橡胶粉、水泥对沥青改性性能的试验

文/新疆交通规划勘察设计研究院 张校刚

为提高沥青混合料与花岗岩等带有酸性集料的黏附性能，在沥青混合料中加入橡胶、水泥等外加剂来改善沥青混合料性能，使改性沥青与集料具有良好的黏结力，克服沥青路面早期破坏的弱点。通过分析剪切时间和温度、橡胶粉和水泥的掺量，并运用正交试验原理来分析橡胶粉和水泥对沥青的改性性能，寻求橡胶粉和水泥掺量及剪切时间和温度的最佳值，为指导实际施工提供参考。

研究背景

沥青路面早期破坏的原因通常是由于沥青混合料与集料的黏结不足，而引起沥青与集料的剥离造成路面的破坏。当集料采用花岗岩时，由于花岗岩的酸性特性，使得沥青与其黏附性大大减小，即便花岗岩的强度高，也很少在沥青混合料中使用。

使用水泥代替部分或全部沥青混合料中的矿粉在国内外早有广泛应用，且在使用的过程中取得了良好的效果。水泥加入沥青混合料中能有效改善沥青混合料的水稳定性，主要原因是相比矿粉而言，水泥具有较高活性的碱性组分，比表面积大。橡胶沥青混合料也具有其独特的优良性能，高温低温性能能够得到有效改善，而目前对橡胶粉与水泥同时加入基质沥青中的应用效果研究有限，对它的探索空间较大。

水泥、橡胶改性沥青机理分析

水泥能够改善沥青混合料的水稳定性，是因为水泥具有较高的碱活性，能使酸性集料所带的负电荷减少并降低集料表面的电位，从而减轻水对集料的作用。碱性的水泥能够与带羟酸的沥青发生化学反应，反应物为带有活化剂效果的钙盐。水泥的比表面积较大，这就有利于增大集料和沥青间的分子力，使更多的沥青能够吸附于集料表面，形成网状的凝胶结构，这样既提高了沥青混合料的水稳定性，又提高了沥青混合料的高温稳定性。

橡胶沥青通常是利用废旧轮胎粉掺入沥青中经混合后所形成的混合物，液体沥青中存在大量的低分子油类组分，经物理扩散进入高分子橡胶颗粒架构中，这使得橡胶颗粒会产生程度不一的溶胀，体积会比之前增大一倍左右，所以在橡胶颗粒表面会形成一层凝胶质，使黏附性增加，大量的橡胶颗粒在充分溶胀后，产生的胶凝与黏度高的沥青形成一个黏度很大的连续相体系，不容易流动变形。橡胶沥青因橡胶粉的掺入使结合料的稠度、抵抗高低温性能、弹性恢复能力都大为提升，橡胶沥青的高温稳定性与其软化点和黏度成正相关，橡胶粉的种类、掺量及粒度等是影响橡胶沥青路用性能的重要因素，同样也是影响橡胶沥青高温稳定性的重要因素，将水泥与橡胶粉同时加入基质沥青中，能够改善沥青与酸性集料黏附性的问题，有效防止沥青混合料过早出现水损害，同时也能明显改善沥青混合料的高温性能、低温性能和抗裂性能。

原材料基本参数及试验方案

原材料基本参数

本试验拟采用42.5#水泥、40目废旧轮胎橡胶粉、70#基质沥青，此三种原料的主要技术指标见表1、表2、表3。

表1 水泥主要技术指标

表2 40目橡胶粉主要技术指标

表3 70#基质沥青主要指标

表4 正交试验方案设计

试验方案

该试验采用正交试验来对沥青混合料的性能进行分析，通过分析橡胶粉、水泥、剪切温度、剪切时间等主要影响沥青混合料性能的因素，得出各指标的最佳掺量或最佳时间等，并找出最优组合进而指导施工现场的施工。正交试验方案设计如表4所示。

改性沥青高温性能正交试验

沥青混合料的高温性能是沥青混合料一项非常重要的性质，对此项性质的评价往往通过软化点来进行。在测试9组试验样品后，得到影响软化点值的主要因素（胶粉掺量、剪切温度、水泥掺量、剪切时间）的规律性曲线图（如图1所示）。

图1 软化点和值随因素水平变化规律

从图1可以看出，软化点随着橡胶粉掺量和剪切温度的升高而随之升高，随水泥掺量和剪切时间的增加而降低；软化点和值在230℃左右时，橡胶粉掺量、剪切温度、水泥掺量曲线接近相交，软化点和值在225℃左右时，橡胶粉掺量和剪切时间曲线相交，则可以认为在软化点和值为228℃左右时，所对应的各因素水平为最佳水平；当橡胶粉掺量为15%、剪切温度为175℃～195℃、水泥掺量为3%、剪切时间为40min时，改性沥青的高温性最佳。

表5 调配改性沥青工艺参数

结语

当橡胶粉的掺量为15%、水泥掺量为3%时，改性后的沥青混合料中沥青与花岗岩集料能够很好地结合，且通过浸水试验证明其黏附性能够达到理想效果，高温性能、低温性能等指标也完全能够满足规范要求。经综合考虑，建议采用如表5所示的工艺参数进行调配。