大掺量胶粉改性沥青胶砂高低温性能研究

王国清，宋书康，秦禄生，王庆凯，王新强

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.河北省交通投资集团,河北 石家庄 050090；3.河北省交通规划设计院试验检测室，河北 石家庄 050090)

0 引 言

沥青混合料内部组成结构极复杂，主要由骨料、沥青、矿粉及空隙构成。基于胶浆理论，将粗骨料作为分散相充填进沥青胶砂分散介质中的粗分散系称为沥青混合料；将细骨料作为分散相充填进沥青胶浆分散介质中的细分散系称为沥青胶砂；将矿粉作为分散相充填进胶结料分散介质中的微分散系称为沥青胶浆。沥青胶砂是联结沥青胶浆和沥青混合料的桥梁，通过研究沥青胶砂的高低温性能，可从根本上为分析沥青混合料的高低温性能奠定基础。传统胶粉掺量在大于30%时定义为大掺量胶粉改性沥青，大掺量胶粉改性沥青比普通沥青甚至SBS改性沥青拥有更良好的技术性能。胶粉改性沥青的广泛应用可以节省资源，合理利用固废材料，减少环境污染，降低废旧橡胶带来的危害，增强路面的使用性能[1]大多数胶粉改性沥青混合料实验路具有良好的路用性能，相比于普通沥青路面，橡胶粉改性沥青混合料增加了路面的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性[2，3]。低胶粉掺量橡胶沥青高温性能、低温性能和疲劳性能，相比20%和30%胶粉掺量沥青混合料有一定降低，但依旧优于普通沥青混合料[4]。胶粉颗粒作为一种高弹性材料，通过等体积法加入沥青混合料后，在正弦波形荷载作用下，橡胶改性沥青混合料的弹性变形恢复比普通沥青混合料更快，整体柔性程度增加。过往车辆轮胎荷载作用在胶粉沥青路面上时，由于路面应变滞后效应变弱，弹性变形恢复速度加快，且路面柔度加大轮胎与路面间接触面积增大，路面摩擦力随之增大，路面的抗滑性能随之提高[5]。但在大掺量胶粉改性沥青混合料铺筑过程中出现了搅拌困难，味道难闻等问题[6]。

笔者以细集料(0～2.36 mm)为分散相，以分散在由矿粉与3种不同沥青(SBS改性沥青，20%胶改沥青和30%胶改沥青沥青)组成沥青胶浆介质中的细分散系[7]为研究对象，针对3种不同改性沥青胶砂的高低温性能展开研究，通过对锥入度试验在50、60、70、80 ℃下，测得的锥入度值和抗剪强度在-10 ℃时小梁弯曲试验的抗弯强度和弯拉应变进行分析，验证锥入度试验评价沥青胶砂高温性能的可行性，并用三点弯曲试验验证沥青胶砂低温性能的可行性，研究大掺量胶粉改性沥青胶砂的高低温性能指标，分析胶粉掺量对沥青胶砂高低温性能的影响。

1 原材料

笔者选用30%橡胶改性沥青(认定为大掺量)，20%橡胶改性沥青，SBS改性沥青，主要技术指标满足JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》如表1。

表1 沥青技术指标

试验采取的机制砂为玄武岩，检验机制砂的技术性质根据JTJE42—2005《公路工程集料试验规程》和JTJ052—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测量骨料的压碎值、含泥量、砂当量和表观密度，结果如表2、表3。

表2 矿粉技术指标

表3 细集料技术指标

沥青胶砂的配合比设计是沥青混合料的重要部分。胶砂中细集料分界线在笔者试验中为2.36 mm，细集料的范围为0.075～2.36 mm，美国学者FULLER提出的最大密度曲线是一种理想的级配曲线[8]，各国研究者在此基础上进一步延伸和发展，提出了常用的n法，且认为n=0.45时沥青混合料可达到最大密实度。当n=0.45时，0.075 mm筛孔通过质量百分率为8%。将沥青混合料中2.36 mm以上的粗集料去除后，计算得0.075 mm筛孔通过质量百分率为32%，从而确定各粒径的筛孔通过质量百分率，如表4。

表4 细集料级配范围

2 锥入度试验

沥青胶砂高温时呈现黏稠、流动状态,无法进行车辙试验，近年国内外采用DSR对沥青胶浆的高温性质进行测试,研究不同胶粉掺量沥青胶浆高温稳定性和抗剪强度。但胶砂不同于胶浆，胶砂最大的粒径2.36 mm不能采用动态剪切流变仪试验。笔者采用锥入度试验研究胶砂高温性能，锥入度试验测得的锥入度值能反应出沥青胶砂的高温性能，经过公式计算出抗剪强度,可以把差值较小的锥入度值扩大成差值较大的抗剪强度值,明显反应不同胶砂的高温性能差别[9]。

2.1 锥入度试验

借鉴现有研究成果[10]，试验仪器采用针入度仪,将针入度的长针用锥体代替, 锥体采用不锈钢加工而成，如图1。锥角(30±1)°,锥高30 mm,锥、滑杆和砝码总重133 g，盛样皿与针入度试验相同。把3种不同改性沥青的试件分别在50、60、70、80 ℃的恒温水浴中养护3小时以上再进行锥入度试验，锥入时间为5 s。

2.2 试验结果与分析

笔者对3种不同改性沥青试件在4种不同温度下进行的锥入度试验，每个温度都进行3次平行试验，锥入度值试验结果如表5。

表5 锥入度试验数据

从表5中可以明显看出，随着温度升高，3种改性沥青锥入度值逐渐增大，在50和60 ℃时，30%大掺量胶改沥青胶砂锥入度值低于另外2种，20%胶改沥青胶砂和SBS改性沥青胶砂锥入度值相近。70 ℃时，30%胶改沥青胶砂锥入度值最小，高温性能最好，其次是20%胶改沥青胶砂，最差的是SBS改性沥青胶砂。随着温度升高，大掺量胶粉改性沥青胶砂的变化趋势较小，说明大掺量胶改沥青胶砂对温度的敏感性不强，可以改善沥青路面在高温时因温度变化产生的变形。

与锥入度值相比,抗剪强度更能反映沥青胶砂随温度变化的趋势和不同改性沥青胶砂之间的性能差异，沥青胶砂的抗剪强度如式(1)：

(1)

式中:τ为抗剪强度，kPa;Q为贯入质量(锥针、连杆、砝码及调重钢球总质量),g;h为锥入度，0.1 mm;α为锥针针尖角度，取30°。

通过计算抗剪强度如表6。

表6 抗剪强度数据

从表6中看出，3种沥青胶砂试件抗剪强度都随着温度升高而降低。对每种沥青胶砂试件，表5中60 ℃时锥入度比50 ℃的锥入度值相差甚小，只有几毫米，在抗剪强度中就可以看出其差距明显。锥入度试验得到的抗剪强度能反映出不同沥青胶砂试件的高温性能差距。在50、60、70 ℃时30%胶改沥青胶砂抗剪强度是SBS改性沥青胶砂的1.4、1.5、3.2倍，说明随着温度的升高，30%胶改沥青胶砂有更好的高温性能；在50、60、70 ℃时30%胶改沥青胶砂抗剪强度是20%胶改沥青胶砂的1.5、1.5、1.2倍，说明随着胶粉掺量的增加，可以提高沥青胶砂的高温性能。通过锥入度试验可以很好的评价沥青胶砂的高温性能及变化规律，且试验方法简单易操作。

3 低温弯曲试验

冬季低温引起开裂会直接影响沥青路面使用品质和寿命，沥青混合料的抗开裂性能不仅取决于沥青的性能,也取决于混合料的级配情况，细集料决定沥青混合料的部分低温性能，对沥青胶砂的低温性能研究尤为重要。通过低温弯曲试验得到抗弯拉强度和破坏最大弯拉应变，可有效评价沥青胶砂低温性能[11-12]。

3.1 低温弯曲试验

笔者按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关沥青混合料弯曲试验规程进行3种不同沥青胶砂低温弯曲试验，将试验温度控制在-10 ℃。

3.2 试验结果与分析

在试验过程中，当SBS改性沥青胶砂达到破坏状态时，会发生脆响，随后试件断裂。30%胶改沥青胶砂破坏时，响声不脆，试件缓慢开裂，主要是因为胶粉改性沥青在低温下呈柔性，具有较强的抗弯拉强度，能有效地抵抗温度应变，减少温缩裂缝的产生。3种不同沥青胶砂的试验过程图2。

通过图2可知，3种沥青胶砂破坏荷载相近，30%胶改沥青胶砂试件的破坏荷载最大，抵抗变形能力最强，其破坏曲线为缓和曲线。20%胶改沥青胶砂和SBS改性沥青胶砂破坏曲线为折线，间接反映出30%胶改沥青胶砂的柔性最好，通过式(2)～(4)对3种试件的抗弯强度，弯拉应变和劲度模量进行计算，结果如表7。

表7 低温弯曲试验结果

(2)

(3)

(4)

式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变，με；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa；b，h为跨中断面试件的宽度和高度，mm；L为试件的跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件破坏时的跨中挠度，mm。

抗弯强度和破坏最大弯拉应变可以用来表征沥青胶砂试件低温抗裂性能。从表7可知，30%胶改沥青胶砂的最大弯拉应变是SBS改性沥青胶砂的1.8倍，表明30%胶改沥青胶砂的低温性能优于SBS改性沥青胶砂，30%胶改沥青胶砂的最大弯拉应变是20%胶改沥青胶砂的2.2倍。随着胶粉的增加，可以有效的改善沥青胶砂的低温抗裂性能，抗弯强度亦可得到此结论。

4 结 论

笔者基于胶浆理论，通过对3种不同改性沥青胶砂进行了高低温试验，得到以下结论：

1)随着温度的升高，沥青胶砂的抗剪强度降低，高温性能变弱，锥入度试验可以用来评价沥青胶砂的高温性能，该试验操作简单，试验数据直观，30%胶粉改性沥青胶砂的高温性能要优于SBS改性沥青胶砂，增加胶粉掺量，可以增强大掺量沥青胶砂的高温性能。

2)抗弯强度和最大弯拉应变可以用来表征沥青胶砂的低温抗裂性能，30%胶改沥青胶砂的抗弯强度和弯拉应变都大于SBS改性沥青胶砂，说明30%胶粉改性沥青胶砂的低温性能优于SBS改性沥青胶砂的，并且随着胶粉掺量的增加，可以改善沥青胶砂的低温抗裂性能。

3)30%胶改沥青胶砂对温度的敏感性不强，可以改善沥青路面在高低温时因温度变化带来的变形。