废胶粉改性SMA沥青混合料路用性能试验研究

杜冲

作者简介：杜 冲（1990—），工程师，主要从事公路设计工作。

为研究废胶粉对于改性SMA沥青混合料路用性能的影响，文章通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验等一系列室内试验，分析了不同废胶粉用量（12%、14%、16%、18%、20%）对改性SMA沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响规律。试验结果表明，适量的废胶粉能够提高提高沥青-集料界面粘附力，增强改性SMA沥青混合料的高温抗车辙变形能力、低温应力松弛能力和抗水损害能力；综合各方面路用性能，建议废胶粉用量为16%。

废胶粉；SBS改性沥青；沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）；路用性能

U414.1A230833

0 引言

随着大量废旧轮胎的不断产生，由此带来的环保问题日益严峻，减少轮胎“黑色污染”成为当下亟须解决的关键难题。研究表明［1-2］，废旧轮胎胶粉可以作为沥青改性剂，不仅提高沥青路面性能，同时降低环境污染。实践表明［3］，采用基质沥青铺筑的路面在高温下容易软化形成车辙，且与集料的粘附性较差，冬季容易产生脆性开裂，而将20-100目数的废旧轮胎胶粉以一定比例加入到基质沥青中，可以明显改善沥青的温度敏感性和耐久性能。王铁庆［4］通过针入度、延度、软化点等常规技术指标分析橡胶沥青的技术性能，并由此确定最佳橡胶沥青用量为17%，最后利用车辙试验、弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验等验证橡胶改性沥青混合料具有较好的路用性能。谭忆秋等［5］通过BBR试验研究橡胶改性沥青的低温性能，发现沥青的低温性能随橡胶粉掺量的增加显著提升。李晓娟等［6］研究脱硫橡胶改性沥青的性能，并探究加入SBS后对脱硫橡胶改性沥青性能的影响，结果表明，脱硫橡胶改性沥青的软化点、延度、车辙因子等指标较高，提高了沥青的高温稳定性和低温抗裂性，同时SBS加入后增强了沥青的高温和低温性能，且弹性恢复能力及短期老化能力得到明显改善。肖龙等［7］通过将废胎胶粉与SBS复合，并掺入一定量的助剂研究了改性沥青混合料路用性能，结果发现复合改性沥青表现出高弹性和高延展性的良好性能，同时表现出了较好的路用性能。

1 原材料与配合比

1.1 原材料

试验采用成品SBS-I-D改性沥青，SBS改性剂掺量为3.5%，技术指标见表1，废胶粉为陕西产30目常温研磨粉碎的子午轮胎胶粉，其物理化学指标见表2。粗集料选用质地坚硬、表面粗糙和抗磨耗性强的玄武岩。细集料为石灰岩机制砂，填料为天然石灰岩磨细的矿粉，经检测，粗细集料及填料的各项性能均满足技术要求。

1.2 配合比

实践表明［8-9］，废胶粉改性沥青混合料使用间断级配的路用性能较好，其中SMA级配通过粗集料形成嵌挤的骨架结构，沥青胶结料、细集料和填料填充于骨架间隙中，形成一种骨架密实型结构的沥青玛蹄脂沥青混合料，这种结构通常用于粘结性高的沥青胶结料，能够将粗集料骨架与细集料形成更好的粘结性，发挥较好的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能。SMA-13型合成级配见表3所示。

参考以往相关学者研究成果［10］，初步拟定五组油石比为5.0%、5.4%、5.8%、6.2%、6.6%，采用以上油石比分别制备马歇尔试件，测试马歇尔试件的稳定度与流值、密度、空隙率和饱和度等系列参数。通过各力学体积参数与油石比的关系确定废胶粉/SBS改性沥青混合料的最佳油石比为6.2%。同理可得到SBS改性沥青混合料的最佳油石比为5.5%。

2 试验方案

为研究废胶粉与SBS复合后对SMA混合料路用性能的影响，并以此确定废胶粉的最佳用量，首先将12%、14%、16%、18%和20%五种不同用量的废胶粉分别与成品SBS改性沥青复合制备废胶粉/SBS改性沥青，并拌和SMA混合料用于验证SMA混合料的路用性能。同时以不掺废胶粉的SBS改性沥青混合料作为对照组。采用300 mm×300 mm×50 mm车辙板试件进行高温车辙试验，利用动稳定度评价SMA混合料的高温抗永久变形能力。采用经车辙板试件切割而成250 mm×30 mm×35 mm的试件进行低温小梁弯曲试验，评价SMA混合料的低温抗裂性，指标为弯拉应变和劲度模量。采用101.6 mm（直径）×63.5 mm（高度）标准马歇尔试件分别进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评价SMA混合料的抗水损害性能，指标为残留稳定度和冻融劈裂强度比。

3 试验结果

3.1 高温稳定性

沥青作为一种温度敏感性材料，受热易变软，沥青路面在长期荷载及高温条件下，会逐渐发生拥包、推移及车辙等永久变形现象，危及行车安全。普通车辙试验是一种接近沥青路面实际受荷状况且用于评价沥青混合料高温抗车辙性能的试验方法，采用车辙试验对改性沥青混合料进行高温稳定性检验，试验温度为60 ℃，试验结果如图1所示。

由图1可知，动稳定度随着废胶粉的用量增加先增大后减小，在16%用量时动稳定度达到4 773次/mm，其值最大。当废胶粉用量为12%、14%、16%、18%和20%时的动稳定度分别比SBS改性沥青提高了10.9%、14.8%、23.5%、20.7%、18.1%，说明一定用量废胶粉可明显提升改性SMA沥青混合料的抗车辙能力，但用量过多对于抗永久变形能力也存在一定的制约。这是由于适量的废胶粉在沥青胶结料中不仅起到增加黏度，增强沥青与集料粘附性的作用，而且可以起到填充空隙增加密实度的作用［11］，但用量过多后废胶粉会产生集聚作用，反而会对沥青-集料界面粘结性不利，降低其粘附性。

3.2 低温抗裂性

在冬季温度突然变化时，沥青路面会因结构内外的温差形成温度应力。当温度应力超过材料所能承受的阈值时便会开裂形成温缩裂缝，因此北方地区对于沥青路面的低温性能要求较高，需要具有良好的抗裂抗变形能力和应力松弛能力。本文采用低温小梁弯曲试验对废胶粉/SBS改性SMA混合料低温抗裂性能评价，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，结果如图2所示。

由图2可知，随着废胶粉用量的增加，改性SMA沥青混合料弯曲应变先增大后减小，在废胶粉用量为16%时，弯曲应变为3 621 με，其值最大，当废胶粉用量为12%、14%、16%、18%和20%时的弯曲应变分别比SBS改性沥青提高了6.4%、14.3%、18.6%、15.6%、14.4%，说明适量的废胶粉可以显著增加改性SMA沥青混合料的低温柔韧性，降低其低温脆硬性。劲度模量随废胶粉用量增加而呈现先略微减小后逐渐增大现象，且整体上在废胶粉用量超过16%以后劲度模量的增长幅度有所加速。一方面由于废胶粉掺入后增加了沥青与集料界面粘结性，形成更为稳固的结构体系；另一方面废胶粉颗粒自身特性能够针对外力起到一定缓冲作用，具有吸收外部能量的特性，从而提高改性SMA沥青混合料的低温抗裂性。但用量超过一定限度后过多的废胶粉会聚集在一起，在低温外部荷载条件下会形成应力集中现象，导致试件出现过早开裂情况［12］。

3.3 水稳定性

在北方积雪和南方多雨地区，雪水或雨水会通过路面裂缝、渗透等方式到达路面内部，结构内部空隙水在车辆荷载作用下会产生动水压力或负压抽吸作用。这种作用力会对集料表面的沥青薄膜产生冲刷或切削，使沥青逐渐剥离脱落，最终形成坑槽等水损害现象。本文采用国内推荐的冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验用于废胶粉/SBS改性SMA混合料抗水损害性能评价，结果如图3所示。

由图3可知，随着废胶粉用量的增加，残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈现先增大后降低现象，并在用量为16%时达到最大值。这说明适量废胶粉可以明显改善改性SMA沥青混合料的抗水损害能力，但废胶粉用量过大会产生不利影响，可能是由于废胶粉用量过多时产生集聚现象，降低了沥青-集料的界面粘结力。

4 结语

通过对改性SMA沥青混合料的路用性能进行试验研究，主要得出以下结论：

（1）通过车辙试验结果可知，废胶粉可以增加沥青胶结料的黏度，提高沥青-集料界面粘附力，增强改性SMA沥青混合料的高温抗车辙变形能力，且在16%用量时效果最好。

（2）通过低温小梁弯曲试验结果可知，当废胶粉用量增加时，改性SMA沥青混合料试件破坏时的弯拉应变先增加后降低，在掺量16%时最大，且劲度模量先轻微减小后明显增大，废胶粉的加入一定程度增强了改性SMA沥青混合料在低温时的应力松弛能力，提高了SMA沥青混合料的低温抗裂性能。

（3）通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果可知，残留稳定度和冻融劈裂强度比随着废胶粉用量增加呈先增大后降低趋势，16%时最大。说明适量废胶粉可以明显改善改性SMA沥青混合料的抗水损害能力。

（4）综合各方面路用性能，建议废胶粉最佳用量为16%。

参考文献

［1］刘培荣.橡胶沥青性能对橡胶沥青混合料路用性能的影响［J］.中外公路，2018，38（2）：299-305.

［2］宋大伟.SBS橡胶粉复合改性沥青混合料在城市小修改造中的应用研究［J］.合成材料老化与应用，2021，50（2）：70-72，42.

［3］甄俊杰.橡胶沥青SMA混合料低温性能影响因素研究［J］.公路，2016，61（9）：260-262.

［4］王铁庆.橡胶沥青评价指标和温拌橡胶沥青SMA混合料技术研究［D］.西安：长安大学，2017.

［5］谭忆秋，符永康，纪 伦，等.橡胶沥青低温评价指标［J］.哈尔滨工业大学学报，2016，48（3）：66-70.

［6］李晓娟，李 渊，徐希娟.脱硫橡胶沥青改性剂制备及改性沥青性能研究［J］.路基工程，2021（5）：62-69.

［7］肖 龙，李 泉.废胎胶粉与SBS复合改性橡胶沥青混合料性能研究［J］.湖南交通科技，2022，48（1）：5-7.

［8］曹青霞，王 云.SMA-13石墨烯复合橡胶沥青混合料性能优化研究［J］.公路，2023（4）：347-352.

［9］董铁斌，丁桥军.空隙率对橡胶沥青混合料低温性能的影响［J］.湖南交通科技，2019，45（2）：54-58.

［10］刘立方，刘占良.基于室内试验的橡胶沥青SMA混合料的技术性能研究［J］.筑路机械与施工机械化，2016，33（3）：57-59.

［11］汤 雄.橡胶沥青AR-SMA-13在成渝复线高速公路中应用研究［J］.石油沥青，2015，29（5）：48-51.

［12］史思强.胶粉粒径与级配类型对橡胶沥青及其混合料性能影响研究［J］.中外公路，2014，34（4）：331-334.