水-热作用下胶粉改性沥青汉堡车辙高温性能

郑茂

(四川交投建设工程股份有限公司， 成都 610000)

采用橡胶粉对基质沥青进行改性，既可以有效提高沥青的路用性能，又可以充分利用废旧橡胶轮胎，多年来一直是中外关于沥青材料的研究热点[1]。近年来，随着技术的发展，胶粉改性沥青成为仅次于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(styrene butadiene styrene triblock copolymer，SBS)改性沥青的一种主要改性沥青。

随着橡胶沥青应用的普及，关于橡胶沥青混合料高温稳定性的研究逐渐完善。施瑞欣等[2]研究了橡胶粉的细度以及矿料级配对橡胶沥青混合料抗车辙性能的影响，并提出采用较大粒径的橡胶粉能够较好改善其高温稳定性。陈振华[3]对比了三种橡胶沥青混合料的高温稳定性，结果发现添加高模量剂的橡胶沥青混合料与复合橡胶沥青混合料具有明显优异的高温性能。蔡骏等[4]研究了温拌橡胶沥青混合料的高温性能，并确定了其合适的施工温度。在目前现有的研究与应用中，橡胶沥青混合料沥青用量普遍较高，有时甚至超过普通沥青混合料的50%。在较高油石比下，其高温稳定性虽然较基质沥青有所增长，但与SBS改性沥青相比还有较大差距。在考虑高温稳定性影响因子上，较多的研究涉及橡胶粉的种类、掺量以及级配因素，但很少考虑温度与水等外界环境因子在试验中的作用[5]；在试验方法上，国内关于橡胶沥青混合料高温稳定性的研究，基本是采用国产车辙试验方法，该试验只能评价沥青混合料在单一干燥环境下的抗车辙能力，而实际工程中由于沥青路面会经受多重环境因素下的车轮碾压作用[6-7]。因此关于评价橡胶沥青在水-热综合条件下抗车辙性能，还存在较大的研究空间[8-9]。

此外，由于制备工艺的限制，橡胶沥青中的胶粉与沥青不相容，导致橡胶沥青不能稳定存贮，生产、运输和使用都不方便，也增加了质量控制的难度，这种缺点影响了沥青混合料的路用性能，这阻碍了橡胶沥青在国内外的进一步推广与应用[10]。Terminal Blend胶粉改性沥青(简称“TB胶粉改性沥青”)是近年在美国发展起来的一种新型改性沥青，其主要是由30目或者更细的胶粉颗粒改性，让胶粉在沥青制备过程中发生高温脱硫反应，可以较快地分解并与沥青相融合。该种改性沥青在储存稳定性和经济性上有优势，且具备环保意义，有较大研究价值。

结合中外现有研究来看，大部分研究均是针对橡胶类沥青及其混合料的综合路用性能评价，在其高温稳定性能相关研究方面，大多是考虑沥青及混合料本身种类等内因对其高温稳定性的影响，而较少关注温度与水等外界环境因子对实验结果的影响[11-12]。而在实际沥青路面中，由于雨水与车轮碾压带来的动水压力会对沥青混合料的性能造成较大损害。因此，若要通过室内实验评价沥青混合料在路面的真实高温性能表现，需要将动水冲刷的外界因素考虑其中。在现有的业内实验设备中，汉堡浸水车辙试验能够评价沥青混合料高温抗车辙和抗水损害综合性能[13-15]。因此，现借助浸水汉堡车辙试验，探究不同种类及掺量的橡胶类改性沥青混合料在水-热综合作用下的高温性能，能够为车辙高发地区和高温多雨地区道路的建设提供可靠的技术支撑，以期为地区经济增长和社会可持续发展提供有力的保障，也能够填补橡胶类改性沥青在浸水条件下高温性能方面的研究不足。

1 实验材料与实验方案

1.1 实验材料

1.1.1 沥青材料

实验材料包括70#基质沥青、普通橡胶沥青、TB胶粉改性沥青及TB复合改性沥青。其中，沥青材料均为试验室配制，普通橡胶沥青使用苏州产30目胶粉；TB溶解性胶粉改性沥青使用苏州产60目胶粉。

由于对废旧橡胶的使用，TB胶粉改性沥青与传统橡胶沥青一样具有良好的社会和环保效应。在性能上，国外既有的实验室评价、加速加载试验、现场试验路等表明具有良好的高温与低温性能，并可稳定存贮和工厂化生产，具有比传统橡胶沥青更为良好的储存稳定性(TB胶粉沥青与传统橡胶沥青的对比如图1所示)，工程应用成本也低于SBS改性沥青和传统橡胶沥青。但胶粉在沥青中深度脱硫降解后，将会导致改性沥青的模量降低，弹性性能大幅降低，对力学性能产生不利影响。因此可考虑对TB胶粉改性沥青进行复合改性，向脱硫降解后的胶粉-沥青体系中加入少量聚合物、交联剂之后，可获得较好的弹性性质，使得混合料性能得以提升，这是关于TB沥青混合料应用研究的重要方向。

图1 TB溶解性胶粉改性沥青与普通橡胶沥青Fig.1 Terminal blend rubberized asphalt and traditional crumb rubber-modified asphalt

各类沥青的改性剂掺量及制备工艺如表1所示。

1.1.2 集料

沥青混合料(除橡胶沥青混合料)均选用AC-13级配，而橡胶沥青混合料采用ARAC-13。AC-13及ARAC-13级配情况如表2所示。AC-13混合料油石比统一采用5.0%，ARAC-13混合料油石比采用6.5%。

表1 胶粉改性沥青掺量及制备工艺Table 1 Dosages and preparation technology of rubber asphalt

表2 AC-13及ARAC-13沥青混合料的级配Table 2 Asphalt mixture gradation for AC-13 and ARAC-13

1.2 浸水汉堡车辙实验方法

采用源自德国的汉堡车辙试验方法。国外的大量研究和实践认为，汉堡车辙试验与公路实际路用性能相关性很好，该试验可以在水浴条件下进行，试验温度可调，仪器精确性较高，能够测定混合料的蠕变斜率、剥落斜率和车辙深度等指标，用以反映混合料的高温性能和抗水损坏性能，实现评价沥青混合料在水热综合作用下的高温性能这一目标[16]。汉堡车辙实验所用仪器及试模尺寸如图2所示。实验中，圆柱体试件高度控制在(62±1) mm，目标空隙率为7%±1%。实验中，去除试验结果变异系数大于15%和意外破坏试件，保证同一条件下获取3个平行试验结果。

图2 汉堡车辙试验仪及试件模具尺寸示意图Fig.2 Hamburg wheel tracking tester and dimensions of the sample

汉堡车辙实验在浸水条件下进行。参见AASHTO T324，水浴温度一般采用40～50 ℃，经查阅资料，国外大多研究在进行表面层混合料车辙试验时采用50 ℃，本文研究中混合料公称粒径为13 mm，通常用于表面层，因此确定采用水浴温度为50 ℃。实验中，采用钢轮进行往复碾压加载，最大加载次数为20 000次，最大允许车辙深度为20 mm，达到以上两条件中任一条便停止实验。

2 实验结果与讨论

利用浸水汉堡车辙试验，对普通橡胶沥青、TB溶解性胶粉改性沥青、TB复合改性沥青混合料的高温性能进行对比分析。

2.1 橡胶沥青混合料汉堡车辙实验结果

采用ARAC-13级配，以6.5%油石比制备试件，进行汉堡车辙试验，部分试验前及实验后的试件如图3所示。

图3 橡胶沥青混合料车辙试验前后表观图Fig.3 Appearance of crumb rubber-modified asphalt mixture samples before and after Hamburg wheel tracking test

不同橡胶粉掺量的混合料汉堡车辙试验曲线如图4所示。从图4中可以看出，当胶粉掺量为5%～15%时，随着橡胶粉掺量的增加，试件的浸水汉堡车辙试验曲线逐渐变得更加倾斜，这表明在此掺量范围内，沥青混合料抗水损害性能会随着掺量的提升而下降。而当胶粉掺量提高至20%时，试件的浸水汉堡车辙试验曲线则最为平缓，这表明在此掺量下，橡胶沥青混合料的抗水损性能为最优。

图4 不同橡胶粉掺量的橡胶沥青混合料汉堡车辙 试验曲线图Fig.4 HWT test curve of crumb rubber-modified asphalt mixtures with different rubber dosages

橡胶沥青与基质沥青混合料的高温性能对比如图5所示。

横轴中的5%、10%、15%、20%分别表示橡胶沥青中的 不同胶粉掺量图5 基质沥青与不同橡胶粉掺量的橡胶沥青混合料 高温性能对比Fig.5 High temperature performance comparison of base asphalt and crumb rubber-modified asphalt mixtures with different rubber dosages

从图5中可以看出，混合料的抗蠕变速率随橡胶粉掺量的提高呈现出先减小后增大的现象。橡胶粉掺量达到10%～15%时，抗蠕变速率达到最小值，此时混合料在蠕变阶段抗车辙变形能力最差。当橡胶粉掺量小于15%时，随着掺量的增加，抗蠕变速率随掺量变化的敏感度在增高，表明橡胶粉掺量较小时，胶粉含量的变化对混合料高温性能影响较小。当橡胶粉掺量大于15%时，随着掺量的增加，抗蠕变速率增长较快，表明胶粉掺量的提升会明显增强混合料在浸水条件下的高温抗车辙性能。类似地，橡胶沥青掺量从5%～20%变化的过程中，总变形速率数值先增大后减小。当掺量值小于15%时，增加橡胶粉用量会减弱混合料的抗变形能力；而当掺量大于15%时，增加橡胶粉用量会增强混合料的抗变形能力，混合料变形速率减慢。

沥青胶体结构理论认为，胶体的流变学性质随分散相在胶体中的浓度变化而变化，同时还与分散介质的黏度有关[17]。橡胶沥青是分散相(溶胀橡胶粉)分散在分散介质(基质沥青)中的胶体。橡胶沥青作为一种分散体系，其性能主要由分散相和分散介质共同决定。当掺量低于15%时，改性沥青分散体系的性能贡献中分散介质(基质沥青)贡献占比更大，而分散相(溶胀橡胶粉)对整个分散体系的性能贡献较小。当橡胶粉掺量在0～15%区间内变化时，橡胶颗粒越多越多，会改变沥青与集料接触时的界面分布状况，降低沥青与集料的粘结作用。在汉堡车辙实验中体现为随橡胶粉增加，混合料变形速率加快，抗车辙变形能力下降。

而当橡胶粉掺量在15%～20%时，混合料在水-热综合作用下的高温性能随胶粉掺量增加而增强。此时在橡胶沥青中，分散相由橡胶粉及其吸附的沥青组成，橡胶粉掺量越大，吸附的基质沥青组分越多，则分散相体积浓度越大，会提高分散体系的黏度，改性沥青软化点增高，混合料抵抗变形的能力会增强[18]；分散介质包括自由沥青和部分橡胶粉颗粒降解后溶解在沥青中的低分子量成分。橡胶粉掺量越大，吸收的自由沥青越多，特别是基质沥青中的轻质组分会在胶粉溶胀过程中被吸收，轻质组分的减少会导致自由沥青黏度增大，另外，部分胶粉颗粒降解后溶解在沥青中的低分子量橡胶成分对自由沥青有改性作用，也会增强自由沥青部分的黏度。总体上，混合料抗变形能力会增强。

2.2 TB胶粉改性沥青混合料汉堡车辙实验结果

对TB胶粉改性沥青混合料进行了浸水汉堡车辙实验，试验前后试件状态如图6所示。

图6 TB胶粉改性沥青混合料车辙试验前后表观图Fig.6 Appearance of TB rubberized asphaltmixture samples before and after HWT test

不同TB胶粉掺量下的混合料汉堡车辙试验曲线如图7所示。从图7中可以看出，大体上，随着TB胶粉掺量的增加，TB胶粉改性沥青混合料试件的汉堡车辙试验曲线逐渐变得更加倾斜。这说明TB胶粉改性沥青混合料在水热综合作用下的抗车辙性能会随着TB胶粉掺量的增加而减弱。

图7 不同TB胶粉掺量下的混合料汉堡车辙试验曲线图Fig.7 HWT test curve of TB rubberized asphalt mixtures with different rubber dosages

TB胶粉改性沥青混合料与基质沥青混合料的高温性能对比如图8所示。

横轴中的5%、10%、15%、20%分别表示TB胶粉 改性沥青中的不同TB胶粉掺量图8 基质沥青与不同胶粉掺量的TB胶粉改性沥青 混合料高温性能对比Fig.8 High temperature performance comparison of base asphalt and TB rubberized asphalt mixtures with different rubber dosages

从图8可知，随着TB胶粉掺量增高，抗蠕变速率的总体变化趋势是在减小，表明混合料在蠕变阶段抗车辙能力的减弱；TB胶粉掺量5%的TB沥青混合料抗蠕变速率值比基质沥青混合料降低约15%；TB胶粉掺量从5%～15%变化过程中，抗蠕变速率值变化幅度较小，基本处于600～630次/mm的区间范围，变化幅度在5%以内；当TB胶粉掺量增至20%，抗蠕变速率值有较大程度的减小，相较基质沥青混合料数值降低近40%。

随着TB胶粉掺量增高，总变形速率的变化趋势是在增大，且其增大幅度也在变大，表明混合料在汉堡车辙试验全过程中抗车辙能力在减弱；橡胶粉掺量较高时，改变胶粉掺量对TB沥青混合料总变形速率指标的影响更为显著。

TB胶粉的加入会导致溶解性胶粉改性沥青混合料在水-热综合作用下的高温性能降低，高温变形速度增大。根据此前研究[19-21]，胶粉在沥青中深度脱硫降解后，将会导致基质沥青的模量降低，沥青变软，同时弹性性能大幅降低，对力学性能产生不利影响；TB胶粉成分的存在，会改变基质沥青与集料接触时的界面分布状况，会降低沥青与集料的黏结作用，水会更容易侵入沥青和集料界面导致沥青剥落，造成混合料黏结力衰减迅速，在汉堡车辙试验过程中就会出现车辙变形速度快的现象；此外，TB胶粉与沥青的反应过程中，发生物质交互作用，胶粉在沥青中发生物理溶胀的过程中会吸收沥青中的轻质组分，而胶粉会释放出炭黑等矿物填料到沥青相中。沥青轻质组分的丧失会导致沥青与集料之间黏结力的减弱，也会造成混合料在水-热综合作用下的抗车辙能力减弱。

2.3 TB复合改性沥青混合料汉堡车辙实验结果

TB胶粉改性沥青虽然经过脱硫降解，提高了改性体系的存贮稳定性，但由于高温脱硫降解会大幅降低了改性沥青的力学性能，在水-热综合作用下的抗车辙变形能力甚至低于基质沥青混合料。为了提高TB胶粉改性沥青的性能，加入线型SBS改性剂对其进行复合改性，研究TB复合改性沥青混合料的高温性能。与基质沥青一样，TB胶粉改性沥青混合料采用AC-13级配，以5.0%油石比制备试件，进行汉堡车辙试验，试验前后试件表观如图9所示。

图9 TB+SBS复合改性沥青混合料车辙试验前后表观图Fig.9 Appearance of TB+SBS composite modified asphalt mixture samples before and after HWT test

不同TB+SBS复合改性沥青混合料的汉堡车辙试验曲线图及其与TB胶粉改性沥青混合料的高温性能对比分别如图10和图11所示。

从图11中可以看出，对于固定胶粉掺量下的TB+SBS复合改性沥青混合料,在1%～3%范围内，随着SBS掺量增高，抗蠕变速率的总体变化趋势均在增大，表明混合料的抗车辙能力随着SBS掺量的增加而增强，从图6中试件的车辙深度对比中也能得到与此一致的结论。随着SBS掺量的增加， 抗蠕变速率的增大幅度也在变大，表明SBS 改性剂掺量较高时，变化改性剂掺量对该指标的影响更为显著。

在15%TB胶粉掺量下，总变形速率随SBS掺量(1%～3%)的增加而减小，在1%和2%SBS掺量下的总变形速率值非常接近，仅相差约2%。当SBS掺量增加至3%时，总变形速率值减小较多，相比1%SBS掺量时减小了约26.6%。在20%TB胶粉掺量下，也有类似的变化趋势：1%与2%SBS对混合料高温性能的影响相差很小，当SBS掺量达到3%时，才有明显的改善作用。

图10 TB+SBS复合改性沥青混合料汉堡车辙试验曲线图Fig.10 HWT test curve of TB+SBS composite modified asphalt mixtures

图11 TB胶粉改性沥青混合料与不同TB+SBS复合改性沥青混合料高温性能对比Fig.11 High temperature performance comparison of TB rubberized asphalt mixture and TB+SBS composite modified asphalt mixture

总体看来，线型SBS的加入，极大地提高TB改性沥青混合料在水-热作用下的抗车辙性能。当橡胶粉掺量小于20%时，TB+SBS复合改性沥青混合料的高温性能随橡胶粉掺量增加而增强，在20%橡胶粉掺量下混合料高温性能较优。在蠕变阶段，TB胶粉沥青混合料的抗蠕变速率随着橡胶粉掺量增高而减小，但TB+SBS复合改性沥青混合料抗蠕变速率随橡胶粉掺量增高而增大。这说明线型SBS的掺入完全改变了TB胶粉沥青的体系，提高了沥青混合料的高温性能。在蠕变阶段，SBS成分的改性作用占主导作用，SBS网格体系的存在能限制沥青的自由流动，增强沥青黏度，阻止水对沥青膜的侵入。在水不能进入集料和沥青界面的情况下，TB胶粉成分的存在也能对混合料高温性能有所帮助。

3 结论

采用浸水汉堡车辙实验，对橡胶沥青、TB溶解性胶粉改性沥青及得出以下主要结论。

(1)对于普通橡胶沥青，当橡胶粉的掺量不超过15%时，胶粉掺量的增加会导致沥青混合料浸水条件下高温性能的下降；当橡胶粉掺量大于15%时，沥青中的橡胶粉逐渐变为分散相，橡胶粉掺量越大，吸附的基质沥青组分越多，则分散相体积浓度越大，会提高分散体系的黏度，改性沥青软化点增高，混合料抵抗变形的能力会增强。普通橡胶沥青的橡胶粉掺量推荐采用内掺20%。

(2)对于TB胶粉改性沥青，混合料在水-热综合作用下的高温性能随TB胶粉掺量的增加而降低。不宜将TB沥青混合料直接用于高温多雨地区沥青路面中上面层。

(3)对于TB+SBS复合改性沥青，线型SBS的加入，能明显提高TB改性沥青混合料在水-热作用下的抗车辙性能。在TB+SBS复合改性沥青中，推荐橡胶粉掺量采用内掺20%，20%TB+SBS复合改性沥青混合料高温性能随SBS掺量的增加而增强，可根据性能需要和成本控制综合选定SBS的掺量。