高模量剂与橡胶粉复合改性沥青SMA混合料耐久性研究

岳秀梅

(呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司， 内蒙古 呼伦贝尔　021008)



高模量剂与橡胶粉复合改性沥青SMA混合料耐久性研究

岳秀梅

(呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司， 内蒙古 呼伦贝尔021008)

[摘要]研究了橡胶粉和高模量剂掺量对SMA混合料综合路用性能的影响，并将其与SBS改性SMA混合料进行了对比。试验结果表明，基于橡胶粉与高模量剂复配技术所生产的SMA混合料其综合路用性能可达到甚至超过SBS改性SMA混合料，经室内试验和实体工程验证，橡胶粉和高模量剂复配可充分利用各自技术性能优势，该复合方案具有较好的技术优越性，推荐适宜的橡胶粉与PRM高模量改性剂掺配比例为22%(橡胶粉湿法内掺)+0.6%(高模量剂采用干法工艺)，经实体工程验证，该法具有较好的技术优越性。

[关键词]道路工程； 橡胶粉； 高模量剂； 复合改性沥青混合料； 路用性能

0前言

根据国内关于SMA沥青混合料的研究成果及工程应用实践情况，目前主要采用SBS改性沥青和纤维改性剂生产SMA沥青混合料，SMA混合料技术难点在于“三多一少”的骨架嵌挤结构，这就对沥青、集料和施工技术提出了更高要求[1，2]。研究表明，尽管SBS改性沥青所生产的SMA混合料具有高强、良好的变形协调性、优良的高温稳定性与抗剪能力以及耐疲劳等诸多良好的性能，但其仍然有着不少问题，首先是成本问题，其次SBS改性沥青老化后变得硬脆，缺乏柔韧性，开裂以及疲劳裂缝等一些病害也是屡见不鲜。大量研究表明，使用橡胶粉改姓沥青不仅可以解决废旧橡胶轮胎污染环境问题，也可有效改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能，同时提高沥 青路面的柔性，延缓路面反射 裂缝、增强路 面冬季柔 性具有除冰 降噪等功能[3-6]。另一方面，随着高模量沥青混合料在国省干线交叉口车辙处治和山区高速公路长大纵坡等一系列公路建设工程的成功运用，高模量混合料提高路面结构的坑车辙性能均体现了较好的使用效果，高模量沥青混合料的抗车辙和抗疲劳性能得到了业内一致认可[7-11]。然而采用橡胶粉和高模量剂所生产的沥青混合料都有其技术缺陷，目前鲜见采用橡胶粉与高模量剂复合改性方案生产SMA混合料方面的研究报道，本文通过将橡胶粉与高模量剂复配，以充分利用这两种改性剂对沥青混合料技术性能的改善优势，经室内试验和试验路验证，该法具有较好的技术优越性，研究成果可为今后同类工程实践提供理论借鉴和研究思路。

1原材料及配比

试验选用SK70重交通道路石油沥青和壳牌SBSI-B(SBS掺量为4.5%)，经检测沥青各项指标均满足现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40)的相关技术要求[12]。橡胶粉是一种优良的沥青改性剂，可显著改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，研究表明[5]，橡胶颗粒粒径过大，其与沥青以及其他粒径的集料粘附性差，易造成橡胶颗粒的松散和脱落，进而影响路面的耐久性差，橡胶粉粒径越小其越容易均匀分散，在沥青中的硫化反应越充分，但也会增加工程造价，综合考虑，本研究采用的橡胶粉为实体工程中采用的泰华胶粉30目午轮胎胶粉，胶粉的筛分试验结果见表1。经室内试验筛选，初选的橡胶粉掺量为18%、20%、22%、24%、26%、28%(占沥青质量的百分比，下同)。

高模量剂采用PRM添加剂，PRM由法国路面材料实业公司研发并生产，根据工程经验和厂家提供的添加比例，初选PRM掺量为0.4%、0.6%、0.8%(占混合料质量的百分比，下同)。

表1 橡胶粉筛分试验结果Table1 Rubberpowderscreeningtestresults筛孔尺寸/mm通过百分率/%筛孔尺寸/mm通过百分率/%2.361000.334.61.181000.1510.20.685.30.0750.1

2橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料

生配合比设计

2.1橡胶粉沥青制备

将加热基质沥青到175 ℃后加入预定质量的橡胶粉，为避免一次性加入橡胶粉过多导致沥青温度下降过低，试验时控制橡胶粉的掺加速率为8 g/s，边加入橡胶粉边快速搅拌，使加入的橡胶粉能在短时间内与基质沥青混合均匀，并快速加热到所需的试验温度，待胶粉颗粒全部加入后以4 500～5 000 r/min剪切速率剪切45 min，然后175 ℃条件下发育30 min，制成改性沥青后备用。

2.2混合料级配

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)推荐的SMA沥青混合料的工程级配范围[12]，为了减小橡胶粉颗粒对混合料级配的干涉作用，实体工程中减小了混合料中矿粉的比例，试验级配见表2。

表2 SMA-13沥青混合料的合成级配Table2 SMA-13AsphaltMixtureSynthesisgrading筛孔尺寸/mm级配上限规范下限合成级配1610010010013.21009096.89.57550684.75342038.82.36261523.61.18241419.50.6201216.20.3161012.90.1515911.20.0751289.1

2.3橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料配合比设计

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)马歇尔法试验流程确定橡胶粉高模量剂复合改性沥青混合料的最佳油石比。试验时高模量剂的掺加方式采用“干法”工艺，PRM高模量剂对沥青混合料增粘、改性作用主要发生在混合料拌合过程中，集料的加热温度、混合料拌合温度以及混合料拌合时间对高模量剂改性效果的发挥起着决定性作用[13]，通过方差分析研究混合料拌合温度和搅拌时间对高模量沥青混合料高温性能的影响最终确定集料加热温度为190-195 ℃，高模量剂与集料的干拌时间为90 s，混合料拌合时先将预定质量的PMR改性剂和集料一起干拌90 s，使其在矿料中充分融化、分散均匀，然后再加入橡胶粉改性沥青，拌合60 s，最后加入矿粉，拌合60 s，总拌合时间为3.5 min。不同橡胶粉和PRM高模量剂掺量下复合改性SMA混合料马歇尔试验结果见表3。

表3试验结果表明： ①相同高模量剂掺量下随着橡胶粉掺量的提高复合改性沥青混合料的最佳沥青用量增大，马歇尔稳定度随橡胶粉掺量的增大而增大，可见增大橡胶粉掺量可提高复合改性沥青混合料在拉压复合应力作用下的抗破坏能力。 ②相同橡胶粉掺量，随着PMR高模量剂的增大复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度显著增大，而混合料油石比随PMR的增大变化并不明显。 ③橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料的各项体积指标和力学指标均满足规范要求，采用马歇尔试验方法进行复合改性沥青混合料的配合比设计是合理可行的，这也说明本文确定的集料加热温度是合理的。

表3 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA马歇尔试验结果Table3 Rubberpowderandhigh-moduluscompositemodi-fiedagentSMAmarshalltestresultsPMR掺量/%橡胶粉掺量/%OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm0.4186.214.0217.7177.309.52.96206.304.0017.5977.269.82.85226.394.1017.4576.5010.12.79246.524.0317.3576.7710.32..70266.544.1417.5476.4010.52.750.6186.234.0217.4176.9110.22.84206.314.0817.7376.9910.92.82226.394.0017.6677.3511.32.76246.484.0317.6877.2111.62.72266.554.0717.6176.8911.92.660.8186.234.1217.5976.5811.22.80206.353.9817.7677.5911.72.73226.414.0017.6177.2912.12.70246.504.0717.7077.0112.42.63266.594.1217.7276.7512.62.56SBS改性沥青混合料6.264.0017.176.619.92.73

3橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料路用性能

3.1橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料高温稳定性及温度敏感性

现行规范选取60 ℃车辙试验检测混合料高温性能，为了研究复合改性沥青混合料高温稳定性对试验温度的敏感性，本文车辙试验采用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃共4个试验温度，试验结果见表4，车辙试验方差分析结果见表4。

由表4试验结果可知： ①相同高模量剂掺量下，随着橡胶粉掺量的增大复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度略有增加，方差分析结果表明，橡胶粉掺量对车辙试验动稳定度的显著性影响水平小于0.05，表明橡胶粉做为改性剂的掺加并没有显著改善复合改性沥青混合料的高温稳定性，其原因可能是，虽然橡胶粉在溶胀、硫化反应形成了稳定的沥青-橡胶粉稳定体系，但随着橡胶粉掺量的增大复合改性沥青混合料的最佳油石比增大，后者对温度的敏感性抵消了前一有利因素[6，7]； ②随着高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料高温稳定性显著提高，同时车辙试验动稳定度对温度的敏感程度降低，高模量剂掺量对车辙试验动稳定度的影响要比橡胶粉掺量显著，分析其原因，高模量剂高分子链在橡胶沥青中形成的空间网络结构限制了沥青分子运动，高模量沥青中的弹性成分在较高温度时具有使沥青混凝土的变形部分弹性恢复的功能，相当于在沥青混合料内部多了一个应力缓冲层，起到了卸荷作用，因而降低了沥青混合料的车辙变形，此外高模量剂的加入，沥青混合料的弹性模量增大，减少了不可恢复的残余变形，从而延缓了车辙的产生[15]； ③相比SBS改性沥青混合料，0.6%、0.8%高模量剂掺量下复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度均远大于SBS改性沥青混合料，可见采用橡胶粉与高模量剂复合改性方案具有较好的技术优越性。

表4 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA车辙试验结果Table4 Rubberpowderwithhighmoduluscompositemod-ifiedSMAagentruttingtestresultsPMR掺量/%橡胶粉掺量/%车辙试验动稳定度DS/(次·mm-1)40℃50℃60℃70℃0.4181280781006576130820131568327674114172214496850069031480241455586546931158626147258675701216120.618168031101089541795201741611421924618802218626123329822199424197141241498642072261981112634991020820.818199961303195451965202023313853101112072222156414206112212344242200014706119052481262335714916120752515SBS改性沥青混合料13403795364321221

3.2橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料低温抗裂性

按照现行施工规范要求采用低温小梁弯曲试验评价复合改性沥青混合料的低温抗裂性，试验方法参照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，试验结果见表5。

表5 橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table5 RubberpowderwithhighmodulusagentcompositemodifiedasphaltmixturebendingtestresultsPMR掺量/%橡胶粉掺量/%抗弯拉强度/MPa弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa0.41810.543625.552907.152011.203743.342991.982211.564134.812795.782411.744323.542715.372611.824405.322683.120.61811.683443.233392.162011.983854.163108.332212.044356.982763.382412.324625.652663.412612.544732.322649.860.81812.433213.653867.882012.543345.673748.132212.634497.542808.202412.544545.792758.602612.754612.682764.12SBS改性沥青混合料11.634153.752799.88

低温弯曲试验结果表明： ①相同高模量剂掺量条件下，随着橡胶粉掺量增大，复合改性沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变均增大，橡胶粉掺量对复合改性沥青混合料低温性能有显著的影响。 ②相同橡胶粉掺量条件下，随着高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量增大，而弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势，适宜的高模量剂掺量为0.6%，分析其原因，适量的高模量剂掺量时，由于高模量剂的高分子链在沥青胶浆中的形成的网络结构对橡胶沥青起到了加劲作用[16]，增强了混合料的劲度模量，同时提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性，混合料整体性提高，随着高模量剂掺量进一步增大，复合改性沥青混合料的柔韧性变差，复合改性沥青胶浆的进度模量较大，施工和易性差，反而不利于SMA混合料骨架的形成，因此低温抗裂性降低。

3.3橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料水稳定性

按照现行施工规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性，试验方法参照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)执行，试验结果见图1。

图1　橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料水稳定性试　　　验结果Figure 1　Rubber powder with high modulus composite modified 　　　mixture water stability test

图1试验结果表明：随着橡胶粉掺量和高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比、马歇尔残留稳定度均呈先增大后减小的变化趋势，峰值劈裂强度对应的最佳橡胶粉和高模量剂掺量分别为22%、0.6%。

3.4橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料抗疲劳性能

本部分疲劳试验采用中点加载简支梁弯曲试验法，加载模式为应力控制方式，按照现行施工规程JTG E20-2011中的要求成型车辙板，切割尺寸为40 mm×40 mm×250 mm小梁试件，在MTS材料试验机上采用中点加载方式进行，试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，支点间距为200 mm，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为连续式正弦波，这种加载方式下的疲劳寿命如式(1)，疲劳试验拟合结果如图2所示。

(1)

式中：Nf为疲劳寿命；σ0为初始的弯拉应力；K和n为试验回归系数。

图2　橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混合料疲劳试验结果Figure 2　Rubber powder with high modulus composite modified 　　　asphalt agent fatigue test results

图2试验结果表明： ①相同高模量剂掺量条件下，随着橡胶粉掺量的增大疲劳试验拟合系数K值呈先增大后减小的变化趋势，n值呈先减小后增大的变化趋势，胶粉掺量为22%时K值出现峰值，n值出现最小值，K值越大，疲劳性能越好，n值越小复合改性沥青混合料对应力水平的变化越不敏感，可见橡胶粉掺量对复合改性沥青混合料抗疲劳性能有显著影响。分析橡胶粉对复合改性沥青混合料疲劳性能的影响机理：一方面，增大橡胶粉掺量，复合改性沥青混合料最佳油石比增大，混合料内部沥青膜厚增大，柔韧性增强，当受到外界重复荷载时，由于橡胶粉与高模量剂复合改性沥青砂浆的柔性增强，橡胶颗粒在沥青胶浆形成的共混体中通过银纹 作用提高了混合料的整体柔性，橡胶粉改性沥青的柔性相当于在集料与沥青胶浆之间 就存在着一个应力吸收缓冲层，沥青胶浆产生较大的弹性变形在混合 料内部起 到了卸荷作用。 ②在一定范围内，随着橡胶粉掺量的增加，疲劳性能会有所增加，但是当橡胶粉掺量超过了22%后，疲劳性能会有所下降，这主要与橡胶粉的分散均匀程度有关[16-17]，橡胶粉掺量越大，没有充分硫化的橡胶粉和集料得不到良好的粘附，在混合料内部聚集 会形成软弱界面，诱发裂纹 剪切带的产生，界面粘结薄弱环节 内部的微裂缝也相应的会多一些，宏观表现为疲劳试验双对数拟合曲线K值减小，n值也相应先减小后增大的变化趋势。 ③相同橡胶粉掺量，0.6%高模量剂掺量下复合改性沥青混合料的疲劳试验双对数拟合曲线K值最大，同时n值最小，表明此时混合料抗疲劳性能最好。

4试验路铺筑

本课题依托甘肃省某高速公路沥青路面工程四合同段，在起点桩号为K12+750，终点桩号为K20+250的路段按照橡胶粉22%与0.6%PRM高模量剂复合改性方法，上面层采用4 cm厚复合改性沥青混凝土SMA-13。工程实践证明，采用橡胶粉与高模量剂复配方案，不仅节约了施工成本，而且压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达3 a的试验路检测，该法有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

5结论

① 系统研究了橡胶粉和高模量剂掺量对SMA混合料综合路用性能的影响，并将其与SBS改性SMA混合料进行了对比，结果表明，基于橡胶粉与高模量剂复配方案所生产的SMA混合料其综合路用性能可达到甚至超过SBS改性SMA混合料，推荐适宜的橡胶粉与PRM高模量改性剂掺配比例为22%(橡胶粉内掺)+0.6%(高模量剂采用干法工艺)。

② 生产橡胶粉与PRM高模量复合改性沥青混合料时控制集料加热温度为190～195 ℃，采用马歇尔法进行复合改性沥青混合料配合比设计，其各项体积指标和力学指标均满足规范要求。

③ 橡胶粉作为复合改性沥青混合料的改性剂并没有显著提高混合料的高温性能，而是显著的改善了复合改性沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能。

④ 随着PRM高模量剂掺量的增大，复合改性沥青混合料的高温稳定性提高，抗车辙能力对温度的敏感性降低，0.6%高模量剂掺量下复合改性沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能最优。

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Study on Rubber Powder and High Modulus Composite Agents Composite Modified Asphalt SMA Mixture

YUE Xiumei

(Hulunbeier City Highway Investigation Planning Design Company Limited， Hulunbeier， Inner Mongolia， 021008， China)

[Abstract]Study on the influence of rubber powder and high modulus agent content on comprehensive road performance of SMA mixture，and with SBS modified SMA mixes were compared.The results show that：based on rubber powder with high modulus agents produced complex technology the overall road performance can be achieved even more than SBS modified SMA mixture.After laboratory tests and physical engineering verification，rubber powder and high modulus agent compound can take advantage of their technical performance advantages，the composite method has better technical superiority，we recommend suitable rubber powder with high modulus modifier PRM doping with a ratio of 22%(wet within the mixed)+0.6%(high modulus agent using a dry process).After substantial projects proved this method has better technical superiority

[Key words]road engineering； rubber powder； high modulus agent； composite modified asphalt； road performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0226—05

[作者简介]岳秀梅(1969—)，女，河北沧州人，高级工程师，主要从事公路设计及管理方面的工作。

[收稿日期]2015—10—08