付小紅， 明杏芬， 胡其志

(武昌工學院，湖北 武漢 430065； 2.湖北工業(yè)大學)

目前，使用廢舊輪胎制成的橡膠粉在道路方面的應用得到了許多研究者廣泛關(guān)注，對于廢舊輪胎的再利用，有利于解決環(huán)境污染和廢物堆積問題以及提高瀝青混合料的路面性能，因此使用橡膠粉來改性瀝青是一個未來發(fā)展的趨勢。采用橡膠瀝青混合料具有提高路面壽命、降低路面反射率、減少交通噪聲、降低維護成本、減少污染環(huán)境等諸多優(yōu)點。王嵐等研究了粒狀橡膠改性劑對表面混合物高溫敏感性的影響，用膠粉改性的瀝青具有更好的抗車轍性能。有些改性瀝青盡管能改善瀝青混合料的性能，但是存在缺點，例如SBR改性瀝青能提高瀝青路面的低溫抗裂性，但其高溫穩(wěn)定性不好；SBS改性瀝青能改善瀝青路面高溫穩(wěn)定性，但SBS改性劑的價格昂貴，不利于推廣使用。

綜上所述，相比SBS改性瀝青、SBR改性瀝青，橡膠瀝青對路面性能的改善起著至關(guān)重要的作用，橡膠粉的摻入能夠改變?yōu)r青混合料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，也有效地提高了橡膠瀝青混凝土路面的整體彈性，并且對橡膠瀝青混凝土路面的抗車轍能力起到提高作用。劉培榮分析不同橡膠瀝青指標對其橡膠瀝青混合料路用性能的影響，控制橡膠瀝青可提高路面使用壽命。為降低路面成本，充分利用資源，解決公路建設(shè)中的問題，對橡膠瀝青的研究具有深遠意義。因此，該文針對不同細度橡膠瀝青和SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)及其混合料的路用性能進行研究，以提高路面使用壽命，改善路用性能，節(jié)約建設(shè)成本。

1 材料組成和微觀分析

1.1 材料

(1) 橡膠瀝青。基質(zhì)瀝青采用90#A級石油瀝青，試驗室確定了橡膠粉摻量為18%。并對20目、40目的橡膠瀝青及SBS改性瀝青進行性能試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 橡膠瀝青性能試驗結(jié)果

(2) 集料。粗集料和細集料均為石灰?guī)r，其中粗集料的粒徑有兩種規(guī)格：10～15 mm和5～10 mm；細集料的粒徑為0～5 mm。

(3) 填料。為提高橡膠瀝青混凝土的黏附性，可在混合料中加入少量水泥作為填料。該文采用硅酸鹽水泥(P.O.32.5級)。

1.2 配合比設(shè)計

(1) 級配確定。從橡膠瀝青混合料的耐久性方面考慮，優(yōu)化級配設(shè)計，可以提高橡膠瀝青與集料的黏附性，使得橡膠瀝青路面的抗脫落能力得到提高。因此，對集料的級配進行設(shè)計，通過試驗分析得到最佳級配，如圖1所示。

圖1 瀝青混合料合成級配圖

(2) 最佳油石比。根據(jù)確定的設(shè)計級配，采用6.9%、7.1%、7.3%、7.5%和7.7%共5個油石比進行馬歇爾試驗，當油石比為7.3%時，馬歇爾試驗得到的空隙率最接近于設(shè)計的空隙率，因而最佳油石比為7.3%。并對所選定油石比為7.3%的ARAC-13橡膠瀝青混凝土進行試驗驗證，試驗結(jié)果符合設(shè)計文件要求，同時也經(jīng)過試驗分析得出SBS改性瀝青的最佳油石比為4.8%。

1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用紅外光譜分析基質(zhì)瀝青、20目橡膠瀝青、40目橡膠瀝青和SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)。不同的化學基團對紅外輻射波長具有其自身的吸收度，紅外光譜分析不同的官能團可以呈現(xiàn)獨特的紅外吸收峰值。通常用于瀝青材料的紅外分析，是檢測材料主要官能團的有效方法。

圖2為不同黏合材料的傅里葉紅外光譜分析結(jié)果。在比較差異之前，可以觀察到4種瀝青之間的一些相似之處：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屬于烷烴中C-H鍵的彎曲振動。比較橡膠瀝青與基質(zhì)瀝青，800～950 cm-1附近的強度略有不同，在934～848 cm-1的基質(zhì)瀝青中有兩個明顯的特征峰，而橡膠瀝青曲線在800～950 cm-1附近變得平緩；特征峰為800～950 cm-1，屬于芳香化合物的=C-H鍵的平面外彎曲振動。因此，可以得出在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉主要發(fā)生物理變化而非化學反應的結(jié)論；橡膠屑與瀝青的化學反應較弱，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結(jié)果基本相同，其特征峰為966 cm-1，是SBS改性劑本身的屬性。從微觀結(jié)構(gòu)分析不同黏合材料的性能，可以更好地研究不同瀝青混合料的路用性能。

圖2 不同黏合材料紅外光譜分析結(jié)果

2 瀝青混合料路用性能研究

2.1 混合料高溫穩(wěn)定性分析

為了分析橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，該文通過車轍試驗分析其性能，制成標準尺寸試件300 mm×300 mm×50 mm，在進行車轍試驗時需要保證車輪的方向與成型試件碾壓的方向一致。不同黏合材料組成的混合料車轍試驗結(jié)果見表2及圖3。

表2 混合料車轍試驗結(jié)果

圖3 不同荷載下的動穩(wěn)定度

由表2和圖3可知：① 當溫度為50 ℃和60 ℃時，在荷載為0.7、1.0、1.4 MPa作用下ARAC-13橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度要大于SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，但當溫度為70 ℃時，二者的動穩(wěn)定度相近；② ARAC-13橡膠瀝青混合料的車轍深度小于SBS改性瀝青混合料；但是在不同的溫度下及隨著荷載作用的增大，20目和40目的ARAC-13橡膠瀝青混合料的動穩(wěn)定度相接近，差別很??；③ ARAC-13橡膠瀝青混合料的高溫性要優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，在瀝青混合料中摻入橡膠粉能夠提高瀝青混合料的黏彈性，使得高溫穩(wěn)定性提高。

2.2 混合料低溫抗裂性分析

在分析不同黏合材料組成的混合料時，溫度應控制在(0±0.1) ℃范圍內(nèi)，通過MTS-Landmark試驗機對試件加載，頻率為10 Hz，分析試件的低溫彎曲變形狀況。該試驗共有3組試件分別為20目橡膠瀝青混合料、40目橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，每組有3個試件，取其平均值，瀝青混合料試驗結(jié)果見表3。

表3 混合料低溫彎曲試驗結(jié)果

由表3可知：3種瀝青混合料的極限破壞應變值均大于2 500 με，滿足規(guī)范要求，橡膠瀝青混合料(40目)的彎拉應變?yōu)? 310 με，仍大于SBS改性瀝青的彎拉應變值。當橡膠粉為20目時，橡膠瀝青混合料的彎拉應變比SBS改性瀝青混合料高了17.6%，橡膠瀝青混合料的低溫性能較好。隨著橡膠粉細度增大，使得混合料彎拉勁度模量也隨之變大；但是較低的彎拉勁度模量能夠使得瀝青混合料具有較好的柔韌性，有利于提高瀝青路面低溫抗裂性。

2.3 混合料水穩(wěn)定性分析

選用凍融劈裂試驗作為評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法，在一定條件下對3種瀝青混合料進行循環(huán)凍融作用，記錄瀝青試件破壞時的荷載，計算不同瀝青混合料的試件劈裂抗拉強度，評價其水穩(wěn)定性，凍融劈裂強度比計算公式見式(1)～(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：R1、R2分別為凍融前、后試件劈裂抗拉強度(MPa)；p1、p2為凍融前、后試件的荷載值(MPa)；h1、h2為凍融前、后試件的高度(mm)；TSR為劈裂強度比。

從表4可以看出：3種瀝青混合料凍融劈裂強度比分別為92%、88%、77%。根據(jù)凍融劈裂強度比可以得到ARAC-13橡膠瀝青(20目)>ARAC-13橡膠瀝青(40目)>SBS改性瀝青，橡膠瀝青混合料更適合采用20目的橡膠瀝青作為黏合材料。橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性能較好，分析原因是基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉能夠吸收飽和芬和輕質(zhì)油分芳香芬，使得瀝青中的瀝青酸和酸酐的含量增加，以此提高了瀝青與集料的黏附性，瀝青混合料水穩(wěn)定性能得到改善。

表4 混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

2.4 混合料疲勞性能分析

疲勞試驗中所采用的是應變控制的方法，通過建立不同應變下瀝青混合料的疲勞壽命與能量消耗累積的關(guān)系，評價3種瀝青混合料的疲勞性能。荷載作用下所消耗的能量按式(4)計算，試驗結(jié)果見表5。

表5 混合料疲勞試驗結(jié)果

ω=πεσsinφ

(4)

式中：ω為消耗的能量；ε為應變振幅；σ為應力振幅；sinφ為荷載應力和應變相位移。

從表5可以看出：ARAC-13橡膠瀝青混合料疲勞作用次數(shù)大于SBS改性瀝青混合料疲勞作用次數(shù)，這是由于橡膠粉使得瀝青混合料的柔韌性得到提高，可以延長橡膠瀝青混合料疲勞壽命；20目的橡膠瀝青混合料疲勞作用次數(shù)大于40目的橡膠瀝青混合料，說明橡膠粉的粒徑越小，橡膠改性瀝青混合料的疲勞壽命越好。

3 瀝青混合料路用性能跟蹤監(jiān)測分析

為了研究不同黏合材料改性瀝青混合料的路用性能衰減規(guī)律，研究其混合料的使用性能隨時間發(fā)展趨勢規(guī)律，可以采取某項瀝青路面破損程度進行評價。以某公路段路面養(yǎng)護為依托工程，3種瀝青混合料試驗路段的路面結(jié)構(gòu)如表6所示，監(jiān)測瀝青混合料的路面狀況變化數(shù)據(jù)，考察瀝青混合料路面使用性能的衰變規(guī)律。

表6 3種瀝青混合料路段路面結(jié)構(gòu)

該文選用瀝青路面破損狀況指數(shù)PCI作為評價路用性能指標，其范圍為0～100。從瀝青混合料試驗路段選取2014—2018年一定時間間隔的9組路面損壞狀況指數(shù)PCI監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同黏結(jié)材料改性瀝青混合料鋪筑的路面使用狀況性能衰變進行分析，圖4為3種瀝青混合料路面試驗路段PCI衰減變化趨勢。

圖4 3種瀝青混合料路面試驗路段PCI衰減變化趨勢

從圖4可知：隨著瀝青混合料路面使用時間的增加，路面服務(wù)水平逐漸下降，路面損壞狀況評價指標PCI隨之衰減，呈現(xiàn)先慢后快的發(fā)展趨勢，在2014—2015年路面損壞狀況指標PCI衰減速率較慢，而隨著路面損壞嚴重，路面損壞狀況指標PCI衰減速率迅速加快。3種瀝青混合料路面狀況整體呈衰減的趨勢，SBS改性瀝青混合料路面性能衰減最快，在2018年時PCI為78.34，而20目、40目橡膠瀝青混合料路面損壞性能指數(shù)PCI分別為86.47、81.28。根據(jù)3種瀝青混合料路面損壞狀況指數(shù)PCI可知：SBS改性瀝青混合料鋪筑的路面使用性能效果最差，在前期路面使用過程中，40目和20目的橡膠瀝青混合料路面狀況性能衰減變化基本相同，而在路面使用幾年后，40目的橡膠瀝青混合料路面性能突然衰減加快。綜上所述，相對于40目的橡膠瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料路面破損狀況來說，使用20目的橡膠瀝青混合料鋪筑的路面具有非常好的使用性能。

4 結(jié)論

通過對不同黏合材料的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，以及其改性的瀝青混合料進行路用性能研究，通過跟蹤其混合料鋪筑成的試驗路面，分析了瀝青路面損壞狀況指數(shù)PCI變化趨勢。得出如下主要結(jié)論：

(1) 結(jié)合紅外光譜分析儀對不同黏合材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，得出在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉，主要發(fā)生了物理變化而非化學反應；SBS改性瀝青的紅外光譜與橡膠改性瀝青的光譜結(jié)果基本相同，其中出現(xiàn)新的特征峰為966 cm-1，是SBS改性劑本身的屬性。

(2) 通過對不同黏合材料改性的瀝青混合料路用性能進行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料的各項路用性能較好，20目的橡膠瀝青混合料的疲勞性、水穩(wěn)定性高于40目的橡膠瀝青混合料，說明隨著橡膠粉細度減小，橡膠瀝青混合料疲勞壽命和水穩(wěn)定性將會提高。

(3) 通過對3種瀝青混合料路面的路面損壞狀況指數(shù)PCI跟蹤監(jiān)測，分析得出SBS改性瀝青混合料路面性能衰減最快，采用40目橡膠瀝青混合料鋪筑的路面在使用幾年后會突然衰減加快，而20目的橡膠瀝青混合料路面使用性能最好。