直投式改性橡胶沥青混合料路用性能分析

徐晓波

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

本文为提高高海拔地区沥青面层低温抗裂性能和疲劳性能，分别以废胎胶粉和橡维联作为直投改性剂，开展直投式改性橡胶沥青及其混合料的性能研究，以寻求一种适合高海拔地区现有施工条件的高性能改性沥青路面技术。

1 原材料

1.1 直投改性剂

本文主要采用废胎胶粉（40目和20目国产轮胎橡胶粉）和橡维联两种直投改性剂，性能指标检测结果见图1、表1～表3所示。

图1 40目、20目胶粉及橡维联

表1 废胎胶粉的检测结果

表2 废旧胶粉筛分结果

表3 橡维联性能指标

1.2 沥青、集料

本文采用新疆金石SBRII-A改性沥青，粗集料为花岗岩碎石，细集料是S16的石灰岩石屑，矿粉为石灰石矿粉，性能均满足规范[1]要求。

2 试验方案及配合比设计

2.1 试验方案

本文采用替代法，即用橡胶粉等体积替代一部分细集料，根据经验，初设替代量为集料质量的1%、2%、3%，橡维联用量为集料用量的1%。

室内配合比试验采用马歇尔击实法。拌和温度为175℃～180℃。拌和顺序如下，先将胶粉或橡维联与集料搅拌30 s，后加入沥青搅拌90 s，最后加入矿粉搅拌60 s。将搅拌好的混合料放入175℃烘箱中保温45 min，最后进行马歇尔击实成型。

2.2 配合比设计

选用目标级配为AC-13型级配。合成级配时，首先按照目标级配和各档集料的筛分结果计算得到各档集料的比例，然后，根据相应橡胶粉或橡维联的质量用量，计算橡胶粉或橡维联的体积用量，并等体积地替代0～5 mm的细集料，得到最终的合成级配如图2。

图2 AC-13合成级配

通过马歇尔击实法得到直投式改性橡胶沥青混合料的最佳油石比结果如表4所示。

表4 不同沥青混合料的最佳油石比

分析表4得出，20目和40目胶粉对最佳油石比的影响较小，可忽略不计，因此建议采用成本较低的20目橡胶粉。另外，油石比随着胶粉掺量的增加而增加。分析原因，在于胶粉在与高温沥青混合后，会吸附大量沥青轻组分从而减小集料裹覆的沥青；同时，由于橡胶粉的融胀，以及胶粉与沥青的融合，沥青的黏度增大，流动性变差，裹覆集料的沥青增多，从而使油石比增大。

3 路用性能

对混合料进行高温性能、低温性能、水稳定性、疲劳性能试验研究，检验直投式改性橡胶沥青混合料的路用性能。

3.1 高温性能

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ E20—2011）[2]中的 T0719—2011进行混合料高温性能测试，得到图3所示结果。

图3 动稳定对比图

从图3可得以下结论：

a）在同一目数下，动稳定度随着胶粉掺量的变化呈现先增加后降低趋势。以20目胶粉为例，掺入1%至3%时，动稳定度分别提高29.1%、17.3%及降低2.4%。分析其原因，主要是随着胶粉的加入，橡胶粉吸附沥青中轻组分并与沥青融合，从而使沥青的黏度变大，软化点提高，从而使得沥青混合料动稳定度提高。而随着橡胶粉用量的进一步增加，过多的胶粉使沥青混合料致密度降低，松散性逐渐增加，从而造成动稳定度的降低。

b）在相同掺量下，动稳定度随着胶粉目数的增加而增加，如橡胶粉用量为1%时，40目胶粉提高了37.8%，20目胶粉提高了29.1%。分析其原因为胶粉目数越大粒径越细，越容易与沥青融合，增加了沥青胶浆的黏度，提高沥青的软化点，进而在不影响填充效果的情况下，胶粉越细，其抗车辙性能就越强。所以，选用40目的胶粉效果较好，这与陈梦等人[3]得出的结论相同。

c）掺入橡维联的直投式改性橡胶沥青混合料抗车辙性能提高58%，高于直投橡胶粉的改性橡胶沥青混合料。其原因主要因为橡维联组分中的TOR中含有的双键聚合物促进了橡胶粉与沥青的融合，使得沥青中的硫交联与橡胶粉中的硫交联形成大片网状和链状聚合物网状结构，从而提高沥青混合料的高温稳定性。

d）高温稳定性试验结果表明，不论是直投橡胶粉，或是直投橡维联均可以使改性橡胶沥青混合料动稳定度得到一定程度提升。当动稳定度达到最大时，橡胶粉和橡维联的用量均为集料质量的1%。

3.2 低温性能

根据试验规程进行-10℃±0.5℃下的三点加载小梁低温性能试验，得到如图4结果。

图4 低温试验结果对比

结果分析：

a）在同一目数下，最大弯拉应变随着胶粉掺量的增加出现了先增加而后降低，掺量为1%时，直投20目和40目橡胶粉的混合料低温应变分别提高了22.4%和36.5%，均达到3 000微应变以上，表现出良好的低温抗裂性能。胶粉用量为2%和3%时，沥青混合料的低温弯拉应变均出现了不同程度的降低。分析其原因为过多的胶粉造成了混合料强度的降低和一定程度松散，反而导致低温性能下降。

b）在相同掺量下，最大弯拉应变随着目数的增加而增加，分析其原因为胶粉越细越容易与沥青融合，增加了沥青的韧性，同时对沥青的低温延度的影响减少，从而使混合料低温性能提高。

c）直投橡维联的混合料低温性能提高了17.3%，同样达到了3 000微应变以上，同样具有良好的低温性能。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验验证直投式改性橡胶沥青混合料的水稳性能，结果如图5。

图5 水稳定性试验结果对比

由以上试验结果可知：混合料的水稳定性随着橡胶粉的掺加呈先增大后减小，且胶粉目数对水稳性能影响不大。分析原因在于橡胶粉本身具有吸油特性，同时部分胶粉和沥青发生了融胀，在增加混合料油膜厚度的同时增强了混合料间的黏附性。因而，橡胶粉用量适当时可以提高路面的水稳定性。但是，当胶粉用量过大时（超过2%），水稳定性反而降低。另外，图中可以看出，使用橡维联作为直投改性剂对混合料的水稳定没有明显影响，混合料始终保持良好的水稳定性。

3.4 疲劳性能

本次试验温度15℃，试验采用应变控制模式，试验应变为500微应变，荷载频率为10 Hz，当混合料的劲度模量下降到初始劲度模量的50%停止试验，以加载次数作为该混合料的疲劳寿命。试验结果见图6。

图6 疲劳试验结果

分析结果可知：

a）胶粉掺量为1%时，疲劳性能最佳，20目时超过不掺胶粉的1.10倍。40目时超过不掺胶粉的1.22倍。分析其原因主要为胶粉的掺入能有效增加沥青的韧性和弹性，降低沥青混合料劲度模量，从而降低了混合料的疲劳损伤，提高其疲劳寿命。随着胶粉掺量的增加，超过1%时，混合料的疲劳性能随之降低，但均比不加胶粉的混合料疲劳性能好。分析其原因在于过多的胶粉改变了混合料内部的骨架结构，并在一定程度上还能造成混合料内部疲劳应力的集聚，因此胶粉用量过大反而使沥青混合料疲劳寿命的提高幅度降低。

b）直投橡维联的沥青混合料疲劳性能为不掺胶粉的1.13倍，也能有效提高混合料的疲劳性能。分析其原因为TOR促进了胶粉和沥青的相互融合，增加了沥青的网状结构，同时也能在一定程度上降低混合料的疲劳损伤，提高疲劳寿命。

c）综合以上试验结果，建议橡胶粉用量不宜超过1%，橡维联的合理用量为1%。

3.5 混合料回弹性验证

由于橡胶粉与橡维联均具有明显弹性，为探究将其用于沥青混合料中后，对沥青混合料回弹性及路面压实度和使用寿命的影响，进行回弹性验证试验。本次试验为直投1%的20目胶粉混合料，及直投1%的橡维联混合料。试验测定击实成型后试件高度及1 d后试件高度，并按照δ=(h2-h1)/h1（h1为击实后试件高度；h2为冷却1 d后试件高度）计算试件的回弹率δ。试验结果见表5。

表5 回弹性验证试验结果

试验结果表明，虽然两种不同直投式改性橡胶沥青混合料都出现了回弹现象，但回弹率仅为0.2～0.61。这说明通过采用等体积替代法，直投式改性橡胶沥青混合料的膨胀现象并没有想象的严重，不会明显影响混合料的压实。

4 小结

本文开展直投式改性橡胶沥青混合料性能研究，主要得到如下成果：

a）当橡胶粉和橡维联的用量均为集料质量的1%时，动稳定度达到最大。其中，直投20目胶粉时，动稳定度提高29.1%；直投40目胶粉时，动稳定度提高37.8%；直投橡维联时，动稳定度提高58%。

b）当橡胶粉和橡维联的用量均为集料质量的1%时，直投改性橡胶沥青混合料的低温性能最佳。其中，直投20目和40目橡胶粉的混合料低温应变分别提高了22.4%和36.5%，微应变数值达到3 239.36和3 612.35；直投橡维联的混合料低温性能提高了17.3%，微应变数值达到3 103。两种直投改性橡胶沥青混合料均表现出良好的低温性能。

c）直投橡胶粉或直投橡维联对混合料的水稳定性没有明显影响，混合料始终保持良好的水稳定性。

d）胶粉及橡维联掺量均为1%时，疲劳性能最佳，20目的沥青混合料疲劳性能超过不掺胶粉的1.10倍，40目的超过不掺胶粉的1.22倍，直投橡维联的为不掺胶粉的1.13倍。而加入超过1%的胶粉后，沥青混合料的疲劳寿命反而有所降低。

e）试验结果表明，虽然两种不同直投式改性橡胶沥青混合料都出现了回弹现象。但是，根据试验结果，两种直投式改性橡胶沥青混合料回弹率仅为0.2%～0.61%。这说明通过采用等体积替代法，直投式改性橡胶沥青混合料的膨胀现象并没有想象的严重，不会明显影响混合料的压实。