橡胶粉高粘改性排水沥青混合料性能研究

刘洪磊 邵景干 姜帅 岳光华 徐琦 李文凯

摘 要： 选用SBS及橡胶粉对基质沥青进行复合改性来制备高粘复合改性沥青，以弥补沥青路面因大孔隙路面结构特点带来的性能不足。在2种70#基质沥青中分别掺入4.5%的SBS和0%、6%、8%、10%、12%、14%的橡胶粉制备橡胶复合改性沥青，并对复合改性沥青进行3大指标、60 ℃动力黏度、135 ℃布氏黏度试验得出，橡胶粉推荐掺量为10%～12%。对复合改性OGFC-13排水式沥青混合料开展配合比设计及高温性能、水稳定性能、析漏及分散性能研究得出，SBS掺量固定为4.5%，橡胶粉掺量为12%时，2种橡胶复合改性沥青混合料高温抗车辙能力、抗磨耗能力性能最优，橡胶粉掺量为10%时，2种橡胶复合改性沥青混合料抗水损害能力性能最优。

关键词： 橡胶粉；高粘改性沥青；矿料级配；油石比；沥青混合料；路用性能

中图分类号： U416.217；TQ333.1

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0004-05

Study on properties of high viscosity modified drainage

asphalt mixture of rubber powder

LIU Honglei1，SHAO Jinggan2，JIANG Shuai1，YUE Guanghua1;XU Qi1;LI Wenkai2

（1.Henan Goldroad Industrial Group Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan China;

2.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： SBS and rubber powder were used to prepare high viscosity composite modified asphalt by composite modification of matrix asphalt，so as to make up for the lack of performance of asphalt pavement due to the structural characteristics of large pore pavement.Rubber composite modified asphalt was prepared by mixing 4.5% SBS and 0%，6%，8%，10%，12% and 14% rubber powder into Shell and Donghaizai 70# matrix asphalt by a certain shear and stirring process.The three indexes of composite modified asphalt，dynamic viscosity at 60 ℃ and Brinell viscosity at 135 ℃ were tested.The recommended dosage of rubber powder is 10%-12%.Through the research on the mix ratio design，high temperature performance，water stability performance，leakage and dispersion performance of the composite modified OGFC-13 drainage asphalt mixture，it is concluded that when the SBS content is fixed at 4.5% and the rubber powder content is 12%，the Shell and Donghai rubber composite modified asphalt mixture has the best high temperature rutting resistance and abrasion resistance performance.When the content of rubber powder is 10%，Shell and Donghai brand rubber composite modified asphalt mixture has the best water damage resistance performance.

Key words： rubber powder；high viscosity modified asphalt；mineral aggregate grading；oil stone ratio；asphalt mixture；road performance

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）及橡膠粉（CRM）作为沥青改性剂被广泛应用到路面工程当中。SBS能够增加沥青当中胶质的占比，通过分子之间的相互作用，使沥青胶体状态向凝胶体状态转化，改善沥青路面的高低温性能，但SBS作为沥青改性剂单价较高，一定程度上限制了其推广应用。而橡胶粉（CRM）由废旧轮胎制成，成本较低，不仅符合国家“环境友好型、资源节约型”发展战略，同时作为一种改性剂能够增加沥青黏度，降低沥青对温度的敏感性，改善沥青路面的路用性能。因此，研究选用OGFC开级配排水式沥青混合料进行研究，针对SBS和橡胶粉的特点，将2种改性剂共同掺入到基质沥青当中进行复合改性制得橡胶粉高粘  改性沥青，通过对橡胶粉高粘改性沥青相关技术指标及OGFC排水式沥青混合料高温抗车辙、抗水损害、析漏及飞散等试验研究，评价橡胶粉掺量对沥青及沥青混合料性能的影响，为橡胶粉高粘改性排水沥青混合料在工程中的应用提供理论支撑。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

分别选用壳牌及东海牌70#A级道路石油沥青开展研究，并参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）相关要求进行试验，2种沥青主要技术指标试验结果如表1所示。

1.1.2 改性剂

本课题选用橡胶粉（CRM）及SBS分别对壳牌及东海牌70#A级道路石油沥青进行复合改性。橡胶粉的粒径为40 目，由河南金欧特实业集团股份有限公司生产；SBS是型号为YH-791H 的热塑性丁苯橡胶；由中国石油化工股份有限公司生产，橡胶粉及SBS 主要技术指标试验结果分别如表2、表3所示。

1.2 橡胶粉复合改性沥青

1.2.1 橡胶粉复合改性沥青制备

参考文献进行橡胶粉复合改性沥青制备[3-5]。东海牌、壳牌为基质沥青，SBS掺量为4.5%（占沥青质量），橡胶粉掺量分别为0%、6%、8%、10%、12%和 14%（占沥青质量）;2种改性剂均采用外掺法。橡胶粉复合改性沥青制备流程：①将基质沥青在干燥鼓风干燥箱中加热到165 ℃成熔融状态并保温30 min；②将沥青温度升到190 ℃，4.5%的SBS加入到基质沥青当中，用高速剪切机在300 r/min的转速下高速剪切30 min；③再将掺量分别为0%、6%、8%、10%、12%、14%的橡胶粉加入，用高速剪切机在300 r/min的转速下高速剪切30 min，剪切过程中沥青温度保持在190 ℃左右；④2种改性剂添加完毕后将沥青试样放在180 ℃的干燥鼓风干燥箱中静置发育2 h，最终制备成橡胶粉复合改性沥青。

1.2.2  3大指标

对制备好的橡胶粉复合改性沥青参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）相关要求开展针入度、软化点及延度试验，结果如表4所示。

由表4可知，随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的针入度整体均呈降低趋势，当掺量超过12%时，针入度略有升高，这主要因为橡胶粉掺入后，沥青中的沥青质、胶质与橡胶粉相互融合，沥青黏度增大，针入度不断降低，当橡胶粉掺量过大时，沥青中的低分子组分占比不断降低;故而针入度略有升高。随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的软化点均呈现逐渐升高的趋势，当掺量超过10%后，升高趋势变缓，表明橡胶粉的掺入能够改善沥青的高温稳定性能；随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的5 ℃延度均呈现先降低后升高的趋势;当掺量超过10%后，沥青延度均高于仅掺4.5% SBS的沥青，表明大掺量的橡胶粉在沥青中高温剪切溶胀反应后能够溶解到沥青当中形成丝状网络结构，从而增强了沥青的低温延展性。

1.2.3   60 ℃动力黏度

对制备好的橡胶复合改性沥青参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）相关要求开展 60 ℃动力黏度试验，结果如表5所示。

由表5 可知，随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的60 ℃动力黏度均呈现升高的趋势，这主要因为橡胶粉的掺入会在沥青内部形成网状结构，限制了沥青的流动，增加了沥青的黏度，掺量越大，网状结构越致密，分子间的阻尼作用越显著，黏度越大；当掺量为8%时，2种复合改性沥青的黏度均超过20 000 Pa·s，满足了高粘沥青黏度的要求；橡胶粉掺量超过12%后，沥青黏度升高的趋势变缓；橡胶粉掺量相同时，东海牌复合改性沥青黏度均高于壳牌复合改性沥青，表明东海牌沥青的配伍性优于壳牌。

1.2.4   135 ℃布氏黏度

布氏黏度决定沥青混合料拌和、摊铺及碾压等施工温度。对制备好的橡胶复合改性沥青参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）相關要求开展 135 ℃布氏黏度试验，结果如表6所示。

由表6可知，随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青135 ℃布氏黏度均呈现升高的趋势，当掺量小于10%时，增幅较缓，当掺量超过10%，增幅较大，表明小掺量的橡胶粉对于沥青的改性效果不显著，但掺量过大时又会造成施工成本的增加。综合上述发现，橡胶粉掺量在10%～12%时，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的相关性能均能得到很好改善，从经济性方面考虑，推荐10～12%橡胶粉的掺量对沥青进行复合改性。

1.3 玄武岩纤维

本课题选用的玄武岩纤维由郑州登电集团生产，规格型号分别为6 mm-17 με，它是一种矿物纤维，具有良好的韧性、分散性和化学稳定性，其性能指标如表7所示。

2 配合比设计

本课题选用OGFC-13开级配排水沥青路面进行研究，为增强矿料之间的粘接能力，选用偏碱性的10～15、5～10 、3～5 mm玄武岩碎石作为粗集料，细集料为玄武岩破碎而成的0～3 mm机制砂，矿粉由石灰岩磨细制得；粗、细集料及矿粉相关技术指标均满足JTG F40-2004规定，OGFC-13矿料级配设计结果如表8所示。以壳牌橡胶粉复合改性沥青为代表开展配合比设计，SBS及橡胶粉的掺量分别为4.5%、10%（占沥青质量）；OGFC-13混合料相关技术指标试验结果如表9所示。

3 路用性能

分别选用壳牌及东海牌橡胶粉复合改性沥青为OGFC-13混合料的胶结料，在SBS掺量为4.5%的前提下，分别对0%、6%、8%、10%、12%和14%掺量的橡胶粉OGFC-13混合料开展高温抗车辙、抗水损害、析漏及飞散性能研究，并分析橡胶粉掺量对OGFC-13混合料性能的影响。

3.1 高温稳定性

本文选用车辙试验来分析不同橡胶粉掺量下2种OGFC-13复合改性沥青混合料的高温抗车辙能力，动稳定度试验结果如图1所示。

由图1可知，当壳牌、东海牌沥青仅掺入 4.5% SBS 时，混合料动稳定度远小于3 000次/mm的规范要求；橡胶粉掺量相同时，东海牌橡胶粉复合改性沥青混合料的高温稳定性能均优于壳牌沥青。随着橡胶粉掺量的增加，2种OGFC-13复合改性沥青混合料的动稳定度试验结果均逐渐增大， 当橡胶粉掺量大于10%时，均超过3 000次/mm，当橡胶粉掺量超过12%时，增幅降低，这主要因为只有充足的橡胶粉与沥青产生溶胀作用才能保证复合改性后的沥青有足够的黏度，从而提高混合料的高温抗塑性变形；从高温性能方面考虑，橡胶粉的推荐掺量为12%。

3.2 水稳定性

本文选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来分析不同橡胶粉掺量下2种OGFC-13复合改性沥青混合料的抗水损害能力，试验结果分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知，当壳牌、东海牌沥青仅掺入 4.5%SBS 时，混合料浸水马歇尔及冻融劈裂的试验结果均分别小于80%、75%改性沥青混合料的要求。随着橡胶粉掺量的增加，2种OGFC-13复合改性沥青混合料浸水马歇尔及冻融劈裂的试验结果均呈现先升高后降低的趋势，当橡胶粉掺量为10%时，均达到峰值。从水稳定性能方面考虑，橡胶粉的推荐掺量为10%。

3.3 飞散、析漏性能

本課题选用飞散、肯特堡析漏试验来分析不同橡胶粉掺量下2种OGFC-13复合改性沥青混合料的抗脱落散失能力，试验结果分别如图4、图5所示。

由图4、图5可知，随着橡胶粉掺量的增加，两种OGFC-13复合改性沥青混合料的飞散、析漏试验均逐渐降低，当橡胶粉掺量大于12%时，降低趋势变缓，表明橡胶粉的掺入能够增加沥青的黏度，增[LL]强了矿料之间的粘附能力，提升了OGFC-13沥青路面的抗磨耗能力。从抗磨耗能力方面考虑，橡胶粉的推荐掺量为12%。

4 结语

（1）当SBS掺量为4.0%时，随着橡胶粉掺量的增加，壳牌、东海牌2种橡胶复合改性沥青的针入度整体均逐渐降低，软化点、60 ℃动力黏度、135 ℃布氏黏度、均逐渐升高，5 ℃延度均呈现先降低后升高。综合性能和经济性考虑，橡胶粉推荐掺量为10%～12%；

（2）当SBS掺量为4.0%时，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶粉复合改性OGFC-13开级配排水沥青混合料动稳定度均逐渐增大，浸水马歇尔及冻融劈裂的均呈现先升高后降低的趋势，飞散、析漏试验均逐渐降低。从高温及抗磨耗性能方面考虑，推荐橡胶粉掺量为12%，从水稳定性能方面考虑，推荐橡胶粉掺量为10%。

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