复合改性橡胶沥青及其应力吸收层性能研究

李林涛

(河南中原高速公路股份有限公司，河南 郑州 450000)

应力吸收层是将裹覆的、低油石比的单一碎石均匀地满铺在高洒布量的沥青涂层上，然后，在胶轮压路机的外力作用下，集料相互嵌锁形成的较薄结构层。它能有效防止基层反射裂缝的穿透，延缓路面裂缝的形成。橡胶沥青本身弹性恢复性较强，在单一碎石的作用下，应力吸收作用明显提升，且橡胶沥青应力吸收层施工快捷，因此，在预防路面反射裂缝方面，得到广大科研人员的认可。作者拟对复合改性橡胶沥青性能影响因素及其应力吸收层抗剪、疲劳和拉拔进行研究，以期优化其合理配比。

1 复合改性橡胶沥青的影响因素

复合改性橡胶沥青生产时，涉及的影响因素有胶粉种类和细度、加工工艺、基质沥青类型及胶粉和SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)掺量等[1-2]。

1.1 胶粉种类对复合改性橡胶沥青性能的影响

分别选择掺量相同(13%)的货车轮胎胶粉和小车轮胎胶粉，对70#道路石油沥青进行改性。将SBS掺量设定为5%，复合改性沥青的性能指标见表1。

表1 复合改性沥青的性能指标Table 1 Performance index of the composite modified asphalt

从表1中可以看出，货车轮胎胶粉和小车轮胎胶粉对基质沥青均有良好的改性效果。但是，在相同的试验环境条件下，货车轮胎胶粉改性效果更佳。其原因是：小车轮胎中橡胶含量较少，轻质碳酸钙含量过多。因此，在橡胶沥青研究中，尽量选取货车轮胎胶粉，本研究中所有试验均采用货车轮胎胶粉。

1.2 加工工艺对复合改性橡胶沥青性能的影响

在复合改性沥青中，SBS掺量初始设定为

5%，橡胶粉掺量初始设定为13%。在加工工艺研究中，采用3种不同的工艺：① 同时掺加SBS和胶粉，并剪切1 h；② 先将SBS掺入基质沥青中剪切30 min，再加胶粉剪切30 min；③ 先将胶粉掺入基质沥青中剪切30 min，再掺入SBS剪切30 min。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》室内标准试验要求，对复合后的改性沥青进行了性能指标的检测，其结果见表2。

从表2中可以看出，不同加工工艺对复合改

表2 不同工艺下复合改性沥青性能指标Table 2 Performance index of composite modified asphalt under different processes

性沥青的三大指标有轻微影响，“先掺SBS，后掺胶粉”的工艺效果较佳，高、低温性能较好。其原因是：先掺加SBS可以充分吸收基质沥青轻组分，快速膨胀形成网络交联结构体。后掺入胶粉并剪切30 min，有利于吸附多余的轻组分(油蜡)，导致沥青稠度增加，高、低温性能得以提升。如果先添加橡胶粉以吸收沥青中的大量轻质成分，则后掺入的SBS就不能吸收足够的轻质成分来膨胀，在一定程度上阻碍了SBS在沥青中部分网络交联结构体的形成，反应在软化点和延度指标上略有降低。此外，在橡胶改性沥青中，由于胶粉颗粒发育溶胀“胶核”的存在，针入度指标可以不作为沥青评价的关键性指标。

1.3 胶粉细度对复合改性橡胶沥青性能的影响

针对胶粉细度的研究变量，本试验选取5种不同目数的胶粉对基质沥青进行改性，SBS掺量设定为5%，胶粉掺量设定为13%。室内标准试验结果见表3。

表3 不同胶粉类型下复合改性沥青性能指标Table 3 Performance index of the composite modified asphalt under different types of rubber powder

从表3中可以看出：① 复合改性沥青针入度和软化点指标随着胶粉细度的增加呈现“峰值”。其原因是：胶粉目数的增加，使得比表面积增加；加之货车轮胎胶粉橡胶含量较多，轻质碳酸钙含量较少，使得溶胀反应更充分；进而导致胶粉吸收沥青轻质组分含量增加，交联作用增强，网络结构相对稳定。胶粉超过40目以后，胶粉过细会过多地吸收沥青轻组分，使得脱硫和降解速率增加，胶粉体积变小，胶粉之间的交联作用减弱，沥青中橡胶分子链段增加，针入度和软化点下降。② 由于基质沥青的粘度低，其流变性比胶粉颗粒的大，二者在界面的交接处容易出现应力集中现象。胶粉细度越细，界面应力越低，改性以后复合沥青的延度就会变得更优；相反，胶粉颗粒越大，胶粉颗粒降解和脱硫以后的“胶核”保存就越好，弹性恢复就越优。

胶粉越细，加工成本越高，并且越细的胶粉越容易吸收水分而结团，导致复合改性沥青的加工难度增加。因此，本研究在综合比选的情况下，选取40目的货车轮胎胶粉作为研究的统一变量。

1.4 沥青型号对复合改性橡胶沥青性能的影响

沥青型号不同，组分含量就不同。在相同的改性条件下，改性效果也会有所差异[3-4]。本试验采用70#和90#2种基质沥青，掺加13%的40目货车轮胎胶粉，掺加5%的SBS改性剂，复合改性结果见表4。

表4 不同基质沥青型号下复合改性沥青指标Table 4 Composite modified asphalt index under different of the matrix asphalt models

从表4中可以看出，70#基质沥青在相同的复合改性条件下的软化点略大于90#基质沥青的，其针入度、延度及弹性恢复等指标均略小于90#基质沥青的。针对2种不同型号的基质沥青，标号越高，沥青中饱和分和芳香分含量就越高。当胶粉加入并高速剪切时，胶粉的溶胀效果就越好，使得复合改性后沥青软化点下降，针入度、延度及弹性恢复提高。因此，在选择基质沥青时，要结合当地的气候条件。

1.5 掺量对复合改性橡胶沥青性能的影响

以70#基质沥青、40目货车轮胎胶粉为原材料，SBS掺量设定3种掺量(3%，4%和5%)，胶粉掺量设定4种掺量(9%，11%，13%和15%)，同样的改性条件下，其结果如图1所示。

图1 外加剂掺量下的复合改性沥青指标变化曲线Fig.1 Change of composite modified asphalt index at each dosage of the admixture

从图1(a)中可以看出，胶粉掺量一定时，复合改性沥青的针入度随着SBS掺量的增加呈现相反的趋势；SBS掺量一定时，复合改性沥青的针入度随着胶粉掺量的增加同样呈现相反的趋势。从图1(b)和(c)中可以看出，胶粉掺量一定时，当SBS掺量为3%～5%时，软化点和延度随着SBS掺量的增加而提高；在SBS掺量固定时，随着胶粉掺量的增加，软化点和延度提高。当胶粉掺量大于13%以后，软化点趋于稳定，延度仍不断上升，但上升缓慢。因此，复合改性沥青对SBS和胶粉掺量均具有选择性。其中，SBS掺量影响显著，且改性后沥青指标随着SBS掺量的增加成正向变化。鉴于SBS掺量一定时软化点和延度的变化情况，同时考虑到胶粉的经济情况，因此，本试验确定复合改性沥青SBS最佳掺量为5%，胶粉最佳掺量范围为11%～13%。

本研究列出了70#基质沥青在SBS掺量为5%和40目货车胶粉掺量为13%的改性复合沥青指标，见表5。

表5 复合改性橡胶沥青试验结果和技术要求汇总Table 5 Test results and technical requirements for composite modified rubber asphalt

2 橡胶沥青应力吸收层的性能

以本试验确定的复合改性橡胶沥青、中海油AH-70及SBS改性沥青分别制作应力吸收层试件，试件均有水泥混凝土板、应力吸收层及沥青面层组成，借鉴以往的研究经验，橡胶沥青喷涂量控制在2.4 kg/m2，AH-70和SBS改性沥青的喷涂量控制在1.7 kg/m2，碎石9.5～13.2 mm满铺率为70%[5]。

抗剪试验水泥混凝土板浇筑成300 mm×300 mm×50 mm的标准尺寸，养生28 d后拉毛并放于10 cm加厚车辙试模中，试件表面均匀喷洒既定量沥青，紧接着均匀撒布水洗后的预热碎石，之后采用车辙成型仪碾压2遍，并在其上压实厚度5cm的AC-13C SBS改性沥青混凝土，2 d后拆模[6]。钻取Φ×H=10 cm×10 cm的芯样在温度为60 ℃时进行抗剪试验，剪断位置为应力吸收层。而疲劳试件车辙板尺寸扩大为400 mm×300 mm×100 mm，试验时将复合车辙板切割成长380 mm、宽63.5 mm、高50 mm的小梁，并在15 ℃条件下采用四分点加载，试验过程中弯曲劲度模量下降到初始弯曲劲度模量50%时试验终止，记录下此时的加载循环次数[7]。拉拔试验前至少提前1 d采用环氧树脂胶将拉拔头与试件上、下表面粘牢[8]，试验温度设定为60 ℃，试验中如出现拉拔头与试件提前断裂的情况，应废弃试验，分析原因后重新将试件与拉拔头粘结牢固，再进行试验。各实验结果见表6。

表6 橡胶沥青应力吸收层性能指标检测结果汇总Table 6 Performance index of rubber asphalt stress absorption layer

从表6中可以看出，复合改性橡胶沥青的抗剪性能、疲劳性能及拉拔性能均优于SBS改性沥青和中海AH-70的。

复合改性橡胶沥青由于存在“胶核”为核心的交联结构体，致使复合改性橡胶沥青应力吸收层与水泥混凝土板的粘结力得到显着提高，整个界面趋近于连续状态，抗剪切能力和拉拔性能优势明显。即复合改性橡胶沥青应力吸收层层间抗剪强度是SBS改性沥青的1.8倍，是AH-70沥青的3.1倍；其剪切变形是SBS的1.2倍，是AH-70沥青的1.8倍；其抗拉强度是SBS改性沥青的1.2倍，是AH-70沥青的1.7倍。这种良好的粘结状态在后期的道路使用过程中可以有效减少车辆行驶时动荷载对路面结构的破坏。

在高速剪切作用下，复合改性橡胶沥青在微观和宏观上均处于较均匀状态，内聚力较强，诱发沥青路面应力集中现象大大降低，微损伤发展而来的疲劳破坏减少，疲劳寿命增加。其疲劳寿命是SBS改性沥青的1.3倍，是AH-70沥青的2.1倍。因此，复合改性橡胶沥青应力吸收层在层间性能方面占有很大的优势。

3 结论

通过研究复合改性橡胶沥青的性能影响因素和应力吸收层的相关性能，对复合改性橡胶沥青配方进行了优化。并在此基础上进行了应力吸收层试验，得到的结论为：

1)复合改性橡胶沥青制备工艺方面，先掺SBS，后加胶粉剪切，改性后的三大指标效果较好。

2)货车轮胎胶粉的改性效果明显优于小车轮胎胶粉的，用40目的货车轮胎胶粉复合改性后，沥青的三大指标和弹性恢复性能相对最好。

3)用SBS和胶粉对基质沥青进行改性，SBS掺量变化对沥青性能有显著影响。随着SBS掺量的增加，各种性能指标均有所提高。胶粉掺量变化对复合改性沥青的影响相对较小，其适宜掺量为11%～13%。

4)复合改性橡胶沥青的抗剪性能、疲劳性能及拉拔性能均优于SBS改性沥青和中海AH-70的。复合改性橡胶沥青应力吸收层的抗剪强度是SBS的1.8倍，是AH-70沥青的3.1倍；其剪切变形是SBS的1.2倍，是AH-70沥青的1.8倍；其疲劳寿命是SBS的1.3倍，是AH-70沥青的2.1倍；其抗拉强度是SBS的1.2倍，是AH-70沥青的1.7倍。复合改性橡胶沥青的整体性能最优，在复合式路面中可以起到很好的应力吸收作用。