大掺量橡胶沥青混合料的高低温性能

马峰 杨田田 傅珍 赵屹峰 张超

摘要 为充分发挥橡胶粉对沥青的改性优势，研究大掺量橡胶粉对沥青混合料高低温性能的影响。选取油石比为4.5%，橡胶粉掺量为3.5%（占矿料质量比），配制成大掺量橡胶沥青混合料，与SBS/AC-13、SBS/SMA-13、高模量沥青混合料和1.5%橡维联沥青混合料进行对比研究，并提出高温受力活塞模型。试验结果表明：大掺量橡胶沥青混合料高温抗车辙性比SBS/SMA-13、SBS/AC-13好，但不及掺抗车辙剂的高模量沥青混合料;与1.5%橡维联沥青混合料相比，其低温破坏应变高，破坏时未发生脆性断裂，表现出更好的低温柔韧性。大掺量橡胶沥青混合料高温稳定性良好，且没有以降低低温性能为代价。以骨架嵌挤结构和半刚性填充料协同作用的活塞模型，解释了其高温性能良好的原因。

关 键 词 路面工程;大掺量橡胶沥青混合料;高温性能;活塞模型;低温性能

中图分类号 U414.3     文献标志码 A

Abstract In order to give full play to the modification advantages of rubber powder to asphalt， the effect of high volume rubber powder on the high and low temperature performance of asphalt mixture was studied. The oil-stone ratio is 4.5， the rubber powder content is 3.5% （accounting for mineral powder）， and it is formulated into a large amount of rubber asphalt mixture， with SBS/AC-13， SBS/SMA-13， high modulus asphalt mixture and the new type of rubber asphalt mixture is compared and the high temperature piston forced model is proposed. The test results show that the high-temperature anti-rutting performance of high-volume rubber asphalt mixture is better than SBS/SMA-13 and SBS/AC-13， but it is not as high-module asphalt mixture; and rubber and TOR（1.5%） modified asphalt mixture Compared with the mixture， the high-volume rubber asphalt mixture has high low-temperature failure strain and no brittle fracture at the time of failure， showing better low-temperature flexibility. The high-volume rubber asphalt mixture has good high-temperature resistance to rutting， and it does not reduce the low-temperature performance. The stable skeleton intrusion force and the piston model under the synergy of a large number of rubber powders explain the reason for its high temperature performance.

Key words pavement engineering; large amount of rubber asphalt mixture; high temperature performance; piston model; low temperature performance

0 引言

隨着交通运输需求的不断提高，沥青路面从单一的普通沥青混合料发展到多种改性沥青混合料的研究应用，极大改善了沥青路面的使用性能。目前高聚物改性沥青的应用比较广泛，如PE、SBS、EVA、橡胶等改性沥青性能良好，应用较多[1]。废弃物如废旧塑料、植物秸秆、动物粪便等生物质和“白色灾害”的聚苯乙烯泡沫废弃物等改性沥青也受到广泛关注[2-4]。废旧橡胶轮胎用于改性沥青是“垃圾变宝”的重要先例，在1843年英国就取得橡胶沥青专利，1991年美国立法回收废旧轮胎用于路面工程，快速促进了橡胶改性沥青的发展，直到现在废旧橡胶粉改性沥青仍是研究热点[5]。

国内外对橡胶改性沥青混合料研究取得了很多成果，沥青与橡胶有着天然的亲和性，能够改善普通沥青部分性能。Ignacio Artamendi等学者通过0 ℃的三点弯曲试验与单边缺口梁试验研究了橡胶沥青混合料的疲劳性能，发现橡胶粉沥青对混合料疲劳性能有所改善[6]。Rahman， M.M.采用湿法对不同橡胶粉掺量混合料进行了马歇尔试验及流变性能分析，认为橡胶粉可以有效提高混合料抗水损害、低温抗裂性能;0.6 mm的橡胶粉10%的掺量是最优的[7]。肖川采用低温弯曲试验进行低温性能分析，发现橡胶粉改性沥青具有较低的脆点，较大的低温应变[8]。吉泽中研究了SBS和橡胶复合改性沥青，试验结果表明其高低温性和水稳性均较优良[9]。陈丽对胶粉与PE复合改性沥青的配合比设计、路用性能及作用机理进行了试验研究，结果表明胶粉与PE复合改性优于胶粉单一改性沥青混合料[10]。在橡胶粉改性沥青混合料相关研究应用中，橡胶粉掺量一般为混合料质量的0.85%～1.27%;且主要是考虑橡胶粉或橡胶粉复合改性剂对沥青溶胀发育等物化改性作用，所以掺入废旧轮胎橡胶粉比例也相对较少[11-13];为了废旧橡胶粉的大量应用，考虑将部分橡胶粉用于改性沥青，部分充当弹性细集料，从而提高废弃橡胶粉掺量。目前关于此思路的大掺量橡胶改性沥青混合料试验研究甚少。

因此，本文选取SBS、抗车辙剂和橡维联等改性沥青混合料，采用车辙试验、低温小梁弯曲等试验，与大掺量沥青混合料进行高低温性能对比研究，分析混合料中沥青胶结料、骨架结构和细集料等因素对大掺量沥青混合料高低温性能的影响，并提出高温受力活塞模型解释其抗车辙作用原理，为大掺量橡胶沥青混合料的研究应用奠定基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥青与集料

试验采用韩国SK70#重交通道路石油沥青，其技术指标见表1。所用粗细集料均为石灰岩，集料的最大公称粒径为13.2 mm，矿粉为细度（0.075 mm筛孔通过率）大于90%的石灰岩，各项指标均满足技术规范要求。

1.1.2 橡胶粉

采用北京天成垦特莱科技有限公司生产的40目橡胶粉，性能试验按照《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》进行，具体物理和化学技术指标见表2。

1.1.3 橡维联

图1所示为橡维联材料和连接剂，橡维联材料是用橡胶粉和维他（TOR）连接剂等主要成分组成，维他连接剂可以促成橡胶粉颗粒和沥青中的硫元素发生交联，促进橡胶颗粒和沥青之间的粘结，提高橡胶改性效果[14]。

1.2 试验方法

采用干法制备大掺量橡胶沥青混合料。橡胶粉掺量占矿料质量的3.5%（占混合料质量的3.24%），油石比为4.5%。用体积代换法，既橡胶粉替代同级配、同体积的细集料，使替换前后集料的比表面积和体积基本保持一样。通过车辙试验比较大掺量橡胶粉沥青混合料与SBS/AC-13、SBS/SMA-13和掺高模量抗车辙剂沥青混合料的高温性能，研究大掺量橡胶粉沥青混合料的骨架结构、胶结料和模量对其高温性能的作用。

通过低温小梁弯曲试验比较大掺量橡胶粉沥青混合料与1.5%橡维联沥青混合料的低温性能，研究影响大掺量橡胶沥青混合料低温性能。

车辙试验、低温小梁弯曲试验等依照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相关试验规程进行。

2 结果及分析

2.1 高温性能分析

表3所示为试验所选的4种不同类型沥青混合料的矿料级配。 图2所示为试验所选的4种不同类型沥青混合料的矿料级配曲线。

从表3和图2可以看出，AC-13和高模量沥青混合料矿料级配相似，细集料较多。大掺量橡胶沥青混合料和SMA-13矿料级配相似，骨架基本相同。

SBS改性沥青抗车辙性能好，AC-13和SMA-13沥青混合料采用SBS改性沥青。掺抗

车辙剂形成高模量沥青混合料，可有效改善混合料高温性能。大掺量橡胶沥青混合料采用未

改性的普通石油沥青。通过车辙试验比较它们的动稳定度和相对变形指标，验证大掺量橡胶沥青混合料高温性能的影响因素。

从图3可以看出SBS/SMA-13的动稳定度大于SBS/AC-13，相对变形小于SBS/AC-13，说明SBS/SMA-13混合料抗车辙能力比SBS/AC-13要好，SMA-13中矿料骨架结构发挥了重要作用。SBS/SMA-13和大掺量橡胶沥青混合料骨架结构基本相同，SBS的粘度高于普通沥青，然而大掺量橡胶沥青混合料动稳定度和相对变形比SBS/SMA-13高很多。显然，大掺量橡胶沥青混合料具有良好的高温性能，但仅以良好的嵌挤骨架结构和胶结料的黏滞性不能充分说明其作用效果。

通过图3也可以看出，大掺量橡胶改性沥青混合料动稳定度低于掺3‰抗车辙剂和5‰抗车辙剂的高模量沥青混合料，这说明了提高模量能够改善混合料的抗车辙能力。从混合料相对变形比较可以看出，大掺量橡胶沥青混合料要好于3‰抗车辙剂沥青混合料，但不及5‰抗車辙剂橡胶沥青混合料;提高混合料的模量可使混合料的相对变形降低，但混合料的模量的大幅提高对低温性能不利[15-16]。如果沥青路面对高低温性能都有较高要求，仅提高沥青混合料模量的作法是不可取的。

2.2 高温受力活塞模型

通过2.1节分析，大掺量橡胶混合料高温性能除了与良好的嵌挤骨架，以及橡胶粉改善沥青粘度有关外，还有其他因素[17]。根据橡胶粉充当柔性细集料起填充作用的特点，提出高温受力活塞模型，解释大掺量橡胶沥青混合料良好的高温性能。

大掺量橡胶沥青混合料和SBS/SMA-13比较，说明其良好的高温性能与填充料有关，可以认为正是较高掺量的橡胶粉材料以柔性集料形式发挥作用。沥青混合料中各种不同粒径和品种的粗细集料、矿粉等所表现的颗粒特征对混合料性能至关重要，在温度较高，沥青结合料粘度较低时，颗粒特性作用更加明显[18]。

本文提出的活塞模型是由缸壁、缸盖和缸内做功的材料组成，是由粗集料形成骨架，骨架空隙中填充半刚性材料所形成的体系（橡胶粉和细集料混合后相当于半刚性填充料），如图4所示。

在大掺量橡胶沥青混合料中，稳定的骨架矿料相当于活塞模型的缸盖和缸壁，半刚性填充料则相当于活塞模型中的做功材料。在混合料中，一个小小的活塞单元是由几个起骨架作用的粗集料构成封闭空间，封闭的空间填充半刚性填充料。无数小活塞叠加就构成了大活塞模型。路面主要承受瞬间反复荷载作用，当行车荷载作用到大掺量橡胶沥青混合料路面上时，缸盖向下移动压缩做功材料（半刚性填充料），这是活塞模型工作的压缩阶段;当瞬间荷载移走后活塞模型进入反弹阶段，被压缩的半刚性填充料对缸盖有弹性压力，半刚性填充料欲恢复到原来的状态释放弹性压力，则会推动缸盖向上移动回到原位，从而完成一个周期单元的活塞运动。

在大掺量橡胶沥青混合料中，混合料中稳定的骨架嵌挤结构则是活塞模型工作的前提条件;拥有了大量橡胶粉的半刚性填充料因富有弹性而具有做功材料的性质，是活塞模型工作的核心部分;骨架嵌挤力和半刚性填充料弹性压力协同作用的活塞模型，能够很好地解释大掺量橡胶沥青混合料优良高温稳定性的缘由。

2.3 低温性能分析

沥青路面的温缩裂缝，与沥青胶结料和沥青混合料的低温抗裂性能直接相关。橡胶粉是一种良好的弹性材料，橡胶改性沥青弹性恢复能力的提高可以减小荷载作用的残余变形，减少路面破坏[19]。表4所示为大掺量橡胶沥青混合料和掺1.5%橡维联沥青混合料的低温性能比较。

由表4可以得到大掺量橡胶沥青混合料的橡胶粉掺量大约是1.5%橡维联沥青混合料的2倍，但是前者的破坏应变比后者高出69.3%，前者劲度模量只有后者的28.9%。沥青混合料的劲度模量小，其低温性能也相对较好。

研究表明，一定量的橡维联对混合料的低温改性效果好于两倍量的橡胶粉[20]。假设大掺量橡胶沥青混合料的低温性能只与改性沥青有关，橡维联（1.5%）的混合料的低温性能应该优于大掺量橡胶沥青混合料的低温性能，但是图4表明大掺量橡胶沥青的低温抗破坏能力优于1.5%橡维联沥青混合料，所以其低温性能不仅仅与改性沥青有关。

从图5可以看出，在低温条件下，1.5%橡维联混合料小梁破坏属于脆性破坏，而大掺量橡胶沥青混合料小梁则表现出较柔韧的状态。与传统石质矿料级配混合料比较，大量橡胶粉的加入，使得混合料产生了明显改变。橡胶粉具有弹性，混合料产生温缩变形时，橡胶粉可以与沥青结合料一起通过自身变形抵抗混合料的收缩变形，减少或者缓和混合料的低温开裂，而岩石矿料则不会产生以上作用。大量橡胶粉充当了部分矿料，大幅度改变了传统级配矿料的特征，所以对含有大量橡胶粉柔性级配材料是值得研究的。

总之，大掺量橡胶沥青混合料表现出良好的低温抗裂性，不仅因为混合料中橡胶粉改性沥青的作用，而且大量富有弹性的橡胶粉充当柔性集料也起到了降低沥青混合料低温状态下的劲度模量和抵抗变形的作用。

3 结语

本文对干法制备下的大掺量橡胶沥青混合料的高低温性能进行了研究，得出以下结论。

1）大掺量橡胶沥青混合料高温稳定性要低于掺抗车辙剂的高模量改性沥青，也验证了提高模量有助于改善高温性能，但模量过高对低温性能不利。大掺量橡胶沥青混合料采用普通沥青，矿料级配与SBS/SMA-13相似，但抗车辙能力更好。说明不仅仅是粗集料骨架和沥青粘滞性发挥效果，橡胶粉充当柔性细集料起到关键作用。

2）大掺量橡胶沥青混合料与1.5%橡维联沥青混合料进行低温性能比较，前者弯拉破坏应变是后者的1倍多，且前者弯拉破坏时没有发生脆性断裂，表现出良好的低温柔韧性。大量橡胶粉掺入降低了混合料的低温劲度模量，提高了其低温抗裂性能。

3）稳定骨架嵌挤力以及大量橡胶粉与细集料形成的半刚性填充料协同作用构成活塞模型，解释了大掺量橡胶沥青混合料具有良好的高温稳定性。橡胶粉充当部分矿料的沥青混合料值得进一步深入研究。

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[责任编辑 杨 屹]