粗橡胶粉SBS改性沥青透水混合料抗水损害性能

肖飞鹏 ，宗启迪 ，王金刚 ，陈 军 ，刘 继

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.中铁四局集团市政工程有限公司，安徽 合肥 230022）

随着公路交通的快速发展，对路面使用性能的要求越来越高.与此同时，受路面交通载荷及路域气候环境的影响，沥青路面极易发生各种病害.其中，动水冲刷以及融冻循环作用是加速沥青混凝土路面水损坏的主要因素.对于排水沥青混合料，混合料内部孔隙被残余水分充满时，会产生渗透与膨胀压力，使得混合料孔隙逐步扩大.另外，集料的亲水性使水能从薄沥青膜处渗透到集料表面，沥青从矿料表面剥离，导致路面松散[1].

水稳定性好的沥青混合料具有良好的抗水损害能力.Pan 等[2-3]指出沥青混合料的水稳定性与沥青的种类、集料级配类型、试验方法、添加剂等有关系.同时，改性沥青混合料的水稳定性优于普通沥青混合料.此外各类添加物被用来改善混合料的水稳定性，Yuan 等[4]发现添加0.3%木质素纤维可有效改善沥青混合料的水稳定性.另有研究表明，水泥、抗剥落剂、消石灰可以有效地改善集料与沥青之间的黏附性，进而提高沥青混合料的水稳定性，并且消石灰的改善效果更明显[5-7].此外，混合料矿料级配的不同也是影响沥青混合料水稳定性的重要因素.Pan等[2]还指出悬浮密实沥青混凝土（asphalt concrete，AC）类和沥青稳定基层（asphalt treated base，ATB）类混合料的水稳定性差异较大.Huang 等[8]总结了水稳定性较好的AC13 级配范围.研究人员根据饱水含水率的不同还对AC 类和开级配磨耗层（opengraded fiction course，OGFC）类沥青混合料的水稳定性进行了比较，发现当AC 混合料中饱水为50%时水稳定性最差，OGFC 混合料中饱水为75%时水稳定性最差[9-10].沥青混合料的水稳定性采用混合料的抗水损害性能指标来评价，常用的试验方法有浸水马歇尔试验、浸水劈裂试验和冻融劈裂试验等[6,11].虽然浸水马歇尔与浸水劈裂试验操作更简单，但是不能很好模拟路面水损坏过程，而冻融劈裂试验包括真空饱水、冻融和高温水浴3 个过程，将实际路面上受到水的影响集中、强化，因此能直观反应沥青混凝土实际工作环境[12].

透水沥青混合料（permeable asphalt concrete，PAC）由于其孔隙率大，所以更易发生水损害.现有研究对于透水混凝土类混合料的水稳定研究较少，主要集中在应用较多的AC 类与沥青玛蹄脂（stone mastic asphalt，SMA）类沥青混合料，并且对于粗橡胶粉SBS（styrene-butadiene-styrene block copolymer）复合改性沥青应用于透水混合料及透水混凝土级配对透水沥青混合料水稳定性能影响的研究也较少.本文采用粗橡胶粉SBS 复合高黏高弹改性沥青作为透水沥青混凝土胶结料，研究SBS 和粗橡胶粉掺量、最大公称粒径（nominal maximum particle size，NMPS）、各筛孔通过率、沥青用量与消石灰掺量对透水混合料水稳定性的影响，通过灰关联度分析方法，确定透水混合料水稳定性的主要影响因素，并揭示粗橡胶粉SBS 复合改性沥青透水混合料的抗水损机理，最后优化出最佳粗橡胶粉、SBS 复合比例与混合料关键筛孔尺寸，为实际工程应用提供理论指导.

1 原材料及实验设计

1.1 原材料性能

本文采用京博70 号基质沥青（性能等级 PG64-22），针入度为73.1（0.1 mm），软化点为49.0 ℃，180 ℃旋转黏度为0.075 Pa·s，密度为1.035 g/cm3.粗橡胶粉采用20 目橡胶粉，含水率为0.22%.SBS 采用巴陵石化生产的YH791，为线型结构，苯乙烯-丁二烯嵌段比为30/70，分子量10～12 万.本试验所用集料为轧制碎石，其中0～3 mm 档位为石灰岩，其他集料为玄武岩.混合料级配规格选用最大公称粒径分别为20、16、13 mm 和10 mm 的PAC20、PAC16、PAC13和PAC10.

1.2 试验设计

在SBS 改性沥青生产过程中，如果对SBS 处理不好，SBS 微粒溶胀分散不充分，则难以形成连续三维网络结构，而只起填充相增大体积作用，沥青的弹性就不明显，甚至不能实现对沥青的改性，所以对于SBS 改性沥青的制备需要高速剪切机进行高速剪切分散[13].然而粗橡胶粉本身具有良好的弹性性能，它的掺入也可大幅提高沥青的黏度，为了使复合改性沥青具有足够的弹性和高黏度，需要尽量保留粗橡胶粉的颗粒形态，不需要进行高速剪切分散，因此对粗橡胶粉复合改性沥青的制备采用机械搅拌的方式进行.粗橡胶粉SBS 复合改性沥青具体制备工艺如下：

步骤1将基质沥青加热至170 ℃并保持恒温；

步骤2采用搅拌器搅拌，缓慢加入SBS 改性剂，温度为170 ℃，以800 r/min 搅拌60 min；

步骤3采用高速剪切机剪切，剪切速率为3 000 r/min，温度控制在180 ℃，剪切时间不少于60 min，恒温发育时间不少于6 h；

步骤4采用搅拌器搅拌，分批缓慢加入粗橡胶粉，搅拌速率1 200 r/min，180 ℃下搅拌溶胀60 min.

本文采用冻融劈裂试验来研究粗橡胶粉SBS复合改性沥青透水混合料的水稳定性.透水沥青混合料的性能取决于其组成材料及混合料内部结构.粗橡胶粉SBS 复合改性沥青胶结料性能主要取决于SBS 掺量、粗橡胶粉掺量以及沥青用量3 个因素.矿料方面，影响粗橡胶粉SBS 复合改性沥青透水混合料性能的因素包括混合料级配、最大公称粒径与消石灰掺量.本研究采用了4 种SBS 用量（2.0%、3.0%、4.0%、6.0%）、4 种粗橡胶粉用量（5%、10%、15%、20%）、4 种沥青用量（5.0%、6.0%、5.5%、6.5%）进行冻融劈裂强度试验.其中，SBS 和胶粉质量分数以基质沥青质量为基准，沥青用量以透水沥青混合料总质量为基准.级配方面，采用4 种混合料级配规格，每种级配规格由粗到细选取不同级配组成（依次标为 #1～#5），此外，考虑3 种消石灰掺量（0、1%、2%）进行试验.具体级配如表1 所示.

表1 不同透水沥青混合料级配各筛孔通过率Tab.1 Gradations of PAC with various nominal maximum particle sizes %

以冻融前对照劈裂强度、冻融后劈裂强度和冻融劈裂强度比（tensile strength ratio，TSR）作为3 个评价指标，每批冻融组和未冻融组试件个数均为4 个，然后进行参数的优化分析，以得到最佳混合料材料参数.

2 结果与分析

2.1 SBS 掺量影响

本文首先研究了不同SBS 掺量对4 种级配规格透水沥青混凝土抗冻融性能的影响.图1 为当粗胶粉掺量为15%时，每种级配规格排水沥青混合料在不同SBS 掺量下的劈裂强度和TSR，图中横坐标百分数为SBS 掺量，如“PAC20，2%”表示2% SBS掺量、级配规格为PAC20 的透水沥青混合料.

图1 SBS 掺量对冻融劈裂性能的影响Fig.1 Effect of SBS contents on freeze-thaw splitting performance

由图1 可知：随着SBS 掺量从2%增加到3%，混合料的TSR 基本持平或者略微降低.这说明，SBS掺量较小时，SBS 对混合料劈裂强度和水稳定性的改善效果不明显.主要原因在于SBS 分子之间大面积相互接触的机会较少，只能在表面张力的作用下形成微团，均匀分散在沥青中，未能形成微观三维交联网络结构，对沥青胶结料的抗拉强度的改善有限.当SBS 掺量从3%增加到4%，除PAC20 外其余3 种级配规格透水沥青混合料的TSR 均有较大幅度上升，这说明此阶段SBS 掺量的增加能有效改善透水沥青混合料的抗冻胀能力.这是因为SBS 微粒大面积相互接触机会增多，SBS 分子之间通过聚苯乙烯微区的物理交联作用形成较为松弛的网络结构存在于沥青基体中，通过增加沥青胶结料体系的内聚力进而提升沥青混合料的抗冻胀能力.当SBS含量达到6%时，PAC10 的混合料的劈裂强度及TSR均大幅增加.此时沥青基体中SBS 分子形成了更加丰富的三维交联网络结构，和沥青基体互相贯穿，并包裹粗橡胶粉颗粒，使SBS、粗橡胶粉微粒以及沥青基体形成三相互锁包裹结构，复配改性沥青不易发生高温流动或低温脆化，明显地提升了胶结料的内聚力和抗冻胀能力.

综上所述，掺加一定量的SBS 能提高粗橡胶粉透水沥青混合料的水稳定性，当SBS 掺量达到5%时，SBS 在沥青基体中形成连续的三维交联网络结构，继续增加SBS 掺量对透水沥青混合料的水稳定性的改善效果有限，同时考虑到经济成本因素，本文推荐SBS 最佳掺量为6%.

2.2 粗橡胶粉掺量影响

在混合料级配规格及级配、SBS 掺量及消石灰掺量相同的情况下，粗橡胶粉掺量对透水沥青混合料的抗冻融性能有一定的影响.前期研究结果表明，透水沥青混合料级配规格越小，其透水沥青混合料的劈裂强度越低，因此本文针对PAC10 的抗冻融性能进行研究.图2 展示了SBS 掺量为6%、消石灰掺量为2%时，粗橡胶粉掺量（5%～20%）对PAC10 的冻融劈裂强度及TSR 的影响.

由图2 可知：随着橡胶粉掺量增加，混合料的冻融劈裂强度有所提升，TSR 提升明显，但是未冻融试件的劈裂强度会呈现下降的趋势.当橡胶粉掺量从5%增加到10%，PAC10 的TSR 大幅度提升，未冻融试件的劈裂强度有所下降，但冻融劈裂强度提升明显.粗橡胶粉吸收沥青中轻质组分并溶胀，从而限制沥青分子的运动，增加沥青的黏滞阻力，进而增加沥青的黏度，但是同时也使得沥青质相对含量提高，导致混合料低温抗拉性能变差，所以未冻融试件的劈裂强度下降，但是其冻融后试件的劈裂强度降低较少，从而使得TSR 提升[14].当粗橡胶粉掺量继续增大到20%，混合料TSR 继续增加，但是增速变缓.原因在于粗橡胶粉掺量过多时，使得多余粗橡胶粉微粒不能很好地被SBS 三维网络包裹，并且由于粗橡胶粉吸收了更多轻质组分，沥青变硬变脆，从而影响沥青的黏结性能，使得冻融前试件的劈裂强度降低.冻融后的试件劈裂强度随着粗胶粉掺量的增加也有所降低，但是降幅较小，导致TSR 值随着粗胶粉掺量的增加而提高.说明粗胶粉的加入可以有效提升排水沥青混合料的抗水损害性能.

图2 粗橡胶粉掺量对PAC10 冻融劈裂性能的影响Fig.2 Effect of coarse crumb rubber content on freeze-thaw splitting performance

综上，粗橡胶粉的掺入会使透水性沥青混合料的劈裂抗拉强度降低，但是会提高透水沥青混合料的TSR 值，胶橡粉掺量存在一个最佳范围，针对大孔隙透水PAC 混合料，其最佳用量应在10%左右.

2.3 最大公称粒径的影响

表2 列出了不同级配规格排水沥青混合料的性能测试参数.4 种规格透水沥青混合料的SBS 和粗橡胶粉掺量分别为3%和15%，PAC20 和PAC16的沥青用量均为6.0%，PAC13 和PAC10 的沥青用量则为5.5%.表中：MS 为马歇尔稳定度（Marshall stability）；γf为毛体积相对密度；γt为最大理论相对密度.由表2 可知：集料的最大公称粒径越大，混合料的TSR 与劈裂强度越大；随着最大公称粒径的减小，透水沥青混合料的TSR、劈裂强度、MS、γf及γt都逐渐降低.

表2 不同级配规格透水沥青混合料的性能试验结果Tab.2 Performance test results for different types of PAC

图3（a）展示了在理想沥青混合料劈裂试验中，试件在端部施加压力后应力在xy平面上沿y轴方向上的分布情况.在试件顶端部位从上到下为逐步递减的压应力，达到一定的深度，y轴上的压力由压应力转变为拉应力，且在试件中间部位均匀分布.图3（b）展示了沥青混合料试件在端部受压后的开裂情况，在端部形成以一个楔形的受压区域，在试件中 间部位产生裂纹.

图3 劈裂试验试件应力分布及开裂示意Fig.3 Stress distribution and cracking in splitting test

研究表明：骨料粒径越大，其尺寸效应越明显，所以试样的受压面积越大，楔体的破坏面积越大.同时混合料粒径越大，粗骨料比例越高，越容易形成粗骨料嵌挤结构，且剪切破坏面抗变形阻力较大，粗骨料间抗剪切强度也越大[15].对于大粒径透水混合料，其劈裂强度由端部压缩剪切和内部拉力共同提供，而小粒径透水混合料，由于端部受压区较小，剪切面抗剪强度低，劈裂强度主要由抗拉强度决定.同时，大粒径透水混合料抗压强度高，延缓了边缘压碎的进程，提高抗劈裂的能力.虽然小粒径透水沥青混合料的沥青膜厚度较大粒径透水沥青混合料的要大，试件内部受拉区域的抗拉强度要高，但是综合来看，大粒径混合料的TSR 与劈裂强度均大于小粒径混合料.透水沥青混合料的劈裂强度和劈裂强度比受混合料最大公称粒径的影响比较大.这与理想劈裂试验模型基本假设不一致，因此传统冻融劈裂实验并不适用于大公称粒径混合料，针对大粒径混合料的水稳定性应设计进一步的试验验证.

2.4 消石灰掺量影响

在前期冻融劈裂研究中，对破坏之后的马歇尔试件断裂面进行了观察，发现马歇尔试样中存在较大的有色集料裸露区域，如图4 所示.图4 表明试件破坏大多位于有色集料和沥青界面，说明有色集料和沥青之间的黏附性比较差，影响了马歇尔试件的劈裂强度和TSR.

图4 不同级配规格混合料的冻融劈裂剖面Fig.4 Freeze-thaw splitting fractural surfaces of mixtures with different NMPS

本文选择对TSR 与劈裂强度较低的PAC13 和PAC10 混合料作为研究对象，分析不同消石灰掺量对集料和胶结料界面黏附性的改善效果.

图5 展示了不同消石灰掺量对PAC13 和PAC10混合料试件的冻融劈裂强度和TSR 的影响.其中，横坐标标值依次分别表示级配规格、SBS 掺量、粗橡胶粉掺量及消石灰掺量，如：“PAC13，4%，15%，2%”表示SBS、粗橡胶粉、消石灰掺量分别为4%、15%、2%的PAC13 透水沥青混合料.

由图5 看出：在橡胶粉与SBS 掺量固定的情况下，将部分矿粉替代为消石灰后，掺加消石灰能有效地提高沥青的劈裂强度及TSR.PAC10 与PAC13掺加2%消石灰后，混合料的TSR 值均较大幅度提高.然而，PAC13 未冻融试件劈裂强度略微降低，PAC10 试件则有所提升，两种级配规格的混合料试件冻融劈裂强度均提升，这说明添加消石灰对冻融后试件的抗水损害能力提升更明显，进而提高透水沥青混合料的TSR 值.此外，在不掺加消石灰的情况下，8% SBS 改性沥青可有效改善透水沥青混合料的抗水损害性能，TSR 值超过87%.在消石灰掺加为1%时，PAC13 与PAC10 沥青混合料冻融前后的劈裂强度均有大幅度提升，而当掺加2%消石灰后，劈裂强度优于不掺加消石灰时，但是提升有限.

图5 不同消石灰掺量对冻融劈裂强度的影响Fig.5 Influence of slaked lime contents on freeze-thaw splitting strengths

分析可知，由于消石灰的比表面积为700 m2/kg，而石灰岩矿粉的比表面积仅有300 m2/kg，所以较大的比表面积使沥青与细分填料间的接触面增大，提高了沥青胶浆的内聚力，进而提高透水沥青混合料的劈裂强度.同时，碱活性的消石灰能和沥青中的有机酸反应生成强吸附性的钙盐，并且能活化集料表面，降低集料表面的负电荷与表面能，减小与氢键亲和性，从而使集料表面不易被水所浸润，提高了集料与沥青间抵抗水剥离的能力[16].

综上所述，在大孔隙透水沥青混合料中用消石灰取代矿粉，可以有效提高沥青胶浆的内聚力，有利于提高混合料的水稳定性.

2.5 级配的影响

本文针对PAC10 和PAC13 分别选取5 种级配，对PAC16 和PAC20 分别选取4 种级配来研究混合料级配对混合料抗水损害性能的影响，具体级配参数参见表1.所有混合料均采用6%SBS，10%粗橡胶粉复合改性沥青，并测定排水沥青混合料的未冻融劈裂强度、冻融劈裂强度及TSR.以各筛孔通过率的变化来代表级配的变化，采用灰关联度分析法（grey relational analysis，GRA）研究各筛孔通过率的变化对劈裂强度与TSR 的影响.灰关联值越高，代表比较对象和参考对象之间关联程度越高[17].

本文分别对透水沥青混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度、TSR 值关于各筛孔通过率变化进行灰色关联度统计分析，研究筛孔通过率与劈裂强度、TSR关联的紧密程度（R值），具体结果如图6 所示.

图6 各筛孔通过率与劈裂强度、TSR 灰色关联度结果Fig.6 Gray correlations between passing percentages of each sieve size，splitting strength and TSR

对于PAC10，除4.750 mm 筛孔外，其余各筛孔通过率与未冻融的劈裂强度关联度较大，在1.180 mm筛孔处最大，接近0.85；对于冻融后劈裂强度，筛孔尺寸越小，其对冻融后的劈裂强度关联度越大，0.075 mm 筛孔影响最大，这说明细集料对PAC10的抗水损害能力改善作用最大；而对于TSR，4.750 mm筛孔变化对其影响最大，其余小于4.750 mm 的筛孔变化的影响较小.对于PAC13，其筛孔越小，筛孔对劈裂强度的关联度越小，在1.180 mm 筛孔处，关联度最大.至于TSR，9.500 mm 与4.750 mm 的筛孔与TSR 的关联度明显大于其余较小筛孔.对于PAC16与PAC20，筛孔尺寸在4.750 mm 及以下时其变化对混合料的劈裂强度影响较大，PAC16 的4.750 mm及以下筛孔变化对TSR 影响显著，而PAC20 各筛孔变化对TSR 影响相似，相关度均很高.

级配的变化会影响混合料中骨料、胶结料及空气三相结构的分布变化，特别是混合料内部封闭孔隙、半连通孔隙以及连通孔隙的大小与比例，这就导致了混合料的水稳定性的差别.对于不同最大公称粒径的混合料，影响（未）冻融试件的劈裂强度和TSR 的关键筛孔不同，说明对于不同最大公称粒径混合料，影响其抗水损害性能的粗细集料界定是不一样的，应根据具体情况具体分析.

总之，级配对混合料的影响很显著，对于同一种粒径的混合料，级配越细，其水稳定性越好，但是应在保障排水混合料的排水性能前提下去优化细化级配.

2.6 沥青用量的影响

不同规格透水沥青混合料级配不同，细集料含量不同，矿料的比表面积不同，导致所需沥青含量也不同.图7 展示了不同沥青用量的对透水混合料冻融劈裂强度的影响.

图7 不同沥青用量的混合料冻融劈裂结果Fig.7 Freeze-thaw cracking results of mixtures with different asphalt contents

由图7 可知：提高沥青用量，并不能显著提升混合料的抗水损害能力，且随着最大公称粒径变小，增加沥青用量对劈裂强度的改善由正相关变为负相关；提升沥青用量对PAC20 提升明显，也会增大PAC16 的劈裂强度；而对于PAC13 来说，沥青用量对劈裂强度的影响很小，但是会降低PAC10 混合料的劈裂强度.

分析原因，在沥青未达到最佳用量前，增加沥青用量会使得沥青与混合料骨料的接触面积增多，沥青膜厚度增加，这就使得沥青的劈裂强度增加，当沥青膜厚度在一定范围内时，其抗水损害性能基本不会变化[18].当沥青用量超过最佳用量后，富余的沥青形成不了结构沥青，成为自由沥青，自由沥青的黏结能力小于结构沥青，所以会降低沥青与集料的黏附性，降低劈裂强度，由此可以看出，PAC20 与PAC16的最佳油石比在6.0%左右，而PAC13 和PAC10 的最佳油石比在5.5%附近.但是沥青用量对于沥青冻融前和冻融后的沥青与集料的黏结性能影响是一致的，在一定沥青用量范围内，沥青用量的增加，并不会增大透水沥青混合料的TSR 值，对透水沥青混合料的抗水损害能力的改善有限.

总之，对于透水沥青混合料来说，在一定沥青用量范围内，沥青用量的改变对其水稳定性没有太大影响，所以在混合料配合比设计时，最佳沥青用量可以根据析漏和飞散实验确定.

3 结 论

1）在透水混凝土中使用粗橡胶粉SBS 复合改性沥青可以提高透水混合料的水稳定性.增加SBS和粗橡胶粉含量，可以改善透水沥青的水稳定性能.虽然增加橡胶粉掺量会降低透水沥青混合料的劈裂抗拉强度，但会增加TSR 值.综合考虑透水沥青水稳定性能和材料成本，建议添加6% SBS 和10%粗橡胶粉.

2）在透水沥青混合料中，如果所用集料黏附性差，可以使用消石灰来部分代替矿粉，可有效提高沥青胶浆的内聚力，改善其水稳定性能，本文中所采用消石灰掺量为2%.

3）级配组成对混合料性能影响显著.对于PAC10，4.750 mm 筛孔为影响抗水损害性能的关键筛孔；对于PAC13，4.750 mm 与9.500 mm 筛孔为关键筛孔；对于PAC16，4.750 mm 及以下筛孔为关键筛孔；对于PAC20，各筛孔对混合料抗水损害性能影响程度相同.这为根据水稳定性性能来调整排水混合料级配提供了有效的理论指导.但是在调整级配时应兼具排水与抗水损害性能，应在保证多孔沥青混凝土排水性能的前提下，对级配进行优化，提高抗水损害性能.

4）透水沥青混合料的劈裂强度与集料性能、沥青膜厚度、沥青胶浆的抗拉强度和界面黏结强度有本质关系.但是本文没有从微观的角度考虑，有待进一步的深入研究.此外，通过对劈裂实验分析，发现劈裂实验对于大粒径混合料的水稳定性评价并不准确，所以针对大粒径混合料的水稳定性应该提出新的评价方法和评价指标.