李勝

(湖南省交建工程集團(tuán)有限公司， 湖南 株洲 412007)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對資源節(jié)約及環(huán)境保護(hù)越來越重視。采用廢舊輪胎制成的橡膠粉改性瀝青，既可實現(xiàn)廢舊輪胎的再利用，減少環(huán)境污染，還可提高路面的使用性能，降低路面反射率，減少交通噪聲，降低維護(hù)成本。周超、余苗等的研究表明，橡膠改性瀝青路面的疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青路面，橡膠摻量為20%時橡膠瀝青路面的疲勞壽命最好。云慶慶、王嵐等認(rèn)為橡膠粉的摻入不僅能改變?yōu)r青混合料結(jié)構(gòu)鑲嵌狀態(tài)，還能提高橡膠改性瀝青混合料路面的整體彈性。該文在分析不同細(xì)度橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過高溫車轍試驗、低溫抗彎拉試驗、凍融劈裂試驗及三分點小梁彎曲疲勞試驗等分析不同改性劑對瀝青混合料路用性能的影響。

1 材料性能及配合比優(yōu)化

1.1 材料性能

(1) 改性瀝青?；|(zhì)瀝青選擇90#A級石油瀝青。實驗室確定橡膠粉摻量為20%?；|(zhì)瀝青、40和60目橡膠改性瀝青及SBS改性瀝青的性能試驗結(jié)果見表1。

(2) 集料。粗集料和細(xì)集料均為玄武巖，其中粗集料的粒徑分別為16～9.5和9.5～4.75 mm，細(xì)集料粒徑小于2.36 mm。其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

表1 不同瀝青性能試驗結(jié)果

表2 玄武巖集料的技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

(3) 礦粉。填料為石灰?guī)r礦粉，要求其干燥、干凈，其技術(shù)指標(biāo)見表3，符合規(guī)范中瀝青面層所用礦粉的質(zhì)量要求。

1.2 配合比設(shè)計

(1) 級配。從改性瀝青混合料耐久性方面優(yōu)化級配設(shè)計，可提高不同細(xì)度橡膠改性瀝青及與集料的粘附性，提高橡膠瀝青路面的抗脫落能力。瀝青混合料的合成級配見圖1。

表3 石灰?guī)r礦粉的技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

圖1 瀝青混合料的合成級配

(2) 最佳油石比。根據(jù)集料設(shè)計級配，采用5種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗，結(jié)果見表4。由表4可知：油石比為7.2%時，馬歇爾試驗所得空隙率接近設(shè)計空隙率，故確定最佳油石比為7.2%。同時通過相關(guān)試驗得到SBS改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

2 不同改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析

從微觀結(jié)構(gòu)分析不同改性瀝青材料的化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，可更好地研究不同改性瀝青混合料的路用性能。采用紅外光譜儀分析基質(zhì)瀝青、40和60目橡膠改性瀝青、SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，圖2為不同粘合材料的傅里葉紅外光譜分析結(jié)果。

由圖2可知：這4種瀝青的紅外光譜曲線在2 980、2 852、1 453和1 377 cm-1處有明顯的特征峰值，其中2 980和2 852 cm-1處的特征峰值屬于飽和烴及其衍生物的C—H鍵和—CH2—鍵的伸縮振動，1 453、1 377 cm-1處的特征峰值屬于烷烴中C—H鍵的彎曲振動。比較橡膠瀝青與基礎(chǔ)瀝青，800～950 cm-1附近的強(qiáng)度略有不同，在934～848cm-1處基礎(chǔ)瀝青中有2個明顯的特征峰，而橡膠瀝青在800～950 cm-1附近變得平緩。800～950 cm-1左右的特征峰屬于芳香化合物的=C—H鍵的平面外彎曲振動。表明在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后主要發(fā)生物理變化而非化學(xué)反應(yīng)；橡膠屑與瀝青的化學(xué)反應(yīng)較弱，只有部分芳香族化合物消失。SBS改性瀝青的紅外光譜與其他瀝青的光譜基本相同，其特征峰位于966 cm-1，是SBS改性劑本身的屬性。

圖2 不同黏合材料的紅外光譜分析

3 不同改性瀝青混合料的路用性能

3.1 改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

分別采用40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm試件進(jìn)行車轍試驗，試驗時保證車輪方向與成型試件碾壓方向一致，試驗結(jié)果見表5、圖3。

由表5和圖3可知：溫度為50和60 ℃時，在0.7、1、1.4 MPa荷載作用下，ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯高于SBS改性瀝青混合料，試驗溫度為70 ℃時兩類混合料的動穩(wěn)定度接近；ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的車轍深度小于SBS改性瀝青混合料；在不同溫度和荷載下，40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度差別都很小。ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，這是因為在瀝青混合料中摻入橡膠粉能提高混合料的黏彈性，進(jìn)而提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

表5 改性瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

圖3 不同荷載下各改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度

3.2 改性瀝青混合料的低溫抗裂性

瀝青路面的開裂與混合料的低溫抗裂性能相關(guān)，可通過測試瀝青混合料的低溫性能來分析瀝青路面的低溫抗裂性。分別成型40、60目橡膠改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行低溫抗彎拉試驗，分析不同改性劑對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，試驗結(jié)果見表6。

表6 改性瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果

由表6可知：3種改性瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變均大于2 500 με，符合要求。橡膠粉為40目時，橡膠改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 463 με，比SBS改性瀝青混合料高21.8%，說明橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性能較好。隨著橡膠粉細(xì)度的增大，橡膠改性瀝青混合料的彎拉勁度模量增大。瀝青混合料的彎拉勁度模量較低，則其柔韌性較好，采用40目橡膠改性瀝青混合料可提高瀝青路面的低溫抗裂性能。

3.3 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

通過凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對凍融循環(huán)作用后的3種改性瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗，得到其劈裂強(qiáng)度比(見表7)。

由表7可知：40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別為93%、89%、79%，水穩(wěn)定性能為ARAC-13橡膠改性瀝青(40目)>ARAC-13橡膠改性瀝青(60目)>SBS改性瀝青。這是因為基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉能吸收飽和芬和輕質(zhì)油分芳香芬，使瀝青中的瀝青酸和酸酐含量增加，從而提高瀝青與集料的黏附性，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能得到改善。

表7 改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

3.4 改性瀝青混合料的疲勞性能

對3種改性瀝青混合料使用MTS材料試驗機(jī)進(jìn)行三分點小梁彎曲疲勞試驗，采用應(yīng)變控制方法，試驗溫度為15 ℃。通過建立瀝青混合料疲勞壽命與能量消耗累積的關(guān)系，分析3種改性瀝青混合料的疲勞性能。試驗結(jié)果見表8。

由表8可知： 40、60目ARAC-13橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)分別為124 548、107 812、68 423 次，ARAC-13橡膠改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)明顯大于SBS改性瀝青混合料。這是由于橡膠粉的摻入，使瀝青混合料的柔韌性得到提高，進(jìn)而使其抗疲勞性能得到提升。40目橡膠改性瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)大于60目橡膠改性瀝青混合料，說明橡膠粉粒徑對橡膠改性瀝青混合料的路用疲勞壽命有一定影響。

表8 3種改性瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 橡膠改性瀝青的最佳橡膠粉摻量為20%，最佳油石比為7.2%；SBS改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

(2) 橡膠改性瀝青主要發(fā)生物理變化而非化學(xué)反應(yīng)，不同細(xì)度橡膠粉改性瀝青具有相同的光譜；SBS改性瀝青的紅外光譜與橡膠改性瀝青的基本相同，但出現(xiàn)新的特征峰966 cm-1，這是SBS改性劑本身的屬性，使其產(chǎn)生新的官能團(tuán)。

(3) 橡膠改性瀝青混合料的各項路用性能均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；橡膠粉細(xì)度對橡膠改性瀝青混合料路用性能有一定影響，40目橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性能均優(yōu)于60目橡膠改性瀝青混合料。相比其他改性劑，采用40目橡膠對瀝青改性不僅經(jīng)濟(jì)效益高，還能提高瀝青路面的使用性能。