，有时因掺量过大天然橡胶老化使得沥青弹性性能反而下降，沥青抗老化、抗变形性能变差。

采用双对数对抗车辙因子G*/sinδ和试验温度T进行线性回归分析，如图3。回归斜率反映了抗车辙因子G*/sinδ受温度改变的影响程度，斜率越大，即回归直线倾越斜，表征抗车辙因子G*/sinδ受温度变化影响越大，沥青的感温性就越差。从图3可以直观的看出，基质沥青的倾斜度最大，说明基质沥青的G*/sinδ随温度变化的程度最大，感温性能最差，15%掺量Superflex的倾斜度最小，说明其G*/sinδ随温度变化最小，则其感温性越好;从回归得到斜率数据可看出感温性排序为:15%掺量Su-perflex＞18%掺量Superflex＞12%掺量Superflex＞基质沥青。这说明Superflex改性剂掺量并不是越多越好，应以能形成较稳定的共混体系、获得优良性能的掺量为原则。

图3 车辙因子与温度双对数回归分析图

3 低温弯曲流变试验分析

沥青延度试验方法一直广泛应用于沥青低温性能分析与预测，但随着研究深入，该实验方法在研究手段和应用范围、试验环境条件等方面的局限性，限制了其在低温高粘度改性沥青方面的应用。美国SHRP试验计划推出了低温弯曲梁流变实验(BBR)，被越来越多的运用于沥青的低温性能分析与预测，通过试验，获得沥青试样在规定温度和荷载条件下沥青的弯曲蠕变与时间的关系图像，并由此得到荷载作用60 s时的沥青试样的蠕变劲度模量S与蠕变变化速率m两个参数作为沥青低温性能的评价指标。

蠕变劲度模量S是小梁在受压时抵抗荷载能力的表征，m是对蠕变曲线的切线斜率，表征劲度模量S的变化速率;在PG分级指标中，要求规定低温时沥青材料的劲度模量不应高于300 MPa，因为劲度模量越大，在受力情况下材料表现出的脆性越明显，路面发生低温脆裂的可能性越大，就越容易引发沥青路面裂缝;蠕变曲线的斜率m值实际上反映的是温度变化下沥青变形对低温的响应快慢，如果沥青变形响应迅速，则可以使沥青的劲度模量减小，从而降低沥青自身受到的应力作用，沥青路面开裂的可能性下降;在PG分级指标中，要求规定低温时m值应大于等于0.3。

试验采用美国产TE－BBR流变仪，所有沥青试样均经 RTFOT和 PAV压力老化，试验温度为－12℃、－18℃和－24℃。试验结果如图4所示，Superflex的加入，对沥青的低温性有明显改善，基质沥青和12%掺量改性沥青－18℃劲度模量S大于300 MPa，其低温分级为 －22℃，掺量为15%和18%的Superflex改性沥青－18℃时的S＜300 MPa，低温级别为－28℃，比基质沥青提高一个低温级，低温抗裂性得到改善。可以看出橡胶沥青的低温性质与Superflex改性剂掺量密切相关，掺量越高，其低温性能越好，这是橡胶颗粒在受压、受剪状态下，在沥青中发挥了它的高弹性和粘性。

图4 蠕变劲度模量S和蠕变速率m与试验温度关系图

所有沥青的蠕变劲度变化率m值在各温度条件下都要大于0.3，满足相应的技术规范要求，随着温度降低，蠕变劲度变化率m均有减小的趋势，由图4可以看出基质沥青m变化率最大，这也说明随温度降低，基质沥青的抗低温性能可能会变得更差。所有改性沥青比基质沥青的m值变化都平缓，因此低温性能都优于基质沥青。

4 结论

采用动态剪切流变试验和低温弯曲梁流变试验，分析了不同温度下掺不同剂量的Superflex、基质沥青的高低温性能表明:

1)Superflex的抗车辙因子随着掺入量的增大而增大，相位角明显减小，胶结料的弹性成分增大，因此其高温抗车辙性能和耐久性较基质沥青得到明显改善。

2)Superflex改性沥青的高温临界温度较基质沥青提高达15%，高温抗车辙性能得到明显提高;根据临界温度随掺量的变化幅度可知，掺量超过15%后高温性能改善效果放缓;15%掺量的相位角与18%掺量基本相当，因此掺量超过15%后，沥青胶结料弹性并没有随之增大，有时因掺量过大天然橡胶老化使得沥青弹性性能反而下降。

3)根据车辙因子和温度间的双对数回归分析，感温性方面排序为:15%Superflex＞18%Superflex＞12%Superflex＞基质沥青。

4)Superflex能明显改善低温性能，15%Superflex低温等级达－28℃，比基质沥青提高一个低温级，抗裂性得到改善。

5)综合不同掺量Superflex改性沥青的高低温性能试验结果，建议最佳掺配剂量为15%。

［1］沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］庞传琴，毕玉峰.不同改性沥青性能的分析［J］.中外公路，2005，25(6):120 －124.

［3］王 敏，张东长.Superflex改性沥青抗水损害性能试验研究［J］.山西建筑，2010(1):178－179.

［4］JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［5］王国安，朱洪洲，陈团结，等.硅藻土改性沥青胶浆高温性能评价［J］.公路工程，2010，35(1):150－154.