橡胶沥青混合料拌和温度优化研究

武金博

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 概述

在拌和用于道路施工的沥青混合料过程中，能源消耗和温室气体排放造成了巨大的环境污染[1-3]。为了解决该问题，如何降低沥青混合料拌和温度成为了道路工程学者们近年来研究的热点话题。根据施工温度，可以分为热拌沥青、温拌沥青、半温拌沥青以及冷拌沥青[4-5]。每种沥青都有各自的特点，但是与热拌沥青混合料相比，采用低温拌和沥青混合料的性能有所下降[6]。

基于此，向沥青中掺入改性剂是改善沥青性能的常用方法。经调查发现，废旧轮胎可用于提高沥青混合料的抗疲劳、抗车辙等性能，从而提高路面的耐久性[7]。采用高掺量橡胶粉会显然增加沥青的粘度，因此需要较高的拌和温度以确保改性沥青的流动性以及沥青与骨料之间的粘结[8]。如果结合高橡胶粉掺量以及低拌和温度生产一种可持续性的沥青混合料，这对于道路工程是一大突破。

寻找一种外加剂是解决这一科学问题的有效途径之一。已有研究发现温拌剂对橡胶改性沥青产生效果。在高温下可以降低橡胶改性沥青的粘度和复数模量，从而降低拌合温度[9-11]。但是添加温拌剂的橡胶改性沥青性能高度依赖于所使用的添加剂类型。因此，在选择哪一种添加剂时无法得出明确的结论。

综上，本研究通过提高橡胶粉掺量以及降低拌和温度来优化橡胶沥青混合料性能，以制备可持续的沥青各混合料。为此，在130 ℃和150 ℃条件下制备了橡胶改性沥青混合料、Sasobit橡胶改性沥青混合料和Zycotherm橡胶改性沥青混合料，通过对沥青及其混合料的性能进行对比分析，优化出橡胶沥青混合料拌和温度，使得沥青混合料性能最佳。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.1.1沥青

本研究采用的沥青为东海石油SBS改性沥青，基质沥青为同一批次的东海牌70号A级道路石油沥青，对沥青进行性能测试，测试结果见表1和表2。

表1 SBS(I-D)改性沥青试验结果Table1 SBSTestresultsof(I-D)modifiedasphalt类别针入度25℃,100g,5s/0.1mm针入度指数PI延度5cm/min,5℃/cm软化点TR&B/℃运动粘度135℃/(Pa·s)弹性恢复25℃/%储存稳定性离析,48h软化点差/℃试验结果53.90.53336.573.22.34761.6技术要求30～60020603752.5

表2 基质沥青试验结果Table2 Testresultsofmatrixasphalt类别针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(15℃,5cm/min)/cm软化点(环球法)/℃60℃动力粘度/(Pa·s)蜡含量/%密度(15℃)/g·cm-3()实测数据64>10048.5199.32.11.029技术要求60-80≥100≥46≥180≤2.2—

2.1.2废旧橡胶粉

试验所用橡胶粉为同一批次40目橡胶胎，废旧轮胎橡胶粉掺量为基质沥青质量的20%。废旧轮胎橡胶粉主要指标见表3。

2.1.3改性剂

本研究采用了两种改性剂，分别为Sasobit和Zycotherm。对两种改性剂的基本性能进行了测试，Sasobit测试结果：针入度(25 ℃)为0.8(0.1 mm),粘度(135 ℃)为11(10-3Pa·s)，密度(25℃)为0.94(g·cm-3)，闪点为290 ℃，凝固点为101 ℃。Zycotherm测试结果：外观为棕色粘稠液体，粘度(25 ℃)为900 MPa·s，粘度(38 ℃)为300 MPa·s，比重(25℃)为0.97。

选用这两种外加剂是由于它们能够降低沥青在高温下的粘度，从而降低沥青混合料的生产温度。在65 ℃条件下外加剂会完全结晶从而提高沥青混合料的抗车辙性能。Zycotherm活性剂通过增加集料之间的附着力和粘结力可降低沥青的表面张力。通过文献调研，本研究使用的Sasobit和Zycotherm掺量分别为3%和0.05%。

表3 废旧轮胎橡胶粉主要技术性质Table3 Maintechnicalpropertiesofwastetirerubberpowder%检测项目实测数据技术要求水分0.58<1金属含量0.03<0.05纤维含量0.03<1灰分6≤8丙酮抽出物12≤22炭黑含量32≥28橡胶烃含量55≥42

2.2 改性沥青制备

先将基质沥青放入烘箱中，温度为165 ℃，待基质沥青具有流动性之后将橡胶粉掺入沥青中，采用高速剪切仪在3 500 r/min的条件下剪切60 min得到橡胶改性沥青。在已制备好的橡胶沥青中分别掺入改性剂，剪切温度为165 ℃，转速为300 r/min，时间为60 min。得到两种改性沥青。综上，本文所采用的4种沥青分别为SBS改性沥青、橡胶改性沥青、Sasobit橡胶改性沥青、Zycotherm橡胶改性沥青。

2.3 沥青混合料制备

本文选用石灰岩作为沥青混合料的粗集料和细集料，石灰岩矿粉作为填料。集料的主要技术指标如表4所示。采用沥青混合料级配采用间断级配AC-13作为研究对象。级配曲线如图1所示。采用马歇尔设计方法确定沥青混合料最佳油石比为5.0%。

表4 石灰岩集料密度试验结果Table4 Limestoneaggregatedensitytestresults序号粒径规格/mm表观相对密度/(g·cm-3)毛体积相对密度/(g·cm-3)表干密度/(g·cm-3)吸水率/%1 16～13.22.7122.6892.6990.32213.2～9.52.7162.6942.7030.3439.5～4.752.7202.6852.7000.4444.75～2.362.7212.6462.6741.0252.36～1.182.76061.18～0.62.71570.6～0.32.726———80.3～0.152.73790.15～0.0752.725

图1 沥青混合料合成级配曲线图

2.4 试验方法

2.4.1沥青流变特性试验

参照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20 2011)》规定的试验方法对4种沥青进行旋转粘度和温度扫描试验。旋转粘度测试温度为135 ℃，温度扫描的温度设置为40 ℃～90 ℃，采用应变控制模式，应变目标值为12%。

2.4.2沥青混合料试验

为了更好地研究不同改性沥青混合料在降低拌和温度下的性能，本文采用以下试验方案制备沥青混合料试件：SBS沥青混合料(SBS)的拌和温度为175 ℃，橡胶沥青混合料(CRA)采用3种拌和温度，分别是175 ℃、150 ℃和130 ℃。Sasobit橡胶改性沥青混合料(CRA-S)和Zycotherm橡胶改性沥青混合料(CRA-Z)均采用两种拌和温度，分别为150 ℃和130 ℃。本研究通过试验对沥青混合料的承载能力、永久变形、内聚力及水稳定性进行综合评价。

3 试验结果分析

3.1 沥青流变特性

3.1.1粘度试验结果与分析

为了初步判断各种改性沥青的高温性能效果，选用135 ℃旋转粘度大致表征改性沥青的施工拌和或压实性能，试验结果如图2所示。

图2 不同改性沥青粘度效果对比

从图中可以发现掺入橡胶的改性沥青粘度较高，橡胶粉掺入在沥青中均匀分布，发生溶胀与沥青形成三维网络结构，增大了流动阻力，故橡胶沥青的粘度有一定的提升。

3.1.2温度扫描

本研究对SBS、CRA、CRA-S、CRA-Z共4种沥青流变性能进行了对比分析。通过动态剪切流变仪获得了试样的复数剪切模量和相位角，试验结构如表5、表6和图3、图4所示。从图3可以得出随着温度的升高，4种沥青的复数剪切模量均降低。而复数剪切模量代表沥青胶结料的强度，决定了沥青的抗变形能力。因此温度的升高降低了沥青的抗车辙性能。与CRA相比，CRA-S和CRA-Z的复数剪切模量均有所增加。复数剪切模量的增加反映了沥青在高温下具有更大的刚度和更好的抗车辙性。说明Sasobit和Zycotherm两种改性剂对橡胶改性沥青的高温性能起到积极作用。从图4中可以看出4种沥青胶结料相位角的变化，其中0°和90°分别代表着弹性和粘性。可以看出掺有橡胶粉的沥青随着温度的升高相位角逐渐增大。与SBS相比，另外3种改性沥青的相位角均有所减小。这是由于橡胶粉、Sasobit和Zycotherm掺入导致，表明改性沥青更偏向于弹性材料。有利于增加沥青的抗车辙性。

表5 复数剪切模量结果Table5 Pluralmodulusresults沥青类型不同温度(℃)下复数剪切模量/kPa46525864707682SBS361574320.3CRA4119108530.6CRA-S4825129640.9CRA-Z55291812861.5

表6 相位角试验结果Table6 Phaseangletestresults沥青类型不同温度(℃)下相位角/(°)46525864707682SBS8686.486.68787.48888CRA76828485868787CRA-S70788081848686CRA-Z64727478808284

图3 复数剪切模量试验结果

图4 相位角试验结果

3.2 沥青混合料性能试验结果

3.2.1密度

表7为沥青混合料密度。从表中可以看出在130 ℃温度下制备沥青混合料，CRA混合料的密度为2.42 mg/m3。当往CRA中掺入Sasobit和Zycotherm，改性沥青混合料的密度均有所增加。当添加Sasobit外加剂时，130 ℃下制备的CRA-S混合料密度与175 ℃下制备的SBS混合料密度相同，甚至比3种温度下制备的CRA混合料密度都高。通过该试验结果可以得出外加剂可以提高橡胶沥青混合料的流动性，从而使制备温度降低了45 ℃。

表7 沥青混合料密度测试结果Table7 Testresultsofasphaltmixturedensity沥青混合料密度/(mg·m-3)与SBS沥青混合料密度之比/%SBS混合料(175℃)2.48—CRA混合料(175℃)2.4598.79CRA混合料(150℃)2.4498.39CRA混合料(130℃)2.4297.58CRA-S混合料(150℃)2.4397.98CRA-S混合料(130℃)2.48100CRA-Z混合料(150℃)2.4498.39CRA-Z混合料(130℃)2.4397.98

3.2.2劲度模量

在5 ℃、20 ℃、40 ℃下对8种沥青混合料的劲度模量进行测试，试验结果如图5所示。从图5中可以发现尽管使用基质沥青作为改性的基础，但与含SBS沥青混合料相比，轮胎屑橡胶高含量沥青混合料具有较高劲度模量。在降低拌和温度方面，图5中可以看出随着温度的升高，每一种的沥青混合料的劲度模量均有所降低，这与在温拌橡胶沥青混合料方面的已有研究结论一致。从图5还可以看出在150 ℃和130 ℃条件下，与橡胶改性沥青混合料相比，添加了改性剂的沥青混合料具有更高的劲度模量。从该试验结果可以发现采用改性剂可以降低温拌橡胶沥青混合料的拌和温度，不会降低沥青混合料的承载能力。

图5 沥青混合料劲度模量试验结果

3.2.3永久变形

图6为4种沥青混合料的在60 ℃条件下三轴试验结果。无论使用哪种改性剂和拌和温度，采用橡胶改性的混合料均具有很强的抗永久变形能力。图6可以发现随着拌和温度的降低，沥青混合料的永久变形均增加。但是与橡胶沥青混合料相比，掺入改性剂的沥青混合料永久变形的增加速度比较慢。这一结果表明改性剂改性沥青混合料在高温下具有高弹性，有效地弥补了降低拌和温度带来的不利影响。这一结果与沥青胶结料流变性能所得结果一致。

图6 沥青混合料永久变形试验结果

3.2.4颗粒损失

图7为沥青混合料的颗粒损失。与SBS沥青混合料相比，所有橡胶沥青混合料颗粒损失增大。这表明橡胶改性降低了沥青混合料的耐磨性能。未掺入改性剂的橡胶沥青混合料随着拌和温度降低颗粒损失逐渐增加。这是由于温度的升高，沥青混合料内聚力降低导致。对于温拌改性剂来说，从图8可以看出温拌改性剂可以改善温拌橡胶沥青混合料内聚力，在130 ℃条件下更为显著。

图7 沥青混合料颗粒损失

3.2.5间接拉伸强度

图8为175 ℃拌和的橡胶沥青混合料和130 ℃拌和的Sasobit橡胶改性沥青混合料间接拉伸干湿强度及强度比。从图中可以看出通过掺入改性剂可以将拌和温度降低45 ℃。

图8 沥青混合料冻融劈裂试验结果

综上可以看出，在150 ℃条件下橡胶沥青混合料的性能与175 ℃条件下橡胶沥青混合料的性能相当。若将拌和温度降低到130 ℃的时候，需要添加外加剂才能达到预期效果。在本研究中使用了两种改性剂，可以发现在130 ℃条件下生产CRA-S沥青混合料，其刚度、永久变形、内聚力均表现出最佳性能。

4 结论

本研究在不影响沥青混合料性能的前提下，研究了不同改性沥青和不同拌和温度下沥青及其混合料的性能。得出的主要结论如下：

a.与SBS沥青相比，掺入橡胶和改性剂的改性沥青具有高弹性。CRA、CRA-S、CRA-Z均可以提高沥青的旋转粘度、复数剪切模量，减少相位角，结果表明橡胶粉、Sasobit和Zycotherm改性剂均能有效提高沥青的高温流变性能，增强沥青胶结料的高温稳定性。

b.与橡胶改性沥青混合料相比，添加了改性剂的沥青混合料具有更高的劲度模量。本研究发现采用Sasobit和Zycotherm改性剂可以降低橡胶沥青混合料的拌和温度，且不会降低沥青混合料的承载能力。

c.对比分析不同拌和温度和不同改性剂制备的沥青混合料，发现向橡胶沥青中添加改性剂Sasobit可以有效降低拌和温度，其刚度、永久变形、内聚力均表现出最佳性能。

d.本研究为降低沥青混合料的拌和温度提供了室内试验研究，通过将外加剂掺入橡胶沥青中降低拌和温度而不影响混合料性能，这对工程应用具有重大意义。在今后需将其应用于施工现场和试验路，该研究有待进一步完善和深入。